虛擬仿真軟件在電子類實驗教學中的應用

高麗琴 姬五勝 段揚

摘 要：教學活動中，傳統的實驗教學存在時空限制、設備資源短缺等問題，已不能滿足當下實驗教學要求。隨著教育信息化的進一步深化，虛擬實驗教學發展勢頭日益強勁，成為傳統實驗教學的有力補充。文中通過實例展現三種仿真軟件在電子類實驗教學中的具體應用，并針對虛擬仿真實驗教學的必要性和開展情況，提出教學資源優化和實驗設計方法。

關鍵詞：虛擬仿真;電子類實驗;軟件;資源優化;教學設計;教育信息化

中圖分類號：TP391.9;G642.0文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-0-02

0 引 言

受傳統條件影響，實驗教學始終存在著諸多問題，如場地不足、人員配備有限、資金和儀器設備短缺等，這些問題不利于學生實驗能力的培養。為響應國家教育信息化發展要求，改善實驗教學條件，增強實驗教學效果，將虛擬仿真引入電子類課程實驗已成為一種趨勢[1]。

國內外眾多虛擬實驗教學大體可分兩類[2-3]：一類是直接操作遠程實驗設備的虛擬教學，通過計算機網絡代替部分實際活動來克服實驗設備和實踐的局限;另一類是純軟件仿真形式的虛擬教學實驗，即網絡化虛擬教學實驗。這種完全虛擬化的實驗操作，跳過真實的實驗設備，直接操作虛擬器件。本文圍繞虛擬仿真軟件展開，結合實例展現虛擬仿真在電子類實驗教學中的應用情況。

1 虛擬仿真實驗教學的優勢

隨著信息技術的快速發展，虛擬仿真實驗教學不僅能復現真實實驗，還能克服傳統實驗的制約和弊端，在一定程度上代替傳統實驗教學。一方面，虛擬實驗教學充分考慮了新世紀人才培養模式的需要，有利于加強學生的動手能力和創新能力。另一方面，其能夠幫助院校走出實驗教學資源嚴重短缺和分布不均的困境，共享優質教學資源，優化教育教學質量，激發學生科學研究興趣[4]。

2 虛擬仿真與電子類課程實驗的結合

虛擬仿真在電子類實驗中包括虛擬儀器和軟件仿真。虛擬儀器以“軟件即是儀器”為核心，利用計算機顯示器顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，并輸出檢測結果[5]。軟件仿真則是在軟件中完成電路搭建，借助軟件功能模擬電路環境及運行過程，替代真實實驗并獲得與其一樣的效果。常用的電子仿真軟件有Multisim，LabVIEW，HFSS及Proteus等。

虛擬仿真技術的特點是虛實結合，軟件仿真的驗證性和探究性在學生對知識點的理解、掌握、動手實踐、創新能力的培養等方面意義重大。下面以電子技術仿真、電磁場與微波技術、數字信號處理等相關實驗教學為例介紹虛擬軟件仿真的應用。

2.1 555定時器的虛擬仿真

555定時器是一種多用途的中規模集成電路器件，在脈沖產生和變換等技術領域有著廣泛的應用。其中，由其構成的施密特觸發器具有波形轉換、整形、幅度鑒別的作用[6]。下面以此觸發器為例，利用Multisim 軟件進行模擬實驗仿真，施密特觸發器的仿真電路如圖1所示。

仿真測試時，電路的輸入信號為正弦信號，示波器XSC1檢測輸入、輸出波形，得到施密特觸發器的仿真結果，如圖2所示。

顯然，從波形上可以清楚地觀察到，施密特觸發器可用于將模擬信號波形轉換成矩形波，通過Multisim仿真，可清晰有效地驗證施密特觸發器的這一重要功能。

2.2 帶通濾波器的仿真技術實驗

微波技術中各器件的制作要求較高的精確性，制作工藝復雜，如果誤差較大，會造成不必要的浪費，因此應用HFSS軟件對即將投入生產的器件提前進行仿真，得到最佳數據，使器件性能達到最優。在實驗教學中，借助HFSS軟件，建立3D仿真模型，加深學生對微波器件的理解，增強教學效果[7]。

