虛擬仿真技術(shù)在高校電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

縱榜峰

【摘 要】 電子技術(shù)實驗是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的重要平臺，但傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式和教學(xué)方法在時間和內(nèi)容上有很大的局限性，無法適應(yīng)新的教學(xué)和學(xué)習(xí)需求。科技的發(fā)展為實驗教學(xué)提供了很多新的手段和方法，虛擬仿真技術(shù)就是其中一種重要的方法。運用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和LabVIEW、Multisim等常見軟件設(shè)計電子技術(shù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，搭建虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，在電子實驗教學(xué)中引入虛擬仿真實驗，能有效拓展實驗教學(xué)的時間、空間和內(nèi)容，是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的很好補充。

【關(guān)鍵詞】 虛擬仿真技術(shù);電子技術(shù)實驗;實驗教學(xué)

【中圖分類號】 TP39 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）01-0062-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

電子技術(shù)實驗是電類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的重要平臺。從教學(xué)內(nèi)容看，它分為模擬電子技術(shù)實驗和數(shù)字電子技術(shù)實驗兩大部分，主要通過傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行，學(xué)生在固定的電子技術(shù)實驗箱上完成既定的實驗操作，綜合性實驗和設(shè)計性實驗相對較少，實驗教學(xué)的時間和內(nèi)容都受到很大限制，開放程度不夠，阻礙了學(xué)生的探索欲望和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？萍嫉陌l(fā)展為實驗提供了很多新的方法，在如今的互聯(lián)網(wǎng)信息時代，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、方法也在悄然發(fā)生變化，高校電子技術(shù)實驗教學(xué)也面臨很多新的機會與挑戰(zhàn)，僅僅依靠傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué)模式已無法滿足教學(xué)要求和學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。我們需要一個豐富的多元教學(xué)模式來適應(yīng)新的教學(xué)需要。如何合理利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、豐富的多媒體和網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建一種全新的實驗教學(xué)模式，是高校實驗教學(xué)需要面對的新課題。而虛擬仿真實驗恰恰可以作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一個很好補充。

一、虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人之一杰倫·拉尼爾在上世紀(jì)80年代初提出的，通過不斷發(fā)展和完善被認(rèn)為是繼數(shù)學(xué)推理和科學(xué)實驗之后，人類所掌握的第三種認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的基本方法。

虛擬仿真實驗是利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、仿真及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，與計算機編程軟件技術(shù)相結(jié)合，在真實實驗的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個與真實實驗環(huán)境和條件極為相似的虛擬仿真實驗環(huán)境，模擬真實實驗中的實驗環(huán)境、實驗儀器和實驗過程，學(xué)習(xí)者通過計算機等外部設(shè)備進(jìn)行操作，與虛擬環(huán)境中的研究對象進(jìn)行互動，產(chǎn)生出身臨其境的感受與體驗，從而達(dá)到一定的教學(xué)和學(xué)習(xí)目的。仿真實驗雖然是虛擬的，但使用者在仿真實驗過程中能夠從視覺、聽覺、觸覺等多種感覺方面感受到實驗的真實效果，會得到猶如真實實驗中一樣的反饋，實驗者可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需要進(jìn)行自主的設(shè)計、驗證實驗，還可以對實驗儀器進(jìn)行任意操作而不會造成危險的后果，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一個很好的平臺。另外，由于仿真實驗是利用計算機建立起來的，因此可以直接利用計算機對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，直接展示實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，還可以搭建虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享。

二、虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

（一）實驗成本低，有利于實驗教學(xué)的時間、空間和內(nèi)容的擴展

虛擬仿真實驗相比傳統(tǒng)實驗的最大好處就是成本低，一次性投入，后期沒有元器件及實驗儀器的損耗。尤其是電子技術(shù)實驗，學(xué)生的不當(dāng)操作導(dǎo)致元器件和儀器損壞的情況經(jīng)常發(fā)生，管理過于嚴(yán)苛又會限制同學(xué)們的操作欲望和創(chuàng)造能力。虛擬仿真實驗不存在這個問題，學(xué)生完全可以按照自己的想法去操作，大大增強了學(xué)生的實驗欲望和創(chuàng)造力。另外，傳統(tǒng)的實驗學(xué)生只能到實驗室才能完成，采用虛擬仿真實驗，學(xué)生可以在任何時間任何地點通過計算機和網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬仿真實驗平臺或裝有虛擬仿真軟件的單機完成實驗，大大擴展了實驗教學(xué)的時間、空間和內(nèi)容，對整個實驗教學(xué)起到了很好的輔助作用。

