虛擬仿真在電子類實驗教學中的應用探析

李 純

（重慶航天職業技術學院，重慶400021）

0 引言

現階段，在電子類實驗教學中受傳統條件限制，存在人員配備不足、資金以及儀器設備短缺等問題。這些問題都會直接影響電子類實驗教學效果。為了促進當前教學改革的信息化發展，需要對電子類實驗教學條件進行改善，提高實驗教學質量。將虛擬仿真軟件引入電子類實驗課程中是目前電子類實驗教學中的主要措施，開展虛擬實驗教學。一般包括直接操作遠程實驗設備以及利用虛擬仿真軟件開展虛擬教學實驗。這兩種實驗教學都能夠滿足電子類實驗教學的具體需求。但是利用虛擬仿真軟件可以直接跳過實驗設備，使學生能夠對虛擬器件進行操作，對提高教學效率，保證教學質量有積極意義。

1 虛擬仿真技術應用概述

目前，在電子類實驗教學過程中，對虛擬化的技術進行應用時主要包括虛擬機技術以及仿真技術兩部分。虛擬儀器主要指的是將軟件作為儀器本身利用軟件實現儀器的功能。在具體的應用過程中可以編寫虛擬儀器面板，并根據各種數據采集設備和硬件仿真平臺，構建不同的仿真系統。而仿真技術在利用過程中需要利用模型開展仿真實驗。利用仿真軟件工具的模擬功能，可以模擬電路環境以及電路的運行過程，從而達到與真實實驗一致的目的[1]。

虛擬仿真技術的主要核心是虛實結合，在具體的應用過程中具有以下優勢：第一，能夠在極大程度上節約教學成本，拓展電子類實驗教學實踐以及空間。在傳統的實驗教學過程中，對儀器設備的要求相對較高，會導致教學成本增加，同時會對實驗過程產生限制，必須保證在實驗室才能夠完成實驗過程。而利用虛擬仿真技術只需要安裝相應的仿真軟件，學生就可以登錄計算機，在任何地點任何時間對電路進行仿真實驗。與此同時，還可以利用便攜式的硬件設備以及虛擬儀器驗證仿真結果。第二，利用虛擬仿真技術能夠促進教學理論與教學實際進行有效結合，激發學生的學習興趣。在虛擬仿真實驗平臺運行過程中，可以充分發揮其虛實結合的優勢，使學生在掌握相關理論知識的同時，能夠動手參與到實驗過程中，深化學生對理論知識的理解，同時能夠培養學生的實踐能力。此外，利用虛擬仿真技術可以將相應的實驗內容更加直觀形象地展示給學生，提高學生的學習興趣。第三，實驗平臺具有可重復利用的特性，能夠保證教學效果。在同一個平臺應用過程中，除了能夠完成多門課程實驗之外，還可以構建集設計、研發、應用于一體的實驗平臺。能夠利用該虛擬仿真平臺完成從設計到系統部署的所有工作，促進教學與科研、理論知識與實際工作之間的有效銜接。第四，能夠豐富實驗內容，提高實驗教學的創新性。在虛擬仿真技術應用過程中，可以根據具體的實驗需求搭建不同的實驗電路，從而開展綜合性以及創新性的實驗學習，對培養學生的創新能力以及創新意識有積極作用。

2 虛擬仿真技術對電子類實驗教學中的應用

2.1 利用虛擬仿真技術進行電路實驗

現階段，在電子類實驗教學過程中，對虛擬仿真技術進行應用，可以利用仿真軟件完成電路實驗。在虛擬電子實驗過程中對電路進行設計以及分析計算，可以利用常用的虛擬電壓表、電流表以及信號發生器、數字脈沖發生器、邏輯分析儀、示波器等組成虛擬儀器庫。在具體的仿真實驗教學過程中，可以對仿真軟件中的元件庫、電子電容、三極管等進行調用，構建單管放大電路，形成單管放大器實驗電路圖。并且在仿真實驗過程中，學生可以在電路輸入以及輸出端加入虛擬儀器的交流正弦信號發生器以及雙中示波器開展仿真實驗。利用這一仿真教學可以使學生學會放大器動態工作點的具體調試方法，同時能夠準確掌握靜態工作點對放大器性能可能會產生的各種影響。此外，學生還可以正確掌握放大器電壓放大倍數的具體測量方法，對電壓波形的變化也可以進行動態觀察[2]。

