李晨暉 徐有明

摘要：在電子實驗系統(tǒng)教學(xué)中引入虛擬軟件，進(jìn)行實驗教學(xué)改革，建立虛擬實驗室，將虛擬實驗與實物實驗有機地結(jié)合，采用虛擬電子實驗平臺進(jìn)行電路設(shè)計，既克服了傳統(tǒng)實驗中的一些不足，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的自主能動性和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：電子實驗；虛擬實驗；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0279-02

虛擬電子實驗技術(shù)在電子教學(xué)中的應(yīng)用主要有兩個方面，即虛擬儀器和虛擬電子實驗室，以計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為電子設(shè)計與測試的硬件平臺，在此平臺上進(jìn)行電子設(shè)計和模擬操作及測試，就像在真實的實驗環(huán)境中做實驗，在這樣的虛擬實驗環(huán)境中，進(jìn)行電工學(xué)、數(shù)字電路、高頻電路、模擬電路等電路的設(shè)計與測試，并且對測試結(jié)果進(jìn)行分析、打印或輸出實驗數(shù)據(jù)、測試曲線和電路原理圖，這種虛擬實驗不消耗器材，實驗所需器材類型和數(shù)量不受限制，實驗成本低、效率高、速度快，可開展的設(shè)計性實驗種類齊全。

一、虛擬儀器由硬、軟件平臺構(gòu)成

虛擬儀器所使用的硬件平臺主要包括：PC、模（數(shù)）/數(shù)（模）轉(zhuǎn)換器、輸入輸出系統(tǒng)等。

虛擬儀器軟件平臺主要是基于PC端口的二次開發(fā)應(yīng)用所需各種軟件，如Lab Windows/CVI、C/C++、微軟的VB、VC及惠普公司的VEE等系統(tǒng)應(yīng)用軟件。利用這些虛擬儀器開發(fā)工具的通訊與網(wǎng)絡(luò)能力，可很方便地實現(xiàn)虛擬儀器間的連接和遠(yuǎn)程操作、設(shè)計、測試和控制。

二、虛擬電子實驗室及教學(xué)應(yīng)用

虛擬電子實驗室是將大量的虛擬電子儀器進(jìn)一步整合在同一虛擬平臺之中，在平臺內(nèi)進(jìn)行自由切換，從而使學(xué)生掌握儀器的使用，進(jìn)行各種設(shè)計性的實驗，利用虛擬儀器完成實驗功能和設(shè)計，并在設(shè)計和實驗操作中延伸和拓展獨立虛擬儀器功能。目前多使用Multisim、Protel、MATLAB等軟件系統(tǒng)，以及工作平臺EWB（Electronics Workbench）來應(yīng)用于電子技術(shù)的仿真。此類軟件提供了諸如數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、功率表、邏輯分析儀、伏安特性分析儀、端口網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent函數(shù)信號發(fā)生器等大量不同型號的虛擬儀器，以及電源、模數(shù)混合元器件、基本元器件、整流類元器件、射頻元器件、機電元器件等多種各類電子元器件。學(xué)生通過使用此類平臺，可以方便快捷地進(jìn)行并完成電子電路的設(shè)計與測試，包括電子技術(shù)、電子電路、電工技術(shù)以及各類課程設(shè)計的實驗。

1.虛擬電子實驗系統(tǒng)的優(yōu)點。（1）擁有各種不易磨損的元器件，具備良好的使用狀態(tài)，且功能完善，可以進(jìn)行各電子類課程的實驗操作。（2）對實驗結(jié)果可以進(jìn)行及時的分析處理，并利用端口對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。（3）成本較低，無須使用各類元器件以及其他實驗耗材，且相對維護成本較低。（4）利于在基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計開發(fā)，且效率高，速度快，運行穩(wěn)定。

2.EWB虛擬實驗軟件在電子實驗中的應(yīng)用。

（1）虛擬電子實驗。通過利用EWB電子工作平臺，可以極為方便地進(jìn)行電路測試與設(shè)計。例如：做共射極單管放大電路實驗，實驗時在PC端將所需使用到的各類元器件及儀器儀表拖拽至工作區(qū)域，根據(jù)實驗電路將虛擬元件相連接并將合適的信號接入放大電路，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，在虛擬實驗平臺中就可以觀察到放大的不失真的波形。若輸入信號過大，或者靜態(tài)工作點不合適，則可以觀察到失真波形，可以幫助學(xué)生直觀地觀察了解到信號放大的整個過程。通過點擊對應(yīng)元器件的圖標(biāo)，即實現(xiàn)參數(shù)的重新選擇與設(shè)置，極大地簡化了設(shè)計步驟并大量地提升了實驗效率。（2）實驗演示及考查。通過虛擬電子實驗不單單是提升了實驗的效率，還可以方便地將教學(xué)中的各種難點重點，利用直觀的形式演示給學(xué)生，同時對于基礎(chǔ)理論的演示也可以更加方便學(xué)生理解與應(yīng)用概念。此外，該軟件可以通過設(shè)置電路中某些位置的故障，讓學(xué)生用所學(xué)習(xí)的知識排查故障，并將電路恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而考查學(xué)生對電子電路的學(xué)習(xí)效果。（3）學(xué)生的創(chuàng)新及二次開發(fā)能力。虛擬電子實驗室為學(xué)生提供了更好的實驗環(huán)境，利于在課堂中開展學(xué)生為主體的互動教學(xué)模式，利于學(xué)生的知識框架的搭建與知識的充填，且更利于學(xué)生創(chuàng)新以及二次開發(fā)能力的提高。與此同時，可以實現(xiàn)開放的線上網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生可以隨時隨地使用該平臺及軟件，在規(guī)定的時間內(nèi)完成課程所要求的各項實驗，此外通過讓學(xué)生自己動手設(shè)計一些實用的、趣味性強的電路，還可以對已經(jīng)完成的電路進(jìn)一步地修改完善，這樣不但豐富了教學(xué)方式，還同時提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不斷提升學(xué)生的動手能力，并為學(xué)生進(jìn)行科研工作夯實了基礎(chǔ)。

三、存在的問題

虛擬電子實驗在飛速的發(fā)展過程中，極大地方便了教師的教學(xué)與學(xué)生的理解，其及時性、高效性，是傳統(tǒng)電子實驗技術(shù)所不能比擬的。但是，其仍然存在著大量的問題，諸如，無法考慮實驗的環(huán)境對于結(jié)果的干擾，無法考查學(xué)生實際動手能力，等等。教師在教學(xué)過程中還需著重提高學(xué)生實物的制作、調(diào)節(jié)、測試能力，使其鞏固所學(xué)知識。利用虛擬電子實驗技術(shù)與傳統(tǒng)電子實驗技術(shù)相結(jié)合，可以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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