井超　劉軒良　陳晨

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的延續(xù)。隨著計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用現(xiàn)代新技術(shù)來(lái)改革傳統(tǒng)的教學(xué)方式已成為大多數(shù)人的共識(shí)。虛擬電路實(shí)驗(yàn)就是結(jié)合電子電路的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；電子技術(shù)；多媒體

1 實(shí)行虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的延續(xù)，隨著計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用現(xiàn)代新技術(shù)來(lái)改革傳統(tǒng)的教學(xué)方式已成為大多數(shù)人的共識(shí)。虛擬電路實(shí)驗(yàn)就是結(jié)合電子電路的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，如：常用的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室軟件有CircuitMaker、Multisim及Protel。其中Multisim（又叫ElectronicsWorkbench即EWB）軟件是比較常見(jiàn)的電子技能訓(xùn)練工具，這些軟件是以電路符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)差別很大，而且軟件不具有開(kāi)放性，仿真只能在這些軟件本身的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，無(wú)法在多媒體環(huán)境下進(jìn)行。本文構(gòu)建的“電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它既不同于以往的原理電路的仿真軟件，又不同于一般多媒體軟件對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模擬演示，而是讓學(xué)生在逼真的多媒體“虛擬場(chǎng)景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，即時(shí)得到仿真結(jié)果，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終生成標(biāo)準(zhǔn)的電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 工作流程

由于我們的教學(xué)主要是理論傳授，不需要去開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)電路，所以上述的實(shí)驗(yàn)流程并不包括電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部分。但是EDA軟件在極大地滿(mǎn)足我們的實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，還有非凡的應(yīng)用潛力，這無(wú)疑是個(gè)廣闊的天地。在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生上機(jī)普遍存在兩個(gè)問(wèn)題：一是面對(duì)眾多的計(jì)算機(jī)，教師難以準(zhǔn)確、全面地掌握學(xué)生練習(xí)的實(shí)際情況，及時(shí)進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)；二是難以做到上機(jī)時(shí)學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行交流，使上機(jī)操作變成學(xué)生自己的活動(dòng)，影響教學(xué).因此這就要求建立一種虛擬試驗(yàn)的教學(xué)模式，使教學(xué)信息交流雙向化。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室所能實(shí)現(xiàn)的功能

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一個(gè)儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)等資源的交互。共享以及可交互控制平臺(tái)，應(yīng)具有以下功能：虛擬工作臺(tái)；基于虛擬儀器的用于測(cè)量的控件；智能虛擬儀器驅(qū)動(dòng)；可視化自動(dòng)測(cè)試環(huán)境；虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部的智能決策系統(tǒng)；各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息管理系統(tǒng)；虛擬實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控系統(tǒng)；虛擬儀器的管理操作系統(tǒng)；同時(shí)還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性、兼容性等方面具有良好性能的特征。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)室作為電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具有以下特點(diǎn)：無(wú)論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)；操作人員通過(guò)友好的圖形界面及圖形化編程語(yǔ)言控制儀器動(dòng)行，完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成；教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要設(shè)計(jì)出各種虛擬儀器來(lái)供學(xué)習(xí)者自行選擇；學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目及內(nèi)容，給出實(shí)驗(yàn)方案，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心部件是虛擬儀器的硬件主要由計(jì)算機(jī)、傳感器和信號(hào)采集調(diào)理模塊組成，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳送、顯示輸出結(jié)果。信號(hào)采集調(diào)理模塊主要有數(shù)據(jù)采集卡、VXI儀器模塊、GPIB儀器模塊。目前應(yīng)用較多的是數(shù)據(jù)采集卡和VXI儀器模塊。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)步驟

具體的虛擬模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)步驟有三個(gè)方面：

（1）學(xué)生在已建立的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成基本的電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，診斷設(shè)備故障等。

（2）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達(dá)輸出結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

（3）增加綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己選題，擬訂方案，設(shè)計(jì)虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

負(fù)反饋放大電路圖，開(kāi)關(guān)K1、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋（同相比例運(yùn)算器）。開(kāi)關(guān)K1下拔、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓并聯(lián)，按要求連接好電路，打開(kāi)直流電源和信號(hào)源，調(diào)整其數(shù)值，就會(huì)看到萬(wàn)用表上顯示的輸出電壓的值。把輸出電壓的值除以信號(hào)源的值，就可以得到由虛擬測(cè)試得出的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf。然后把測(cè)試結(jié)果與下框中的理論計(jì)算相比較，以判斷測(cè)試的正確性和存在的誤差。同理，也可以算出輸入、輸出電阻的值。該實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)選項(xiàng)菜單設(shè)置相應(yīng)的電阻。通過(guò)一系列電路的測(cè)試和數(shù)據(jù)的讀取分析與實(shí)物實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行比較，得出本文設(shè)計(jì)的基于電子技術(shù)的仿真系統(tǒng)的電子線(xiàn)路虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芡暾?、?zhǔn)確、快速地達(dá)到所有電子線(xiàn)路課程的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，虛擬出逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，通過(guò)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立，提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作方法相類(lèi)似的實(shí)踐體驗(yàn)。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段，一方面，可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率和效果，拓寬學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的途徑，使學(xué)生在愉悅和主動(dòng)的思維中牢固地掌握知識(shí)；另一方面，能更好地完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立和實(shí)踐，明顯提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間及空間的限制，學(xué)生可以自主地完成實(shí)驗(yàn)，具有良好的發(fā)展前景。但虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，目前僅僅涉及的是簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，還有許多理論和技術(shù)繁雜問(wèn)題有待仿進(jìn)一步的探討。因此，在現(xiàn)有的條件下，虛擬實(shí)驗(yàn)是不可能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的。實(shí)物實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象都是客觀存在的，開(kāi)放性實(shí)物實(shí)驗(yàn)的立體直觀對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的真切感受和創(chuàng)造性思維是至關(guān)重要的。

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作者簡(jiǎn)介：井超（1996—），男，上海人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

劉軒良（1996—），男，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

陳晨（1997—），男，遼寧昌圖人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。