在三維模型窗口畫出濾波器模型，對模型進行端口、激勵、邊界條件、求解及掃頻等參數設置后，運行仿真。HFSS仿真界面如圖3所示。

S參數結果如圖4所示。在4.15 GHz處產生了通帶，回波損耗S11達到-30 dB，插入損耗S21在-2 dB，完全滿足濾波器的設計要求。

2.3 數字濾波器的LabVIEW仿真分析

LabVIEW是一種由圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，可使用程序流程圖便捷地創建出自己的虛擬儀器，可視化效果較好。

數字濾波器部分內容抽象，涉及的數學公式較多，信號分析結果缺乏可視化的直觀表現[8]。學生不易將數學函數和最終波形聯系起來，也難以理解所得結果與信號處理中的實際應用關系。數字濾波器除利用硬件電路實現外，還可借助計算機及軟件編程來實現。因此，利用LabVIEW模擬濾波器可從一定程度上解決這一難題。

利用LabVIEW設計的巴特沃斯低通數字濾波器程序框圖，通過前面板窗口，可清晰地顯示濾波前后的波形變化情況。數字濾波器程序框圖如圖5所示。左邊的示波器窗口顯示了兩個頻率分別為1 Hz和35 Hz幅值為1 V的正弦波的疊加結果，右邊的示波器窗口顯示了經過低通濾波后的信號。能明顯看出，高頻信號的幅值被極大的縮減，顯露出1 Hz低頻信號的波形，濾波效果顯著。濾波信號如圖6所示。

3 教學資源優化和實驗教學設計

3.1 優化虛擬仿真教學資源

大部分實驗教學都需要軟件參與，學校可依據軟件市場的發展適時購買以更新軟件存量，或者與擁有專業技術和團隊的軟件設計公司合作，共同完成虛擬實驗教學資源的開發;對于建設難度較小且學校具備相關技術條件時，要充分調動師生的創新精神和主觀能動性，鼓勵其積極參與到資源拓展中來，逐漸形成“以教師為主導，學生為主創”的資源創建模式[9]。

3.2 虛擬仿真實驗教學設計

虛擬實驗教學可采用任務驅動法，將教師、學生、任務三者聯系在一起，遵從“以任務為主線，以教師為主導，以學生為主體”的原則[10-11]，設計切實可行的實驗教學方案。確定實驗時，首先要參考傳統實驗教學，確定虛擬實驗的目的和任務，其次在綜合考慮傳統實驗教學步驟和虛擬實驗技術后，選擇最能體現本實驗目的的仿真軟件，并制定好實驗流程。最后要及時做好學習反饋，設計合理的實驗報告形式，制定實驗批改規則，通過實驗評分機制完善實驗內容。

4 結 語

用虛擬仿真實驗輔助教學是現代教育技術的發展要求，分析和總結虛擬仿真實驗教學的建設理念、發展應用和實踐方法，能夠有效推進教育教學信息化建設。將虛擬仿真引入到電子類課程的教學，設計合理有效的虛擬實驗教學更有助于驗證理論，增強學生電路設計能力，加深理論方法的深刻理解，提高產品設計效率，降低實驗成本，加快實驗教學改革的步伐，為實驗室的開放提供了可能。

參 考 文 獻

[1]喬非，王曉平.虛擬教學實驗設計和開發技術與應用[M].上海：同濟大學出版社，2013.

[2]楊烈君，吳玉芹.虛擬仿真技術在電子類實驗課程項目教學中的應用[J].寧德師范學院學報（自然科學版），2016，28（4）：444-448.

[3]程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30（7）：94-97.

[4]馬天輝.利用虛擬仿真技術激發學生科學研究興趣[J].電化教育研究，2013（4）：173-177.

[5]岳明道，郭煥銀，唐永剛.仿真軟件在電類課程教學中的應用[J].宿州學院學報，2007，22（6）：156-158.

[6]馬向國，劉同娟，陳軍.MATLAB&Multisim電工電子技術仿真應用[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7]趙爽.基于HFSS的電磁場與電磁波教學虛擬實驗研究[J].科技資訊， 2014（27）：186-186.

[8]全曉莉，周南權，李雙，等.基于LabVIEW的數字信號處理虛擬實驗的構建[J].實驗技術與管理，2011，28（10）：82-84.

[9]尹立孟，朱光俊，萬新，等.虛擬仿真實驗教學資源建設與管理探討[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2016（1）：61-63.

[10]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真實驗教案設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：185-188.

[11]岳峰麗，蔡玲，張昕，等.關于虛擬仿真實驗教學的一些思考[J].中國教育技術裝備，2015（22）：149-150.