虛擬仿真在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用探析

李 純

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400021）

0 引言

現(xiàn)階段，在電子類實驗教學(xué)中受傳統(tǒng)條件限制，存在人員配備不足、資金以及儀器設(shè)備短缺等問題。這些問題都會直接影響電子類實驗教學(xué)效果。為了促進當前教學(xué)改革的信息化發(fā)展，需要對電子類實驗教學(xué)條件進行改善，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。將虛擬仿真軟件引入電子類實驗課程中是目前電子類實驗教學(xué)中的主要措施，開展虛擬實驗教學(xué)。一般包括直接操作遠程實驗設(shè)備以及利用虛擬仿真軟件開展虛擬教學(xué)實驗。這兩種實驗教學(xué)都能夠滿足電子類實驗教學(xué)的具體需求。但是利用虛擬仿真軟件可以直接跳過實驗設(shè)備，使學(xué)生能夠?qū)μ摂M器件進行操作，對提高教學(xué)效率，保證教學(xué)質(zhì)量有積極意義。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用概述

目前，在電子類實驗教學(xué)過程中，對虛擬化的技術(shù)進行應(yīng)用時主要包括虛擬機技術(shù)以及仿真技術(shù)兩部分。虛擬儀器主要指的是將軟件作為儀器本身利用軟件實現(xiàn)儀器的功能。在具體的應(yīng)用過程中可以編寫虛擬儀器面板，并根據(jù)各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和硬件仿真平臺，構(gòu)建不同的仿真系統(tǒng)。而仿真技術(shù)在利用過程中需要利用模型開展仿真實驗。利用仿真軟件工具的模擬功能，可以模擬電路環(huán)境以及電路的運行過程，從而達到與真實實驗一致的目的[1]。

虛擬仿真技術(shù)的主要核心是虛實結(jié)合，在具體的應(yīng)用過程中具有以下優(yōu)勢：第一，能夠在極大程度上節(jié)約教學(xué)成本，拓展電子類實驗教學(xué)實踐以及空間。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，對儀器設(shè)備的要求相對較高，會導(dǎo)致教學(xué)成本增加，同時會對實驗過程產(chǎn)生限制，必須保證在實驗室才能夠完成實驗過程。而利用虛擬仿真技術(shù)只需要安裝相應(yīng)的仿真軟件，學(xué)生就可以登錄計算機，在任何地點任何時間對電路進行仿真實驗。與此同時，還可以利用便攜式的硬件設(shè)備以及虛擬儀器驗證仿真結(jié)果。第二，利用虛擬仿真技術(shù)能夠促進教學(xué)理論與教學(xué)實際進行有效結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在虛擬仿真實驗平臺運行過程中，可以充分發(fā)揮其虛實結(jié)合的優(yōu)勢，使學(xué)生在掌握相關(guān)理論知識的同時，能夠動手參與到實驗過程中，深化學(xué)生對理論知識的理解，同時能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。此外，利用虛擬仿真技術(shù)可以將相應(yīng)的實驗內(nèi)容更加直觀形象地展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第三，實驗平臺具有可重復(fù)利用的特性，能夠保證教學(xué)效果。在同一個平臺應(yīng)用過程中，除了能夠完成多門課程實驗之外，還可以構(gòu)建集設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用于一體的實驗平臺。能夠利用該虛擬仿真平臺完成從設(shè)計到系統(tǒng)部署的所有工作，促進教學(xué)與科研、理論知識與實際工作之間的有效銜接。第四，能夠豐富實驗內(nèi)容，提高實驗教學(xué)的創(chuàng)新性。在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中，可以根據(jù)具體的實驗需求搭建不同的實驗電路，從而開展綜合性以及創(chuàng)新性的實驗學(xué)習(xí)，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及創(chuàng)新意識有積極作用。

2 虛擬仿真技術(shù)對電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 利用虛擬仿真技術(shù)進行電路實驗

現(xiàn)階段，在電子類實驗教學(xué)過程中，對虛擬仿真技術(shù)進行應(yīng)用，可以利用仿真軟件完成電路實驗。在虛擬電子實驗過程中對電路進行設(shè)計以及分析計算，可以利用常用的虛擬電壓表、電流表以及信號發(fā)生器、數(shù)字脈沖發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器等組成虛擬儀器庫。在具體的仿真實驗教學(xué)過程中，可以對仿真軟件中的元件庫、電子電容、三極管等進行調(diào)用，構(gòu)建單管放大電路，形成單管放大器實驗電路圖。并且在仿真實驗過程中，學(xué)生可以在電路輸入以及輸出端加入虛擬儀器的交流正弦信號發(fā)生器以及雙中示波器開展仿真實驗。利用這一仿真教學(xué)可以使學(xué)生學(xué)會放大器動態(tài)工作點的具體調(diào)試方法，同時能夠準確掌握靜態(tài)工作點對放大器性能可能會產(chǎn)生的各種影響。此外，學(xué)生還可以正確掌握放大器電壓放大倍數(shù)的具體測量方法，對電壓波形的變化也可以進行動態(tài)觀察[2]。

