電子技術(shù)的虛擬與真實實驗的互補作用

摘 要： 在電子技術(shù)教學中引入虛擬軟件Mutsm1.0進行實驗教學改革，建立虛擬實驗室，將虛擬實驗與實物實驗有機地結(jié)合，利用虛擬電子實驗臺進行電路設(shè)計，可以克服傳統(tǒng)實驗的不足。但虛擬實驗也有一定的局限性，虛擬實驗只能是實驗教學教學的一種輔助手段，在實驗中必須虛實結(jié)合，才能得到正確的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

關(guān)鍵詞： Multisim 虛擬實驗 真實實驗

1.引言

Multisim應(yīng)用于電路分析課堂教學，使抽象的概念變得具體，使枯燥的內(nèi)容變得生動，加深了學生對理論知識的理解掌握。從課堂教學效果來看，既能活躍課堂氣氛，又能調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的學習興趣。學生可以利用仿真軟件進行電路仿真、電路設(shè)計，利用虛擬儀器測量驗證，拓寬知識面。仿真技術(shù)引入課堂，使理論與實踐得到統(tǒng)一。通過Multisim虛擬仿真軟件，學生可利用電腦進行電路仿真及仿真分析，檢驗電路設(shè)計方案在功能方面的正確性和可行性，以達到熟悉電路、掌握工作原理和進行實驗創(chuàng)新的目的，為高效率地實驗打好基礎(chǔ)。應(yīng)當注意的是仿真實驗教學是一種現(xiàn)代化的教學手段，不能代替實際操作，否則會削弱學生對真實儀器的感覺，影響實驗技能的掌握。所以，仿真實驗必須與傳統(tǒng)實驗教學相結(jié)合才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

2.電子技術(shù)課程虛擬和實際實驗教學的對比

傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗方法是：學生在實驗室根據(jù)給定的電路圖和元器件搭建實驗電路，甚至部分實驗使用了現(xiàn)成的電路板，用儀器測量數(shù)據(jù)得出結(jié)論。在實際實驗之前，學生要根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗步驟，在實驗過程中則要一邊動手做實驗一邊仔細觀察實驗現(xiàn)象（包括借助于實驗儀器來觀察）、記錄實驗數(shù)據(jù)，并通過分析實驗現(xiàn)象進行推理并最終得出實驗結(jié)論。相對于真實實驗，虛擬實驗是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的，在虛擬實驗系統(tǒng)中，實驗設(shè)備和實驗儀器虛擬化，實驗現(xiàn)象和實驗過程虛擬化，學生在虛擬實驗中通過操作鼠標、鍵盤及與計算機相連接的各種多媒體數(shù)據(jù)輸入設(shè)備進行點擊或拖放等動作，從而實現(xiàn)對虛擬設(shè)備的操作，完成對虛擬實驗的體驗。學生從虛擬實驗中得到的是一種虛擬的體驗，這是一種抽象的體驗。在電子技術(shù)實驗教學中，虛擬實驗采用MultiSim1.0軟件設(shè)計與仿真，即在計算機上設(shè)計搭建電子電路，并修改電路及其元件參數(shù)，用虛擬儀器測試電路性能并分析原因，完成電子電路的設(shè)計定型。仿真通過后，在實驗室采用硬件電路實現(xiàn)，并將虛擬實驗的結(jié)果與硬件實驗的結(jié)果進行對照分析，通過實際電子電路的設(shè)計過程，培養(yǎng)學生的綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。通過MultiSim1.0仿真，不僅可以減少實驗耗材的消耗，避免實驗設(shè)備或儀器的損壞，還可以解決實驗室高檔儀器和元器件不足的問題，具有較強的靈活性。如果學生沒有一定的知識和經(jīng)驗，特別是親身體驗作為基礎(chǔ)，那么這種虛擬和抽象就不符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，對學生學習經(jīng)驗的獲取和意義的建構(gòu)不僅不具有積極的作用，反而因過于抽象或虛擬而起阻礙作用。

3.虛擬和實際實驗的互補作用

虛擬實驗是根據(jù)教學模型建立的是理想化，虛擬實驗包括虛擬元件和虛擬儀器兩部分。在虛擬實驗中會有一些因素影響其實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，只有虛實結(jié)合才能正確分析實驗結(jié)論，而虛擬實驗雖能簡化實驗過程，提高實驗的效率和安全性，但不能鍛煉學生的動手能力。

（1）目前的虛擬實驗系統(tǒng)是實驗只能按照固定的、正確的操作流程或方法進行，否則實驗不能得到正確的結(jié)果，這個結(jié)果是機械的，是由程序本身決定的，而不是真實情況的反映。因為程序開發(fā)人員是嚴格按照實驗步驟和實驗現(xiàn)象進行設(shè)計和開發(fā)的，可以說一個實驗只有一個結(jié)果，實驗中，不允許學生操作錯誤或者對實驗進行一些改變，這樣不利于培養(yǎng)學生從操作失誤中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，限制了學生的發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

（2）虛擬元件的阻抗通常是默認的，但有些值也可以設(shè)置，實際元件每個阻抗可能都不相同，如設(shè)置阻抗參數(shù)就和操作人員的實際經(jīng)驗有密切的關(guān)系，經(jīng)驗越豐富，設(shè)置的參數(shù)就越接近實際情況，用默認值可能就會有與實際實驗不同的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

（3）在真實條件下做實驗也會因儀器的精度、操作的方法、量程的選擇、實現(xiàn)的方法有不同的結(jié)果，這本身就是不可避免的誤差產(chǎn)生的因素。虛擬實驗的理想化和真實實驗的具體情況本身就有一定的差異，在必然和理想條件下的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果存在誤差。

（4）虛擬元件中不可能存在真實實驗中的一些情況。如導(dǎo)線會存在的分布電容、電感、電阻，對虛擬實驗的結(jié)果會有一定的影響。

（5）虛擬實驗在一些演示性和驗證性類型的實驗中發(fā)揮了較好的作用，但是在實際操作性強的實驗中，則降低了學生的動手操作能力。比如，電子技術(shù)很多實驗中，需要實驗者根據(jù)不同的實驗條件使用不同的導(dǎo)線連接實驗線路。在虛擬實驗中，只要點擊相應(yīng)的按鈕就可以把導(dǎo)線連接到儀器上，學生根本體會不出不同方法所用的導(dǎo)線及導(dǎo)線連接方法有何不同，不能鍛煉實際動手能力。

要使虛擬實驗和實際實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)論接近，關(guān)鍵在于虛擬實驗系統(tǒng)在建立虛擬儀器和元件庫時，要考慮實際的環(huán)境和結(jié)論后，設(shè)置一些指標和參數(shù)，同時也要使真實實驗的條件向理想情況趨近，如保證理想的室內(nèi)溫度，考慮參數(shù)的分散性等，這樣才能使虛擬實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果仿真到實際實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果。電子技術(shù)虛擬實驗，增強了實驗課的教學效果。虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，具有良好的發(fā)展前景。但虛擬實驗的實現(xiàn)是一項復(fù)雜的工作，還有許多理論和技術(shù)問題有待進一步探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。在實物實驗過程中，元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的，對于培養(yǎng)學生的和創(chuàng)造性思維是至關(guān)重要的，也要引起足夠的重視。只有先理論后實踐，先做真實實驗后做虛擬實驗，或先做虛擬實驗后做真實實驗，才能使二者有效結(jié)合，相互依存，使電子技術(shù)實驗更完善。

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