（二）有利于理論聯(lián)系實際，激發(fā)學(xué)生興趣，增強學(xué)生的實踐操作能力

目前，虛擬仿真實驗已經(jīng)可以做到從感官到功能和實際很接近，能夠?qū)⒄麄€實驗以直觀和形象的形式展示給學(xué)生，學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行實驗，從心理上能得到放松，敢于嘗試自己的想法，能夠?qū)崿F(xiàn)“虛實結(jié)合”，既加深了對理論知識的理解又鍛煉了實驗操作能力、激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣。尤其對于一些復(fù)雜的實驗內(nèi)容，學(xué)生前期如果在虛擬仿真平臺進(jìn)行了解和練習(xí)，在實際的實驗過程中就會很熟練，而不會感到完全陌生，降低了誤操作的幾率。

三、電子技術(shù)實驗中常用的虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電子技術(shù)實驗一般采用兩種技術(shù)方法，一種是虛擬儀器，一種是仿真電路。

（一）虛擬儀器和LabVIEW

虛擬儀器是美國國家儀器公司（National Instruments Corp，NI）1986年推出的將現(xiàn)代計算機技術(shù)、設(shè)計軟件技術(shù)和高性能模塊化硬件相結(jié)合而建立的功能強大又靈活易變的儀器概念。LabVIEW是NI公司基于計算機測量和自動化而推出的一種功能強大的圖形化編程的工程軟件，其核心思想是“軟件就是儀器”即通過軟件實現(xiàn)儀器的功能，是目前用來開發(fā)虛擬儀器的一種較為方便快捷的工具，它提供了豐富的邏輯量，具有直觀、形象、生動的特點。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件成為了整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，儀器的面板是利用LabVIEW編寫的，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出和調(diào)理，虛擬儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模的改變是通過修改軟件來實現(xiàn)的。利用虛擬的儀器面板，結(jié)合各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和硬件仿真平臺搭建不同的仿真系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)和實際的儀器同樣的功能。

數(shù)字邏輯電路中的兩種邏輯狀態(tài)（1和0）正好和LabVIEW提供的邏輯量真值（True）和假值（False）相吻合，同時LabVIEW在控件選板的Boolean子選板中提供了布爾型數(shù)據(jù)和強大的邏輯運算符，而且LabVIEW程序具有生動的交互界面、良好的可擴展性、靈活的自定義功能等特點。另外，如果LabVIEW搭配數(shù)字電子設(shè)計相關(guān)的專業(yè)工具包，用戶只需從模塊庫中選擇所需的模塊組合或者自定義模塊和模塊庫，就可以實現(xiàn)各種數(shù)字邏輯電路設(shè)計。所以它非常適用于數(shù)字電子電路的仿真實驗。我們可以使用LabVIEW設(shè)計數(shù)字電子技術(shù)虛擬實驗系統(tǒng)，來實現(xiàn)各種數(shù)字邏輯函數(shù)表達(dá)式和數(shù)字芯片的模擬仿真。學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中可以高效、直觀地仿真出結(jié)果，并且還可以自行設(shè)計出新的實驗。以4選1數(shù)據(jù)選擇器為例，定義D0，D1，D2，D3為數(shù)據(jù)輸入端;A1，A0為地址端;Y為輸出端;S為使能端，低電平有效。利用LabVIEW進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計，程序框圖如圖1所示，它基于圖形化的框圖程序與數(shù)字電路邏輯圖非常相像，形象生動，便于理解和掌握，圖2是前臺操作面板圖，如果需要我們還可以運用各種圖像設(shè)計軟件把操作面板做得更逼真好看。

