電子技術(shù)的虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)作用

摘 要： 在電子技術(shù)教學(xué)中引入虛擬軟件Mutsm1.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，利用虛擬電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。但虛擬實(shí)驗(yàn)也有一定的局限性，虛擬實(shí)驗(yàn)只能是實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)的一種輔助手段，在實(shí)驗(yàn)中必須虛實(shí)結(jié)合，才能得到正確的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

關(guān)鍵詞： Multisim 虛擬實(shí)驗(yàn) 真實(shí)實(shí)驗(yàn)

1.引言

Multisim應(yīng)用于電路分析課堂教學(xué)，使抽象的概念變得具體，使枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解掌握。從課堂教學(xué)效果來看，既能活躍課堂氣氛，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以利用仿真軟件進(jìn)行電路仿真、電路設(shè)計(jì)，利用虛擬儀器測(cè)量驗(yàn)證，拓寬知識(shí)面。仿真技術(shù)引入課堂，使理論與實(shí)踐得到統(tǒng)一。通過Multisim虛擬仿真軟件，學(xué)生可利用電腦進(jìn)行電路仿真及仿真分析，檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方案在功能方面的正確性和可行性，以達(dá)到熟悉電路、掌握工作原理和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的目的，為高效率地實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。應(yīng)當(dāng)注意的是仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，不能代替實(shí)際操作，否則會(huì)削弱學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的感覺，影響實(shí)驗(yàn)技能的掌握。所以，仿真實(shí)驗(yàn)必須與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

2.電子技術(shù)課程虛擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對(duì)比

傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法是：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)給定的電路圖和元器件搭建實(shí)驗(yàn)電路，甚至部分實(shí)驗(yàn)使用了現(xiàn)成的電路板，用儀器測(cè)量數(shù)據(jù)得出結(jié)論。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)過程中則要一邊動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)一邊仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（包括借助于實(shí)驗(yàn)儀器來觀察）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行推理并最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器虛擬化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)過程虛擬化，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中通過操作鼠標(biāo)、鍵盤及與計(jì)算機(jī)相連接的各種多媒體數(shù)據(jù)輸入設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)擊或拖放等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備的操作，完成對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)。學(xué)生從虛擬實(shí)驗(yàn)中得到的是一種虛擬的體驗(yàn)，這是一種抽象的體驗(yàn)。在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)采用MultiSim1.0軟件設(shè)計(jì)與仿真，即在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)搭建電子電路，并修改電路及其元件參數(shù)，用虛擬儀器測(cè)試電路性能并分析原因，完成電子電路的設(shè)計(jì)定型。仿真通過后，在實(shí)驗(yàn)室采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，并將虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，通過實(shí)際電子電路的設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。通過MultiSim1.0仿真，不僅可以減少實(shí)驗(yàn)耗材的消耗，避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備或儀器的損壞，還可以解決實(shí)驗(yàn)室高檔儀器和元器件不足的問題，具有較強(qiáng)的靈活性。如果學(xué)生沒有一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，特別是親身體驗(yàn)作為基礎(chǔ)，那么這種虛擬和抽象就不符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的獲取和意義的建構(gòu)不僅不具有積極的作用，反而因過于抽象或虛擬而起阻礙作用。

3.虛擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)作用

虛擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)教學(xué)模型建立的是理想化，虛擬實(shí)驗(yàn)包括虛擬元件和虛擬儀器兩部分。在虛擬實(shí)驗(yàn)中會(huì)有一些因素影響其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，只有虛實(shí)結(jié)合才能正確分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而虛擬實(shí)驗(yàn)雖能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程，提高實(shí)驗(yàn)的效率和安全性，但不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

（1）目前的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)只能按照固定的、正確的操作流程或方法進(jìn)行，否則實(shí)驗(yàn)不能得到正確的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是機(jī)械的，是由程序本身決定的，而不是真實(shí)情況的反映。因?yàn)槌绦蜷_發(fā)人員是嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的，可以說一個(gè)實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中，不允許學(xué)生操作錯(cuò)誤或者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一些改變，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生從操作失誤中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，限制了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

（2）虛擬元件的阻抗通常是默認(rèn)的，但有些值也可以設(shè)置，實(shí)際元件每個(gè)阻抗可能都不相同，如設(shè)置阻抗參數(shù)就和操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)有密切的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)越豐富，設(shè)置的參數(shù)就越接近實(shí)際情況，用默認(rèn)值可能就會(huì)有與實(shí)際實(shí)驗(yàn)不同的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

（3）在真實(shí)條件下做實(shí)驗(yàn)也會(huì)因儀器的精度、操作的方法、量程的選擇、實(shí)現(xiàn)的方法有不同的結(jié)果，這本身就是不可避免的誤差產(chǎn)生的因素。虛擬實(shí)驗(yàn)的理想化和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的具體情況本身就有一定的差異，在必然和理想條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果存在誤差。

（4）虛擬元件中不可能存在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的一些情況。如導(dǎo)線會(huì)存在的分布電容、電感、電阻，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)有一定的影響。

（5）虛擬實(shí)驗(yàn)在一些演示性和驗(yàn)證性類型的實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了較好的作用，但是在實(shí)際操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)中，則降低了學(xué)生的動(dòng)手操作能力。比如，電子技術(shù)很多實(shí)驗(yàn)中，需要實(shí)驗(yàn)者根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件使用不同的導(dǎo)線連接實(shí)驗(yàn)線路。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，只要點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕就可以把導(dǎo)線連接到儀器上，學(xué)生根本體會(huì)不出不同方法所用的導(dǎo)線及導(dǎo)線連接方法有何不同，不能鍛煉實(shí)際動(dòng)手能力。

要使虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)論接近，關(guān)鍵在于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在建立虛擬儀器和元件庫(kù)時(shí)，要考慮實(shí)際的環(huán)境和結(jié)論后，設(shè)置一些指標(biāo)和參數(shù)，同時(shí)也要使真實(shí)實(shí)驗(yàn)的條件向理想情況趨近，如保證理想的室內(nèi)溫度，考慮參數(shù)的分散性等，這樣才能使虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果仿真到實(shí)際實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)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)復(fù)雜的工作，還有許多理論和技術(shù)問題有待進(jìn)一步探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實(shí)驗(yàn)是不可能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中，元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的和創(chuàng)造性思維是至關(guān)重要的，也要引起足夠的重視。只有先理論后實(shí)踐，先做真實(shí)實(shí)驗(yàn)后做虛擬實(shí)驗(yàn)，或先做虛擬實(shí)驗(yàn)后做真實(shí)實(shí)驗(yàn)，才能使二者有效結(jié)合，相互依存，使電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)更完善。

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