電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

摘? 要：針對(duì)電子技術(shù)課程特點(diǎn)，基于虛擬編程實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。提升學(xué)校電工電子課程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)維度，打造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限的瓶頸，滿(mǎn)足學(xué)生課后實(shí)驗(yàn)需求，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。針對(duì)虛擬仿真平臺(tái)搭建過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討，結(jié)合課證融通引領(lǐng)下的人才培養(yǎng)改革提出自己的心得體會(huì)。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；虛擬仿真平臺(tái)；人才培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311；G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）09-0090-05

Abstract： According to the characteristics of electronic technology course， the development of electronic technology experiment simulation platform is realized based on virtual programming. Improve the construction dimension of the school's electrical and electronic course laboratory， create a virtual simulation experiment platform， solve the limited laboratory equipment， meet students' needs for after-school experiments， stimulate students' interest in experiments， improve students' participation in experiments. Discuss the problems encountered in the process of building the virtual simulation platform， and put forward their own experience in combination with the personnel training reform led by the guidance of the course certificate integration.

Keywords： electronic technology; virtual simulation platform; personnel training

0? 引? 言

結(jié)合線(xiàn)上教學(xué)需要，完善實(shí)驗(yàn)室的使用方法，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)及相關(guān)課程的興趣，以期提供信息技術(shù)應(yīng)用與電類(lèi)相關(guān)課程在線(xiàn)教學(xué)能力融合模式下的實(shí)驗(yàn)仿真解決方案。

采用虛擬仿真平臺(tái)還能突破空間的限制，通過(guò)將平臺(tái)上傳到互聯(lián)網(wǎng)，使得學(xué)生在家中也能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的仿真操作，通過(guò)仿真平臺(tái)的訓(xùn)練，可以貫穿預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)各個(gè)階段，在“信息技術(shù)+線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)”模式的加持下，可以真正做到學(xué)習(xí)不受限。

1? 開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1? LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的軟件產(chǎn)品，秉承“軟件即是儀器”的理念，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)仿真、FPGA等領(lǐng)域，其特點(diǎn)之一是以圖形的方式編程，相比于文本代碼，該軟件上手快，使計(jì)算機(jī)編程變得更加容易，讓非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員也很容易接受。

1.2  編程特點(diǎn)

LabVIEW提供了類(lèi)似常規(guī)編程語(yǔ)言中具有多種功能的函數(shù)以及種類(lèi)豐富、數(shù)量龐大的各種控件，這種VI可單獨(dú)運(yùn)行調(diào)試，初學(xué)者較容易掌握和使用。VI由兩部分構(gòu)成：前面板和程序框圖。前面板即圖形界面窗口（GUI），用來(lái)放置各種控件（如顯示波形的控件、數(shù)據(jù)文本輸入框、指示燈和按鍵等），在圖形編程完成后，使用者與程序的交互主要是通過(guò)前面板進(jìn)行數(shù)據(jù)的賦值輸入、控制、顯示等實(shí)現(xiàn)。而程序框圖是用于編寫(xiě)程序代碼的界面，將各種功能的函數(shù)VI放置在該界面中，完成項(xiàng)目的底層編程。

1.3? 與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高度契合

電路分析中，基爾霍夫定律的驗(yàn)證，疊加定理的驗(yàn)證，典型電信號(hào)的觀測(cè)和一階電路響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)等；模擬電路中二極管、三極管的特性測(cè)試等；數(shù)字電路中的數(shù)值轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器等，這些課程內(nèi)容都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的編程實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行，所以結(jié)合課程特點(diǎn)和編程實(shí)現(xiàn)方法，選擇該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)。

2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

2.1? 多種方式展現(xiàn)

軟件平臺(tái)提供多種功能豐富的控件，所以在實(shí)現(xiàn)電路分析、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上可以采取多種方式。

例如：在實(shí)現(xiàn)電路分析中典型實(shí)驗(yàn)一階電路的“三要素法”時(shí)，從一階電路響應(yīng)的求解中可以看出：一階電路（恒定直流輸入、非零初始狀態(tài)）各處電壓、電流按照指數(shù)規(guī)律變化到穩(wěn)定值?？偨Y(jié)出電路響應(yīng)為：，f （t）、f （∞）、f （0_）這三個(gè)量值稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電路的三要素，當(dāng)t＞0時(shí)，任一i、u的表達(dá)式均可按以上公式求解電路響應(yīng)。