2.2 開展定時器仿真

除此之外，還可以完成定時器虛擬仿真實驗。定時器本身是一種多用途的中規(guī)模集成電路器件。在脈沖產(chǎn)生以及變換等領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。施密特觸發(fā)器可以完成波形轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)向以及幅度鑒別等各項工作。在具體的虛擬仿真實驗過程中可以將觸發(fā)器作為主要對象，利用軟件來完成實驗仿真過程。在仿真測試過程中，電路的輸入信號為正弦信號，而示波器可以對輸入輸出波形進行準確檢測。從而獲取施密特觸發(fā)器的具體訪問結(jié)果。對仿真結(jié)果進行分析，可以使學(xué)生觀察施密特觸發(fā)器在模擬信號波形中的主要功能，同時可以將模擬的信號波形轉(zhuǎn)換為矩形波。利用實驗平臺進行仿真，能夠更加準確地驗證細密特觸發(fā)器的應(yīng)用功能。

2.3 數(shù)字濾波器仿真

對數(shù)字濾波器進行虛擬仿真實驗也是虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗教學(xué)過程中的主要應(yīng)用內(nèi)容之一。在數(shù)字濾波器仿真分析過程中，需要對數(shù)字濾波器的labview進行仿真分析，labview指的是圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖像化編程語言。在具體的應(yīng)用過程中可以利用程序流程圖創(chuàng)建出虛擬儀器，具有較強的可視化效果。在虛擬仿真實驗過程中，數(shù)字濾波器部分內(nèi)容比較抽象，涉及的數(shù)學(xué)公式也比較多，信號分析缺乏可視化的特性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能將數(shù)學(xué)函數(shù)與波形進行有效聯(lián)系，同時不能理解實驗結(jié)果與信號處理之間的應(yīng)用關(guān)系。數(shù)字濾波器可以利用硬件電路進行實現(xiàn)，還可以使用計算機以及軟件編程實現(xiàn)。因此，利用labview模擬濾波器能夠解決在具體教學(xué)過程中存在的難題。利用labview設(shè)計的巴特沃斯低通數(shù)據(jù)濾波器程序框圖，可以使用前面板窗口更加清晰明確地展示濾波前后的波形變化，使學(xué)生能夠通過形象直觀的展示獲取相關(guān)的實驗結(jié)果，理解數(shù)字濾波器的應(yīng)用功能。

3 虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略

為了能夠保證虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗教學(xué)過程中充分發(fā)揮作用，提高電子類實驗教學(xué)水平。需要采取以下措施提高虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果：第一，需要對實驗教學(xué)資源進行優(yōu)化改進。在電子類實驗教學(xué)開展教學(xué)活動時，學(xué)?？梢愿鶕?jù)軟件市場的具體情況及時更新軟件，確保軟件能夠與電子類實驗教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)。除此之外，學(xué)校還可以根據(jù)自身的條件與專業(yè)團體實驗教學(xué)資源開發(fā)，對一些難度相對較小，并且學(xué)校具有相關(guān)技術(shù)條件的情況，可以調(diào)動師生的創(chuàng)新精神以及積極性，鼓勵師生參與到資源拓展工作中。這樣可以對電子類實驗教學(xué)資源進行擴展和創(chuàng)新，豐富教學(xué)資源[3]。第二，需要加強虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計工作。在虛擬實驗教學(xué)過程中，教師可以利用任務(wù)驅(qū)動法開展教學(xué)活動，將教師與學(xué)生進行有效聯(lián)系，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中以學(xué)習(xí)任務(wù)為主線，堅持教師引導(dǎo)的原則開展學(xué)習(xí)活動，提高學(xué)生的自學(xué)能力以及實踐能力。使學(xué)生能夠在教師的引導(dǎo)下設(shè)計出可行的實驗方案。在確定實驗時，需要以傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，綜合考慮虛擬仿真實驗的具體目的和任務(wù)。同時要以傳統(tǒng)實驗教學(xué)步驟和虛擬實驗技術(shù)的相關(guān)特點為基礎(chǔ)選擇合適的虛擬仿真軟件。還要制定好實驗流程，確保實驗教學(xué)活動順利進行[4]。

4 結(jié)語

總而言之，在電子類實驗教學(xué)過程中，對虛擬仿真技術(shù)進行充分應(yīng)用，可以提高當前電子的實驗教學(xué)效率和水平，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)意識以及創(chuàng)新意識有積極幫助。與此同時，利用虛擬仿真技術(shù)開展實驗教學(xué)活動，可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，對推動電子類實驗教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展有積極幫助。