“電子技術(shù)”課程虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

胡 燕，彭其圣，侯建華

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，湖北武漢430074)

“電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)對(duì)電子線路的搭建、測(cè)試和分析來(lái)加深理論和實(shí)踐的聯(lián)系。課程實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生將所學(xué)知識(shí)用于解決具體問(wèn)題。目前，由于受儀器設(shè)備、元器件、實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，學(xué)生的主觀能動(dòng)性難以發(fā)揮，學(xué)習(xí)效果欠佳。

1 實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的整合

為了實(shí)現(xiàn)“電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［1]。

1)“電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

“電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)中的不確定性來(lái)源于器件參數(shù)的離散性、實(shí)驗(yàn)中的干擾或噪聲、元器件老化和參數(shù)誤差及測(cè)量?jī)x器沒(méi)有計(jì)量導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性等。標(biāo)稱值與實(shí)際值的上述影響等在虛擬技術(shù)中很難反映出來(lái)。另外，學(xué)生的很多理論知識(shí)鞏固和動(dòng)手能力提高必須通過(guò)實(shí)際操作來(lái)培養(yǎng)，如線路板的焊接實(shí)驗(yàn)等。

2)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有效整合

我們?cè)陔娮蛹夹g(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式的混合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在實(shí)施虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)階段的不同和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)類型和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌C合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)課時(shí)的實(shí)際情況合理選擇實(shí)驗(yàn)方式。

3)虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

我們的虛擬實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的仿真工具M(jìn)ultisim。

有些虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是事先規(guī)定好的，學(xué)生不能隨意操作以及作出修改如驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。另一些則提供了多樣的建構(gòu)空間，學(xué)生可以嘗試新的操作步驟如設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

2 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)實(shí)例:共射放大器

單級(jí)共射放大電路是“模擬電子技術(shù)”課程的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生學(xué)習(xí)基本的儀器連接方式和電路指標(biāo)的測(cè)量方法，學(xué)習(xí)基本的電路檢查和故障判斷方法，了解元器件的型號(hào)和參數(shù)，學(xué)習(xí)元器件清單的列舉方法，加深對(duì)放大器參數(shù)和性能的理解。為了改善實(shí)驗(yàn)效果，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)課前用虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)合理選擇元件，了解元件的性能以及使用方法，了解儀器的使用和測(cè)量方法。Multisim所提供的多種虛擬儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，如安捷倫萬(wàn)用表、示波器和函數(shù)發(fā)生器。得到的測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線與在實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)儀器上看到的相同。學(xué)生可以在Multisim中使用這些儀器后，將這些知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的工作臺(tái)上。

如果學(xué)生在課后使用虛擬實(shí)驗(yàn)，則有足夠時(shí)間將實(shí)際實(shí)驗(yàn)中碰到的問(wèn)題進(jìn)行思考和解決。他們可以改變電路中的元器件數(shù)值，增加或降低電源，改變電位器和可變電容數(shù)值，甚至改變整個(gè)電路結(jié)構(gòu)，只要運(yùn)行仿真，就可以立即顯示結(jié)果。

學(xué)生通過(guò)圖1所示的單級(jí)共射放大電路虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和研究以下問(wèn)題。

圖1 單級(jí)共射放大電路實(shí)驗(yàn)

(1)熟悉實(shí)驗(yàn)電路和示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等實(shí)驗(yàn)儀器的連接和使用方法;

(2)當(dāng)放大器在放大交流信號(hào)時(shí)，其集電極電流的波形應(yīng)該是怎樣的?

(3)如將輸入信號(hào)的幅度不斷加大，則輸出波形發(fā)生怎樣的改變?

(4)去掉電路中連接的發(fā)射極電容C3會(huì)對(duì)放大電路輸出波形有什么影響?

(5)改變R1后，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、放大倍數(shù)和輸出波形會(huì)有怎樣的變化?

(6)改變電源電壓，輸出波形會(huì)有什么變化?

3 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)實(shí)例:帶通濾波器

濾波器屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)給定題目獨(dú)立完成電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇、電路的搭建與調(diào)試等。濾波器有低通、高通、帶通和帶阻之分，其中帶通濾波器可以用低通濾波器和高通濾波器相串聯(lián)而實(shí)現(xiàn)，但是這種方法僅適用于上限截止頻率是下限截止頻率有好幾倍的寬通帶濾波器的設(shè)計(jì)。如果帶寬相對(duì)中心頻率很小，則要用別的設(shè)計(jì)方法如采用Delyiannis-Friend帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。

學(xué)生拿到帶通濾波器的設(shè)計(jì)題目時(shí)，首先就要分析是寬通帶還是窄通帶濾波器，接著選擇電路形式，計(jì)算并選擇元器件參數(shù)，實(shí)施電路搭建，選擇并連接測(cè)試儀器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形再來(lái)微調(diào)元器件參數(shù)直至達(dá)到性能指標(biāo)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往時(shí)間不夠用，實(shí)驗(yàn)室也不可能隨時(shí)開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器都要花費(fèi)一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)，元器件損壞或更改數(shù)值需要重新檢測(cè)電路。在有限的課時(shí)、有限的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地完成濾波器的設(shè)計(jì)及調(diào)試實(shí)屬不易。而虛擬實(shí)驗(yàn)可以輕松地更改電路設(shè)計(jì)、更換元器件及修改器件參數(shù)，并且即時(shí)看到實(shí)驗(yàn)效果。這樣一來(lái)，學(xué)生可以將精力可集中在實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析上。

4 結(jié)語(yǔ)

我們按照虛實(shí)結(jié)合學(xué)習(xí)模式，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)課時(shí)的實(shí)際情況確定是以虛擬實(shí)驗(yàn)還是以實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主進(jìn)行教學(xué)，虛實(shí)相生共同提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)可以用于課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)之中，也可以用于課堂教學(xué)過(guò)程中。虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)可以有機(jī)融合，共同實(shí)現(xiàn)“電子技術(shù)”課程教學(xué)目標(biāo)。

［1] 張學(xué)軍，王阿習(xí).虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的進(jìn)一步探討［J] .北京:現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，21(2):132-135

［2] 彭其圣，尹建新.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)［M] .北京:科學(xué)出版社，2010:1-2