（二）仿真電路

在電子技術(shù)實驗中，利用各種仿真軟件的分析功能和虛擬測試功能對電路環(huán)境和電路工作過程進(jìn)行仿真模擬，可以達(dá)到與真實實驗同樣的實驗?zāi)康?。常用的仿真軟件有Multisim，Pspice、Proteus 等，其中Multisim軟件操作簡易，初學(xué)者非常容易上手，它以常見的windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，軟件自帶豐富的元器件庫和齊全的虛擬儀器，不僅提供了實驗中常見的示波器、萬用表的等普通儀器儀表，還提供了頻譜分析儀、虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀等復(fù)雜儀器，具有非常強大而完備的功能。在一些設(shè)計性實驗和綜合性實驗教學(xué)過程中，設(shè)計的電路是否正確合理能夠正常運行，各項指標(biāo)能否達(dá)到要求，有時僅僅依靠理論計算上無法完全預(yù)知，這時我們就可以利用仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，而不用擔(dān)心設(shè)計上的錯誤所導(dǎo)致得儀器損壞。而且在仿真過程中還可以對設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使設(shè)計更合理，最后再進(jìn)行實物電路的檢驗。

（三）搭建虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺

如果把虛擬仿真實驗放在一個師生在任何時間和地點都可以自由訪問的平臺上，也即搭建一個虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，其基本組成如圖3所示。這個平臺主要由軟硬件支撐的平臺、前臺用戶系統(tǒng)和后臺管理三大部分組成。平臺的硬件要有內(nèi)存足夠大的服務(wù)器和高速寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，并配有安全軟件的防火墻。軟件主要有能夠運行各種虛擬仿真實驗的軟件環(huán)境，以及大量的數(shù)據(jù)庫。后臺管理主要是對實驗項目、內(nèi)容等進(jìn)行更新管理，對各類人員的權(quán)限進(jìn)行管理等。學(xué)生和老師主要通過前臺界面進(jìn)行訪問登錄，來實現(xiàn)用戶的操作和體驗功能，有了這個平臺，學(xué)生可以在實驗前進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前感受實驗過程。如果是設(shè)計實驗或綜合實驗，學(xué)生可以在線提交設(shè)計報告然后根據(jù)自己的實驗設(shè)計在虛擬仿真平臺上進(jìn)行實現(xiàn)。查找設(shè)計中的問題。實驗后學(xué)生可以再次登錄復(fù)習(xí)鞏固或在平臺上實現(xiàn)一些新的想法和體會。也可以做一些我們的實驗室暫時無法滿足的實驗進(jìn)行模擬仿真，尤其是目前很多高校教學(xué)資源無法完全滿足需要的情況下，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化的仿真實驗平臺可有效緩解這些矛盾。為教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一個交流互動的平臺，同時也為電子技術(shù)實驗教學(xué)方法帶來了新的探索。

四、結(jié)束語

虛擬仿真實驗的引入為高校電子技術(shù)實驗教學(xué)注入了的活力，可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的不足，同時也為學(xué)生提供了一個進(jìn)一步學(xué)習(xí)的空間，激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望。但同時我們也應(yīng)該意識到，虛擬仿真實驗開展的同時也會帶來一些負(fù)面的影響。如會使學(xué)生對真實的儀器和元器件的認(rèn)知度降低，對真實儀器的操作能力降低，從而導(dǎo)致學(xué)生分析和解決實際問題的能力得不到提高。所以，仿真實驗和傳統(tǒng)實驗在教學(xué)中各有其優(yōu)勢和不足，虛擬仿真實驗不能完全取代傳統(tǒng)實驗的具體操作。應(yīng)該把這兩種實驗方法在教學(xué)中有機地結(jié)合起來，揚長避短。虛擬仿真實驗系統(tǒng)用來輔助或部分替代設(shè)計性或綜合性的實驗教學(xué)，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相輔相成。我們也可以尋求和企業(yè)合作，共同進(jìn)行虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，共建更高水平的虛擬仿真實驗、實訓(xùn)基地等，進(jìn)一步開發(fā)仿真實驗與實物實驗相互結(jié)合的遠(yuǎn)程控制實驗方式。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張紅賓，趙二剛，張穎.虛擬仿真在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].實驗室科學(xué)，2015，18（3）：44-47.

[2]于惠鈞，劉曉林，李林，等.虛擬仿真技術(shù)在獨立學(xué)院電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（49）：227-228，255.

[3]王開宇，盧誠，姜艷紅，等.基于Multisim和LabVIEW的虛實結(jié)合數(shù)字電路實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索，2019，38（2）：140-143，159

[4]艾青，夏術(shù)泉，鄧彬偉.基于LabVIEW的數(shù)字電路虛擬實驗設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（5）：1-2，52.

[5]潘學(xué)文，趙全友.仿真技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報，2017，38（10）：47-48.