結(jié)合理論公式，在編程設(shè)計(jì)方面，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一是前面板的界面直觀易懂、可操控性強(qiáng)；二是程序框圖中代碼執(zhí)行效率高，運(yùn)行響應(yīng)迅速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，綜合實(shí)驗(yàn)板的元件參數(shù)選擇和示波器顯示波形，界面需要能輸入元件數(shù)值并可觀察結(jié)果圖像。這里選用典型的一階RL電路，電阻R1、R2、R3的阻值和電感L的電感量設(shè)計(jì)成輸入控件以便輸入不同元件參數(shù)得到不同波形，再放置顯示電流波形的模擬示波器控件，如圖1、圖2所示。

圖1為搭建的RL一階電路的電路圖，Us為60 V電壓源，R1、R2、R3為10 Ω電阻，L為0.3 H的電感，支路電流為I1、I2、IL，方向如圖所示。圖2為前面板中放置的用于顯示三個(gè)電流的模擬示波器顯示控件。IL顯示為長(zhǎng)虛線(xiàn)，I1顯示為短虛線(xiàn)，I2顯示為直線(xiàn)。顯示的曲線(xiàn)按照電流三要素公式變化：。

任務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)更多體現(xiàn)在程序框圖的設(shè)計(jì)上。在設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的流程圖程序時(shí)，一階電路電流量的求解是以三要素公式為依據(jù)的，所以在程序框圖中先建立一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，并編輯電流I1、I2、IL的三要素公式，如圖3所示。

在公式節(jié)點(diǎn)外再建立For循環(huán)，創(chuàng)建輸入輸出節(jié)點(diǎn)。完整程序框圖如圖4所示。

運(yùn)行程序，得到t＞0時(shí)三條支路電流I1、I2、IL的曲線(xiàn)，如圖5所示。

又如實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇器的仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩輸入真值表如圖7所示。

數(shù)據(jù)選擇器的仿真實(shí)現(xiàn)，依然通過(guò)前面板和程序框圖的編程來(lái)完成。為了貼近現(xiàn)實(shí)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板，在前面板上布置地址輸入A1、A0指示燈、使能端 指示燈、四數(shù)據(jù)D0-D3輸入指示燈以及輸出指示燈。其中，地址輸入指示燈、使能端 指示燈和四數(shù)據(jù)輸入指示燈是可控元件，通過(guò)點(diǎn)擊觸發(fā)可切換指示燈的狀態(tài)。燈亮?xí)r表示邏輯1，燈滅時(shí)表示邏輯0，從而實(shí)現(xiàn)真值表中所有輸入賦值。輸出指示燈Y作為數(shù)據(jù)選擇結(jié)果，所以選用了只具有顯示功能的指示燈控件，前面板電路如圖8所示。

放置完前面板的各種控件之后，就要進(jìn)入程序框圖的編程，這也是邏輯功能實(shí)現(xiàn)的核心部分。對(duì)于數(shù)字選擇器的編程，數(shù)據(jù)的來(lái)源有三部分：首先是配置D0～D3四個(gè)數(shù)據(jù)端的數(shù)值，接著是確定地址輸入端A1、A0所指定的需要被選擇數(shù)據(jù)的地址信息，最后就是控制端S的狀態(tài)。程序框圖如圖9所示，這里使用簇了數(shù)據(jù)的概念，簇是LabVIEW中常見(jiàn)的復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型，簇中的數(shù)據(jù)都是相互獨(dú)立的，又具有各自的標(biāo)簽和內(nèi)容，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能很好地將地址A1、A0和數(shù)據(jù)端D0～D3進(jìn)行分層。將以上數(shù)據(jù)設(shè)置成簇?cái)?shù)據(jù)后，再經(jīng)過(guò)解除捆綁分離成單個(gè)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算。

為了驗(yàn)證4選1數(shù)據(jù)選擇器的真值表，我們先輸入D0～D3的值，再輸入地址端A1、A0的值。令 =0即使能端有效（使能端 =1時(shí)結(jié)論如圖8所示）。運(yùn)行該程序，結(jié)果如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬儀器數(shù)據(jù)選擇器的前面板界面簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)單易懂，能實(shí)現(xiàn)4選1選擇器的全部功能，完全可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。

又如全加器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)如圖11、圖12所示的1位全加器電路結(jié)構(gòu)圖和真值表，分別設(shè)計(jì)前面板和程序框圖，如圖13、圖14所示。

輸入A、B和地位進(jìn)位CI的值，可以得到全加器的輸出及高位進(jìn)位。

2.2? 學(xué)生參與開(kāi)發(fā)建設(shè)