2.2 開展定時器仿真

除此之外，還可以完成定時器虛擬仿真實驗。定時器本身是一種多用途的中規模集成電路器件。在脈沖產生以及變換等領域的應用比較廣泛。施密特觸發器可以完成波形轉換、轉向以及幅度鑒別等各項工作。在具體的虛擬仿真實驗過程中可以將觸發器作為主要對象，利用軟件來完成實驗仿真過程。在仿真測試過程中，電路的輸入信號為正弦信號，而示波器可以對輸入輸出波形進行準確檢測。從而獲取施密特觸發器的具體訪問結果。對仿真結果進行分析，可以使學生觀察施密特觸發器在模擬信號波形中的主要功能，同時可以將模擬的信號波形轉換為矩形波。利用實驗平臺進行仿真，能夠更加準確地驗證細密特觸發器的應用功能。

2.3 數字濾波器仿真

對數字濾波器進行虛擬仿真實驗也是虛擬仿真技術在電子類實驗教學過程中的主要應用內容之一。在數字濾波器仿真分析過程中，需要對數字濾波器的labview進行仿真分析，labview指的是圖標代替文本行創建應用程序的圖像化編程語言。在具體的應用過程中可以利用程序流程圖創建出虛擬儀器，具有較強的可視化效果。在虛擬仿真實驗過程中，數字濾波器部分內容比較抽象，涉及的數學公式也比較多，信號分析缺乏可視化的特性。學生在學習過程中不能將數學函數與波形進行有效聯系，同時不能理解實驗結果與信號處理之間的應用關系。數字濾波器可以利用硬件電路進行實現，還可以使用計算機以及軟件編程實現。因此，利用labview模擬濾波器能夠解決在具體教學過程中存在的難題。利用labview設計的巴特沃斯低通數據濾波器程序框圖，可以使用前面板窗口更加清晰明確地展示濾波前后的波形變化，使學生能夠通過形象直觀的展示獲取相關的實驗結果，理解數字濾波器的應用功能。

3 虛擬仿真技術在電子類實驗教學中的應用策略

為了能夠保證虛擬仿真技術在電子類實驗教學過程中充分發揮作用，提高電子類實驗教學水平。需要采取以下措施提高虛擬仿真技術在電子類實驗教學中的應用效果：第一，需要對實驗教學資源進行優化改進。在電子類實驗教學開展教學活動時，學校可以根據軟件市場的具體情況及時更新軟件，確保軟件能夠與電子類實驗教學內容相適應。除此之外，學校還可以根據自身的條件與專業團體實驗教學資源開發，對一些難度相對較小，并且學校具有相關技術條件的情況，可以調動師生的創新精神以及積極性，鼓勵師生參與到資源拓展工作中。這樣可以對電子類實驗教學資源進行擴展和創新，豐富教學資源[3]。第二，需要加強虛擬仿真實驗教學設計工作。在虛擬實驗教學過程中，教師可以利用任務驅動法開展教學活動，將教師與學生進行有效聯系，使學生在學習中以學習任務為主線，堅持教師引導的原則開展學習活動，提高學生的自學能力以及實踐能力。使學生能夠在教師的引導下設計出可行的實驗方案。在確定實驗時，需要以傳統實驗教學內容為基礎，綜合考慮虛擬仿真實驗的具體目的和任務。同時要以傳統實驗教學步驟和虛擬實驗技術的相關特點為基礎選擇合適的虛擬仿真軟件。還要制定好實驗流程，確保實驗教學活動順利進行[4]。

4 結語

總而言之，在電子類實驗教學過程中，對虛擬仿真技術進行充分應用，可以提高當前電子的實驗教學效率和水平，對提高學生的學習意識以及創新意識有積極幫助。與此同時，利用虛擬仿真技術開展實驗教學活動，可以培養學生的實踐操作能力，對推動電子類實驗教學的創新發展有積極幫助。