電路理論虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育及網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，Lab VIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，電路理論虛擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)基于Lab view的實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，通過(guò)電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果和目的的一種新的實(shí)驗(yàn)方法，一方面克服了實(shí)驗(yàn)室在元器件和規(guī)格上的限制，避免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制，從而促進(jìn)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化。
　　關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；Lab view；電路理論；遠(yuǎn)程教育
　　
　　一、引言
　　
　　實(shí)驗(yàn)，是多數(shù)工程類課程和應(yīng)用類課程的重要一環(huán)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，引起學(xué)習(xí)興趣都有不可替代的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)正是通過(guò)讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，觀察事物發(fā)展及變化，加深理解和認(rèn)識(shí)從而使學(xué)生的觀察、思維、分析能力和創(chuàng)新精神得到培養(yǎng)和提高。虛擬技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的，利用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)過(guò)程的實(shí)用技術(shù)，Lab VIEW作為一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件，是開(kāi)發(fā)虛擬儀器的一種方便快捷的工具。電子理論虛擬實(shí)驗(yàn)正是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)基于Lab view的實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，通過(guò)電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果和目的的一種新的實(shí)驗(yàn)方法。電路理論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，不僅可以改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，也能滿足不同領(lǐng)域、不同用戶的需求。
　　電路理論是一門(mén)較為抽象的理論型課程。在學(xué)習(xí)電路理論時(shí)必須理論聯(lián)系實(shí)際，抓好教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能根據(jù)自己的實(shí)際情況，結(jié)合教師的教學(xué)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證所學(xué)到的電路原理。但是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的種種現(xiàn)象又不盡人意，暴露了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一些固有缺陷。例如：
　　學(xué)生不熟悉電路連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)極易出錯(cuò)，造成電子元器件及測(cè)試儀器的損壞。
　　學(xué)生不能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，更不能像做家庭作業(yè)一樣在課余時(shí)間進(jìn)行練習(xí)。有限的教學(xué)時(shí)數(shù)與學(xué)生技能的提高矛盾突出。
　　實(shí)驗(yàn)的元器件離散性、環(huán)境變化可能引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差。
　　傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是以實(shí)物為主的，設(shè)備易磨損老化，需要定期更新，消耗我們有限的教學(xué)經(jīng)費(fèi)。
　　基于Lab view的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)恰好能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。它的優(yōu)點(diǎn)是：在計(jì)算機(jī)上即可完成和實(shí)現(xiàn)電路的電氣連接，檢測(cè)電路的性能，及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果；可以在短暫的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里快速完成較復(fù)雜的電路連接、測(cè)試工作；可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的量化評(píng)估。
　　
　　二、開(kāi)發(fā)目標(biāo)
　　
　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)大學(xué)《電路理論》課程配套開(kāi)發(fā)的可在網(wǎng)上開(kāi)展的虛擬實(shí)驗(yàn)，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相近的環(huán)境，可滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠(yuǎn)程教學(xué)。針對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容，參看了教育部相關(guān)文件、多種電路分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，以及多個(gè)高校的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，文章提取出以下八個(gè)典型實(shí)驗(yàn)：