平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，需要學(xué)生具有電類(lèi)課程知識(shí)和編程能力，所以可引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)，將開(kāi)發(fā)內(nèi)容分為多個(gè)模塊，通過(guò)教師在課堂上講授原理，實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，最后實(shí)現(xiàn)由學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案，完成相應(yīng)任務(wù)。整個(gè)過(guò)程中使得學(xué)生既加深了對(duì)電子技術(shù)課程專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和掌握又能通過(guò)編程很好地鍛煉學(xué)生的程序思維，提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。

3? 在人才培養(yǎng)過(guò)程中的作用

3.1? 三個(gè)方面

貫穿虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程，從三個(gè)方面促進(jìn)人才培養(yǎng)改革：一是層次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)定位、學(xué)生能力和興趣，將教學(xué)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、實(shí)戰(zhàn)探索實(shí)驗(yàn)。二是學(xué)科結(jié)合。在虛擬儀器軟件搭建過(guò)程中，有機(jī)結(jié)合了多門(mén)學(xué)科知識(shí)，使學(xué)生進(jìn)一步理清各專(zhuān)業(yè)課之間的聯(lián)系。三是課程設(shè)計(jì)。提出設(shè)計(jì)目的和要求，學(xué)生分組查找相關(guān)文獻(xiàn)和資料，制定實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案，軟件可提供豐富的器件選擇。

3.2? 四個(gè)維度

貼合職業(yè)教育發(fā)展，從仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)角度來(lái)看包含四個(gè)維度：一是課程服務(wù)。相關(guān)智能控制專(zhuān)業(yè)課程（如單片機(jī)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、C語(yǔ)言等課程），都有相通的編程思想及組件，通過(guò)虛擬儀器開(kāi)發(fā)，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握。二是開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。以軟件即儀器為核心，完善實(shí)驗(yàn)手段，扭轉(zhuǎn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的局限，使得實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上得到了有效的延伸，變成真正的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。三是比賽能力。有了平臺(tái)的建設(shè)，我們就能靈活地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生從中能夠獲得與實(shí)際硬件類(lèi)似的動(dòng)手體驗(yàn)，可將編程能力運(yùn)用到各種電類(lèi)、控制類(lèi)的比賽中。四是本科教學(xué)。通過(guò)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，逐步將開(kāi)發(fā)過(guò)程變成工程案例，融入職業(yè)本科教學(xué)中，讓學(xué)生參與其中，拓寬實(shí)踐教學(xué)思路，鍛煉提升學(xué)生技能。

3.3? 提升教師信息化教學(xué)能力

緊貼數(shù)字教育主題，融入數(shù)字變革與教育未來(lái)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，能有效提升專(zhuān)業(yè)教師信息化教學(xué)科研能力，使得教學(xué)實(shí)踐更加多維化，以更好地適應(yīng)優(yōu)質(zhì)教育改革和創(chuàng)新，推動(dòng)數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)教育的融合發(fā)展。

4? 后期可計(jì)劃發(fā)展方向

后期可延展工作主要包括兩個(gè)方面：一是開(kāi)發(fā)適合職業(yè)本科的虛擬實(shí)驗(yàn)室。結(jié)合職業(yè)本科所學(xué)專(zhuān)業(yè)課，綜合LabVIEW、Python等課程，建立適合職業(yè)本科教學(xué)科研的虛擬實(shí)驗(yàn)室。二是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)?zāi)K。覆蓋更多的知識(shí)點(diǎn)和概念，形成完整的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面配合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

5? 結(jié)? 論

相比單一使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式和局限性，開(kāi)展“信息技術(shù)+線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)”改革，基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)，能夠更好地完善實(shí)驗(yàn)室使用手段，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本。通過(guò)虛擬平臺(tái)開(kāi)發(fā)并進(jìn)行教育教學(xué)改革，在提升學(xué)生電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)編程思維等方面都起到了較好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福增.虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].電子技術(shù)，2022，51（10）：58-59.

[2] 朱艷芹.虛擬儀器在電子技術(shù)試驗(yàn)中的有效運(yùn)用 [J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2021，18（23）：82-83.

[3] 張倩，呂宵宵，張志萍，等.結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的數(shù)電課程教學(xué)研究 [J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2021（11）：107-110.

[4] 林智慧.虛擬儀器在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 [J].電子制作，2020（Z1）：92-93+36.

[5] 李薇.虛擬仿真技術(shù)在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（28）：48-49.

[6] 滕沖.虛擬仿真任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式在中職教學(xué)中的應(yīng)用研究—以《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程為例 [D].石家莊：河北師范大學(xué)，2022.

[7] 張素婷.虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].集成電路應(yīng)用，2021，38（8）：174-175.

作者簡(jiǎn)介：翟逸飛（1983—），男，漢族，甘肅蘭州人，副教授，研究生，研究方向：智能控制的教學(xué)和研究。