虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建研究

李晨暉 徐有明

摘要：在電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)中引入虛擬軟件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，采用虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，既克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的一些不足，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的自主能動(dòng)性和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：電子實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）41-0279-02

虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子教學(xué)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，即虛擬儀器和虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為電子設(shè)計(jì)與測(cè)試的硬件平臺(tái)，在此平臺(tái)上進(jìn)行電子設(shè)計(jì)和模擬操作及測(cè)試，就像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，在這樣的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，進(jìn)行電工學(xué)、數(shù)字電路、高頻電路、模擬電路等電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析、打印或輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試曲線和電路原理圖，這種虛擬實(shí)驗(yàn)不消耗器材，實(shí)驗(yàn)所需器材類型和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低、效率高、速度快，可開(kāi)展的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)種類齊全。

一、虛擬儀器由硬、軟件平臺(tái)構(gòu)成

虛擬儀器所使用的硬件平臺(tái)主要包括：PC、模（數(shù)）/數(shù)（模）轉(zhuǎn)換器、輸入輸出系統(tǒng)等。

虛擬儀器軟件平臺(tái)主要是基于PC端口的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用所需各種軟件，如Lab Windows/CVI、C/C++、微軟的VB、VC及惠普公司的VEE等系統(tǒng)應(yīng)用軟件。利用這些虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具的通訊與網(wǎng)絡(luò)能力，可很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬儀器間的連接和遠(yuǎn)程操作、設(shè)計(jì)、測(cè)試和控制。

二、虛擬電子實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)應(yīng)用

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室是將大量的虛擬電子儀器進(jìn)一步整合在同一虛擬平臺(tái)之中，在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行自由切換，從而使學(xué)生掌握儀器的使用，進(jìn)行各種設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，利用虛擬儀器完成實(shí)驗(yàn)功能和設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作中延伸和拓展獨(dú)立虛擬儀器功能。目前多使用Multisim、Protel、MATLAB等軟件系統(tǒng)，以及工作平臺(tái)EWB（Electronics Workbench）來(lái)應(yīng)用于電子技術(shù)的仿真。此類軟件提供了諸如數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、功率表、邏輯分析儀、伏安特性分析儀、端口網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等大量不同型號(hào)的虛擬儀器，以及電源、模數(shù)混合元器件、基本元器件、整流類元器件、射頻元器件、機(jī)電元器件等多種各類電子元器件。學(xué)生通過(guò)使用此類平臺(tái)，可以方便快捷地進(jìn)行并完成電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，包括電子技術(shù)、電子電路、電工技術(shù)以及各類課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。

1.虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。（1）擁有各種不易磨損的元器件，具備良好的使用狀態(tài)，且功能完善，可以進(jìn)行各電子類課程的實(shí)驗(yàn)操作。（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)行及時(shí)的分析處理，并利用端口對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。（3）成本較低，無(wú)須使用各類元器件以及其他實(shí)驗(yàn)耗材，且相對(duì)維護(hù)成本較低。（4）利于在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，且效率高，速度快，運(yùn)行穩(wěn)定。

2.EWB虛擬實(shí)驗(yàn)軟件在電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

（1）虛擬電子實(shí)驗(yàn)。通過(guò)利用EWB電子工作平臺(tái)，可以極為方便地進(jìn)行電路測(cè)試與設(shè)計(jì)。例如：做共射極單管放大電路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)在PC端將所需使用到的各類元器件及儀器儀表拖拽至工作區(qū)域，根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路將虛擬元件相連接并將合適的信號(hào)接入放大電路，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中就可以觀察到放大的不失真的波形。若輸入信號(hào)過(guò)大，或者靜態(tài)工作點(diǎn)不合適，則可以觀察到失真波形，可以幫助學(xué)生直觀地觀察了解到信號(hào)放大的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)元器件的圖標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)參數(shù)的重新選擇與設(shè)置，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟并大量地提升了實(shí)驗(yàn)效率。（2）實(shí)驗(yàn)演示及考查。通過(guò)虛擬電子實(shí)驗(yàn)不單單是提升了實(shí)驗(yàn)的效率，還可以方便地將教學(xué)中的各種難點(diǎn)重點(diǎn)，利用直觀的形式演示給學(xué)生，同時(shí)對(duì)于基礎(chǔ)理論的演示也可以更加方便學(xué)生理解與應(yīng)用概念。此外，該軟件可以通過(guò)設(shè)置電路中某些位置的故障，讓學(xué)生用所學(xué)習(xí)的知識(shí)排查故障，并將電路恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而考查學(xué)生對(duì)電子電路的學(xué)習(xí)效果。（3）學(xué)生的創(chuàng)新及二次開(kāi)發(fā)能力。虛擬電子實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利于在課堂中開(kāi)展學(xué)生為主體的互動(dòng)教學(xué)模式，利于學(xué)生的知識(shí)框架的搭建與知識(shí)的充填，且更利于學(xué)生創(chuàng)新以及二次開(kāi)發(fā)能力的提高。與此同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地使用該平臺(tái)及軟件，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成課程所要求的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，此外通過(guò)讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一些實(shí)用的、趣味性強(qiáng)的電路，還可以對(duì)已經(jīng)完成的電路進(jìn)一步地修改完善，這樣不但豐富了教學(xué)方式，還同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不斷提升學(xué)生的動(dòng)手能力，并為學(xué)生進(jìn)行科研工作夯實(shí)了基礎(chǔ)。

三、存在的問(wèn)題

虛擬電子實(shí)驗(yàn)在飛速的發(fā)展過(guò)程中，極大地方便了教師的教學(xué)與學(xué)生的理解，其及時(shí)性、高效性，是傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)所不能比擬的。但是，其仍然存在著大量的問(wèn)題，諸如，無(wú)法考慮實(shí)驗(yàn)的環(huán)境對(duì)于結(jié)果的干擾，無(wú)法考查學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，等等。教師在教學(xué)過(guò)程中還需著重提高學(xué)生實(shí)物的制作、調(diào)節(jié)、測(cè)試能力，使其鞏固所學(xué)知識(shí)。利用虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，可以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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