　　實(shí)驗(yàn)一：元件的伏安特性；
　　實(shí)驗(yàn)二：基爾霍夫定律的驗(yàn)證；
　　實(shí)驗(yàn)三：戴維南定理的驗(yàn)證；
　　實(shí)驗(yàn)四：一階RC電路的響應(yīng)；
　　實(shí)驗(yàn)五：正弦穩(wěn)態(tài)電路參數(shù)的測(cè)定；
　　實(shí)驗(yàn)六：功率因數(shù)的提高；
　　實(shí)驗(yàn)七：RLC串聯(lián)電路的諧振；
　　實(shí)驗(yàn)八：三相電路中電壓，電流和功率的測(cè)量。
　　
　　三、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　
　　電路理論虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其核心是對(duì)電路作數(shù)值計(jì)算的程序，也就是“電路仿真程序”。利用平臺(tái)，教學(xué)的模式實(shí)現(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)”和理論緊密配合。該系統(tǒng)可以用在電路技術(shù)基礎(chǔ)課程的輔助教學(xué)上，諸如：電路理論、電路分析等。在廣度和深度上可以滿足高校本科、高職乃至中等職業(yè)學(xué)校電類或非電類不同層次的相類似課程的教學(xué)需要。
　?。ㄒ唬?shí)驗(yàn)平臺(tái)
　　本系統(tǒng)是用虛擬儀器工具Lab VIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下制作完成的，界面非常直觀，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、及波形顯示均簡(jiǎn)單易懂，適合學(xué)生自學(xué)完成。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面，一般分為參數(shù)設(shè)置、觀察數(shù)據(jù)和波形顯示三部分：
　　【參數(shù)設(shè)置】
　　在面板上的工具欄Window中選擇“Show Tools Palette”，在彈出的工具框中選中Edit Text后，即可將鼠標(biāo)移至參數(shù)設(shè)置處，根據(jù)需要任意設(shè)置元件參數(shù)，設(shè)置完畢后，按運(yùn)行鍵運(yùn)行。
　　【觀察數(shù)據(jù)】
　　運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后，在數(shù)據(jù)顯示框中可以觀察到所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。
　　【波形顯示】
　　運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后，在面板上的示波器中可以直接觀察到波形圖，完畢后按界面上的STOP鍵結(jié)束實(shí)驗(yàn)。
　?。ǘ┫到y(tǒng)特點(diǎn)
　　操作簡(jiǎn)單，用戶界面友好；操作方式、儀表讀數(shù)、波形顯示、實(shí)驗(yàn)過(guò)程貼近真實(shí)實(shí)驗(yàn)；與教材配套，適合學(xué)生自學(xué)。
　?。ㄈ┫到y(tǒng)運(yùn)行環(huán)境
　　客戶端操作系統(tǒng)：Windows2000系列、XP系列，需要安裝Lab view的插件。
　　四、電路理論虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　在《電路理論》的八個(gè)典型實(shí)驗(yàn)中，以實(shí)驗(yàn)四為例介紹本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程：
　　實(shí)驗(yàn)四一階RC電路的響應(yīng)。
　　【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br/>　　測(cè)定一階RC電路的響應(yīng)和時(shí)間常數(shù)τ；
　　觀察一階RC電路的全響應(yīng)波形圖。
　　【實(shí)驗(yàn)步驟】
　　在界面上設(shè)置電源電壓值Us，電容的初始電壓值Uc（0），電阻值R和電容值C，運(yùn)行并觀察時(shí)間常數(shù)值τ，填入下表1：
　　
　　根據(jù)步驟1畫(huà)出i（t）和u（t）的波形圖（圖1），與界面上所示波器所示的波形圖（圖2）相比較是否一致。
　　根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)要求及步驟，可以在下面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，框圖程序如圖3所示。
　　
　　
　　五、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　教育的目的在于提高學(xué)生的分析能力、判斷能力及創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。我們知道用實(shí)物設(shè)計(jì)制作復(fù)雜一點(diǎn)的電路，單是搭建時(shí)準(zhǔn)備零件、制作電路板、焊接就要花費(fèi)不少功夫；接好電路后，為了使電路處于滿意的工作狀態(tài)，不斷地更換零件、調(diào)整參數(shù)也是十分費(fèi)時(shí)費(fèi)工的。學(xué)生要運(yùn)用自己學(xué)到的知識(shí)設(shè)計(jì)制作新穎的電路是一件很困難的事?，F(xiàn)在，虛擬實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良環(huán)境，學(xué)生可以充分發(fā)揮他們的智慧，展現(xiàn)他們的才華。
　　隨著遠(yuǎn)程教育的不斷普及，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室也必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。建立多種實(shí)用、高效的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在時(shí)間和空間上的限制，大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和經(jīng)費(fèi)，并可更好地培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)及創(chuàng)新能力。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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