虛擬仿真技術在電氣類實驗教學中的應用

陳麗霞 李 敏

河北大學電子信息工程學院 河北保定 071002

河北大學電子信息工程學院注重對學生實踐能力和主觀能動性的培養，在2013年我院獲批的省級“電氣信息虛擬仿真實驗教學中心”，并在2015年12月我院組織申報的“光伏技術虛擬仿真實驗教學中心”獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心，學院以此為契機在傳統實驗教學的基礎上加入虛擬仿真技術，既能夠提高學生對理論知識的理解，又能夠培養學生的創新能力，真正實現以學生為主體、教師為主導的實驗教學模式[1]。

在實驗教學中加入虛擬仿真技術能夠將實驗場所擴大化，學生在任何場所只要有計算機就能進行實驗；并且實驗過程中不消耗器材能夠降低實驗成本，安全性高，界面直觀，能夠提高電子電路的設計效率。學生可以根據自己設計的內容自主實驗，激發了學生學習的主動性。通過虛擬仿真實驗，加深了學生對理論知識的理解。目前教育部正在推進的大學生創新訓練項目，就是要探索以問題為導向的教學模式，旨在提高學生的思考問題以及解決問題的能力，打破固有的傳統教學模式，激發學生的創造力。在高等教育信息化的基礎上開展虛擬仿真實驗教學具有重要的現實意義。

1 實驗教學現狀

在傳統的電氣類實驗教學過程中，需要很多與時俱進的儀器和設備以及一些創新實踐模塊，但是電氣類的設備很多價格高，使用過程中難免有損壞，并且維護難度系數高。此外，隨著學生人數的增多，儀器設備需要循環利用，受限于場地不足，每次教師都要重復很多組實驗，無形中增大了教師的工作量。在實驗過程中很多學生在實驗之前只有相對抽象的理論知識，缺乏實踐動手能力，對儀器及設備缺少必要的了解，導致實驗過程中實驗效率低下，并且儀器容易損壞。

基于虛擬仿真技術的實驗教學直觀生動，不受時間場地的限制，沒有器材消耗，容易開展創新性實驗，并且學生在實驗之前可以自由設計，充分發揮學生的主觀能動性及創新能力[2]。

2 教學設計

以培養學生解決問題的能力為導向性的實驗教學在教學設計上突出學生的自主選擇能力，學生根據教學計劃及教師的教學要求選擇相應的實驗課程，然后在上課之前先預習實驗，進行總體的實驗設計。學生在前期實驗設計階段可以自主設計實驗內容，只要有計算機就可以利用相應的虛擬仿真軟件進行實驗，不受時間場地的限制，在學生進入虛擬仿真環境后能夠通過網絡與教師互動交流。教師可以查看學生的完成進度，對學生的實驗內容進行批改。

圖1 虛擬仿真實驗教學管理平臺

虛擬仿真實驗教學注重學生的創新能力培養，在課程體系的設置上堅持虛實結實的教學理念，制訂了“一主線”“四平臺”“五層次”的教學體系。建立了“專業基礎實驗—專業設計實驗—綜合設計實驗—工程實訓實驗—工程創新實驗”的開放式虛擬教學管理共享系統[3]。

3 虛擬仿真技術在電氣類實驗教學中的應用

3.1 Multisim12在三極管放大電路實驗中的應用

Multisim12軟件包含很多實驗過程中常用的元器件以及信號源、萬用表、示波器等常用儀器。圖2是應用Multisim12繪制的三極管放大電路。示波器XSC1的通道A和B能夠觀察輸出和輸入信號波形和放大倍數，圖3是輸入和輸出信號波形。XHH1和XHH2是用來測量輸入信號電壓和電流，測量放大器的輸入電阻iR。

圖2 三極管放大電路仿真實驗

圖3 輸出和輸入信號波形

學生在實驗過程能夠很直觀的進行三極管放大電路仿真實驗，避免了實際操作中接線混亂，輸出波形失真，學生分析操作過程中查找問題困難的情況，改變不同的參數可以分析對電路各個性能指標的影響，提高學生學習的主動性和積極性。

3.2 Proteus仿真軟件在電子電路設計中的應用

Proteus仿真軟件本身具備硬件設計和軟件仿真平臺。學生在掌握了相應的理論知識后可以自行設計電路，需要硬件設計、軟件設計。硬件設計需要印制電路板、焊接元器件以及硬件調試等步驟。學生在實踐過程中很容易出現硬件方面的錯誤導致電路失敗，打擊學生學習的積極性。而Proteus仿真軟件能夠對硬件電路進行仿真，仿真的結果與實際的效果基本一致，并且在實驗過程中能夠實時檢測判斷結果是否正確。學生在設計過程中能夠將自己所學知識融會貫通，提高了學生對電子電路設計的興趣。圖4是利用Proteus仿真軟件對設計的八路搶答器運行仿真[4]。

圖4 搶答器啟動仿真圖

將Proteus仿真軟件應用到電氣類實驗教學中，可以使學生學會集成電路及接口的功能并能夠進行硬件電路設計，能夠輔助單片機原理教學，在整個電路設計過程中能夠提高學生對整個硬件設計和軟件設計的綜合創新能力。

4 結語

虛擬仿真實驗教學是模擬高度逼真的虛擬實驗環境，使得學生在操作過程中對工程實訓中的所有硬件要求、儀器設計要求以及軟件要求都有很深刻的認識。國家級虛擬仿真中心秉承“學生為本、基礎扎實、協調發展”的教育理念，以啟發式教學為指導思想，采用討論式、研究式等教學新方法，以學生主動參與為主體，突出創新意識的培養；注重促進學生理論基礎知識水平、動手實踐能力、實際工程應用能力、創新創業能力。統籌協調理論教學和實驗教學，將信息化技術與實驗需求相結合，以虛擬仿真實驗作為實物實驗的補充和延伸，通過虛擬對象與實體對象相結合，虛擬手段與實際手段相結合，強化虛擬實驗與實物實驗協同育人，課內課外一體化的實驗教學新模式，形成基礎、綜合、創新的多層次實驗教學體系，注重拓展學生的視野和知識結構，構建適應新形勢的高校創新創業教學體系。

參考文獻

[1]張敬南,張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理,2013,30(12):101-104.

[2]李翠超,凌芳.虛實結合的虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J].實驗室技術與管理,2015,4(2):128-131.

[3]程思寧,耿強,姜文波.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗室技術與管理,2013,37(7):95-97.

[4]沈宗果,楊彥.基于Proteus仿真軟件的電子電路設計與應用[J].江蘇科技信息,2017(8):57-58.