縱榜峰

【摘 要】 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)，但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)方法在時(shí)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?？萍嫉陌l(fā)展為實(shí)驗(yàn)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(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和LabVIEW、Multisim等常見軟件設(shè)計(jì)電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能有效拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間和內(nèi)容，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的很好補(bǔ)充。

【關(guān)鍵詞】 虛擬仿真技術(shù);電子技術(shù)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類號(hào)】 TP39 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

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

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)。從教學(xué)內(nèi)容看，它分為模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)兩大部分，主要通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)箱上完成既定的實(shí)驗(yàn)操作，綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)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(shí)驗(yàn)提供了很多新的方法，在如今的互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)也面臨很多新的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)，僅僅依靠傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要面對(duì)的新課題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)恰恰可以作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)很好補(bǔ)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(guó)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(shí)驗(yàn)之后，人類所掌握的第三種認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的基本方法。

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

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

（一）實(shí)驗(yàn)成本低，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間和內(nèi)容的擴(kuò)展

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的最大好處就是成本低，一次性投入，后期沒有元器件及實(shí)驗(yàn)儀器的損耗。尤其是電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，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(huì)限制同學(xué)們的操作欲望和創(chuàng)造能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不存在這個(gè)問題，學(xué)生完全可以按照自己的想法去操作，大大增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)欲望和創(chuàng)造力。另外，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)生只能到實(shí)驗(yàn)室才能完成，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或裝有虛擬仿真軟件的單機(jī)完成實(shí)驗(yàn)，大大擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間和內(nèi)容，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的輔助作用。

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

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)可以做到從感官到功能和實(shí)際很接近，能夠?qū)⒄麄€(gè)實(shí)驗(yàn)以直觀和形象的形式展示給學(xué)生，學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)結(jié)合”，既加深了對(duì)理論知識(shí)的理解又鍛煉了實(shí)驗(yàn)操作能力、激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣。尤其對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生前期如果在虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行了解和練習(xí)，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中就會(huì)很熟練，而不會(huì)感到完全陌生，降低了誤操作的幾率。

三、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corp，NI）1986年推出的將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、設(shè)計(jì)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(qiáng)大又靈活易變的儀器概念。LabVIEW是NI公司基于計(jì)算機(jī)測(cè)量和自動(dòng)化而推出的一種功能強(qiáng)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(shí)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(dòng)的特點(diǎn)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件成為了整個(gè)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(hào)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(shí)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(tái)搭建不同的仿真系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)和實(shí)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(shí)LabVIEW在控件選板的Boolean子選板中提供了布爾型數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算符，而且LabVIEW程序具有生動(dòng)的交互界面、良好的可擴(kuò)展性、靈活的自定義功能等特點(diǎn)。另外，如果LabVIEW搭配數(shù)字電子設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)工具包，用戶只需從模塊庫(kù)中選擇所需的模塊組合或者自定義模塊和模塊庫(kù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)。所以它非常適用于數(shù)字電子電路的仿真實(shí)驗(yàn)。我們可以使用LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來實(shí)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(jì)出新的實(shí)驗(yàn)。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(jì)，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(dòng)，便于理解和掌握，圖2是前臺(tái)操作面板圖，如果需要我們還可以運(yùn)用各種圖像設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中，利用各種仿真軟件的分析功能和虛擬測(cè)試功能對(duì)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(shí)實(shí)驗(yàn)同樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹３Ｓ玫姆抡孳浖蠱ultisim，Pspice、Proteus 等，其中Multisim軟件操作簡(jiǎn)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(kù)和齊全的虛擬儀器，不僅提供了實(shí)驗(yàn)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(qiáng)大而完備的功能。在一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)的電路是否正確合理能夠正常運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)能否達(dá)到要求，有時(shí)僅僅依靠理論計(jì)算上無法完全預(yù)知，這時(shí)我們就可以利用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，而不用擔(dān)心設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤所導(dǎo)致得儀器損壞。而且在仿真過程中還可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)更合理，最后再進(jìn)行實(shí)物電路的檢驗(yàn)。

（三）搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

如果把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)放在一個(gè)師生在任何時(shí)間和地點(diǎn)都可以自由訪問的平臺(tái)上，也即搭建一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其基本組成如圖3所示。這個(gè)平臺(tái)主要由軟硬件支撐的平臺(tái)、前臺(tái)用戶系統(tǒng)和后臺(tái)管理三大部分組成。平臺(tái)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(yùn)行各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的軟件環(huán)境，以及大量的數(shù)據(jù)庫(kù)。后臺(tái)管理主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容等進(jìn)行更新管理，對(duì)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(tái)界面進(jìn)行訪問登錄，來實(shí)現(xiàn)用戶的操作和體驗(yàn)功能，有了這個(gè)平臺(tái)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前感受實(shí)驗(yàn)過程。如果是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在線提交設(shè)計(jì)報(bào)告然后根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。查找設(shè)計(jì)中的問題。實(shí)驗(yàn)后學(xué)生可以再次登錄復(fù)習(xí)鞏固或在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一些新的想法和體會(huì)。也可以做一些我們的實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)無法滿足的實(shí)驗(yàn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)化的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)交流互動(dòng)的平臺(tái)，同時(shí)也為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法帶來了新的探索。

四、結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入為高校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了的活力，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，同時(shí)也為學(xué)生提供了一個(gè)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(shí)我們也應(yīng)該意識(shí)到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展的同時(shí)也會(huì)帶來一些負(fù)面的影響。如會(huì)使學(xué)生對(duì)真實(shí)的儀器和元器件的認(rèn)知度降低，對(duì)真實(shí)儀器的操作能力降低，從而導(dǎo)致學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力得不到提高。所以，仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中各有其優(yōu)勢(shì)和不足，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的具體操作。應(yīng)該把這兩種實(shí)驗(yàn)方法在教學(xué)中有機(jī)地結(jié)合起來，揚(yáng)長(zhǎng)避短。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用來輔助或部分替代設(shè)計(jì)性或綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，共建更高水平的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基地等，進(jìn)一步開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)方式。

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