張海燕 吳園燕

摘 ?要： 利用虛擬儀器技術(shù)，基于虛擬仿真軟件LabVIEW編程進行教學演示，以“二階動態(tài)電路的阻尼振蕩”為例，教學中通過演示不同參數(shù)下二階動態(tài)電路的各種震蕩現(xiàn)象，有助于加深學生對電路分析理論知識的理解，還有效增加了學生的學習興趣，提高教學效率，改善教學效果，激發(fā)學生的學習積極性、主動性和創(chuàng)新性，同時也勾起學生對后續(xù)《虛擬儀器原理及應用》這門課的學習興趣。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器;LabVIEW;電路分析

中圖分類號： TP391.9 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.015

本文著錄格式：張海燕，吳園燕. 基于LabVIEW虛擬仿真的《電路分析基礎》教學研究[J]. 軟件，2019，40（6）：6973

【Abstract】： Using virtual instrument technology， based on the LabVIEW virtual simulation software programming for teaching demonstration， to ‘damped oscillation of second-order dynamic circuit as an example， through the demonstration in teaching the second-order dynamic circuit under different parameters of various oscillation phenomenon， help to deepen students' understanding of the theory of circuit analysis knowledge， also increased the students' interest in learning， improve teaching efficiency and the teaching effect， stimulate students' learning enthusiasm， initiative and creativity， but also arouse the learning interest in the following course ‘the principle and application of virtual instrument.

【Key words】： Virtual instrument; LabVIEW; Circuit analysis

0 ?引言

《電路分析基礎》是電工類專業(yè)最重要的一門專業(yè)基礎課。通過該課程的學習，學生掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本方法，并能對一般電阻電路、動態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)交流電路進行分析計算，為學生繼續(xù)學習各相關(guān)課程如信號與系統(tǒng)、線性電子線路等打下堅實的基礎，同時通過與該課程配套的實驗，理論與實驗并重，可加深對理論的進一步理解[1]。

但是，在實際教學中由于該課程內(nèi)容復雜，概念和知識點多，而相應的課時安排卻非常有限，教師在授課過程中由于兼顧教學進度不能照顧到所有學生，往往使學生在學習過程中難于及時掌握信息，課堂教學效果甚微，一旦有一個環(huán)節(jié)落下，最終 ? 極有可能造成學生對該課程失去學習興趣[2-3]，因此，在應用型本科獨立院校進行課堂教學改革勢在必行。

1 ?課堂教學手段改革：虛擬儀器仿真技術(shù)引入課堂

目前，由于各種軟硬件條件限制，電路分析課堂教學完全是填鴨模式，主要側(cè)重于理論教學，完全忽略了學生的接受能力，尤其是在應用型本科獨立院校，學生基礎弱，專業(yè)功底不扎實，很能及時接受枯燥晦澀的專業(yè)課教學內(nèi)容。僅憑有限課時的理論和實驗教學，輔以布置大量的課后習題，只能培養(yǎng)應試型教育模式，很難加深學生對知識點的 ?掌握和理解，舉例培養(yǎng)應用型人才的目標更是相去甚遠。

經(jīng)過多年對《電路分析基礎》和《虛擬儀器原理及應用》的課程教學摸索后，將基于LabVIEW軟件平臺的虛擬儀器技術(shù)引入《電路分析基礎》教學課堂，使教學過程中理論與虛擬仿真相結(jié)合，使抽象枯燥的理論教學更加生動形象，從而激發(fā)學生的學習興趣，為后續(xù)的專業(yè)課學習打下堅實的基礎[4]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有條件根本無法滿足教學需要[5-7]。如果結(jié)合模擬仿真軟件教學，既可以增加學生對電路的感性認識，又可以激發(fā)學生的學習興趣。據(jù)統(tǒng)計，在電路教學過程中，大部分同學并沒有接觸過仿真軟件在該課程的應用[8]。

《電路分析基礎》的選擇虛擬儀器技術(shù)的原因如下[9]：其一是虛擬儀器技術(shù)作為近些年來新興的一門技術(shù)，將現(xiàn)有的計算機技術(shù)、軟件技術(shù)和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起建立了功能強大又靈活運用的儀器。其二是虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，但是結(jié)合美國NI公司開發(fā)的LabVIEW圖形化軟件平臺[10]，采用該軟件圖形化編程語言的優(yōu)點，可以使我們通過操作鼠標和鍵盤時就像在操作一臺真的儀器一樣。其三是使用該技術(shù)成本低，使用方便，易于攜帶。其四是將虛擬儀器作為輔助教學手段引入課堂，有助于引起學生學習興趣，活躍課堂氣氛，不僅生動形象的展示課堂內(nèi)容，加深學生對理論知識的理解，使學生更快地掌握課堂新知識，更能激發(fā)學生濃厚的學習興趣[11]，教學效果明顯改善。

1.1 ?虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW簡介

美國NI公司（National Instrument）最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念。它是利用計算機和標準技術(shù)準線為平臺，以計算機的硬件資源為基礎，以面向用戶的計算機軟件如LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——實驗室虛擬儀器軟件平臺）為開發(fā)平臺，實現(xiàn)完整的測試系統(tǒng)開發(fā)。該軟件是面向用戶的圖形化編程軟件，包含大量標準儀器驅(qū)動程序庫、軟件模塊和工具包，它的程序即為虛擬儀器，主要包括兩部分，前面板（Front Panel）和程序框圖（Block Diagram）。前面板主要是通過添加控件和指示器完成虛擬儀器界面設計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，程序框圖包括節(jié)點、函數(shù)、結(jié)構(gòu)、SubVI等，實現(xiàn)虛擬儀器的程序功能[12]，它不僅具有傳統(tǒng)儀器的外觀操作界面，并具有數(shù)據(jù)分析和處理功能，使用戶在操作計算機時就像在操作一臺真正的儀器。使用虛擬儀器技術(shù)具有測量成本低、靈活性好、功能強大、簡單易學，教學演示效果直觀真實，仿真結(jié)果準確可靠等特點，因此本文采用LabVIEW作為電路教學仿真軟件作為課堂輔助工具，能更好地配合課堂教學效率和教學效果[13]。

以下以“二階動態(tài)電路的阻尼振蕩”為例介紹虛擬儀器仿真技術(shù)在《電路分析基礎》課堂教學 ? 應用。

1.2 ?二階動態(tài)電路零輸入響應介紹[14]

包含兩個動態(tài)元件的電路稱為二階電路，這類電路可以用一個二階微分方程或者兩個聯(lián)立的一階微分方程描述。一階電路中儲能只有電場能或者磁場能，但是二階電路既存儲電場能又儲存磁場能，這樣的電路具有怎樣的特點？以只含一個電阻（R）一個電感（L）和一個電容（C）串聯(lián)的二階動態(tài)電路（RLC）零輸入響應為例，電路如圖1所示。

2.2 ?虛擬儀器技術(shù)在電路分析課程的應用教學效果分析

以上采用LabVIEW軟件平臺，以二階RLC串聯(lián)電路為例實現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)在電路分析教學中的應用。在應用過程中發(fā)現(xiàn)，當伴隨理論課程的教學中采用虛擬儀器技術(shù)在電腦操作，通過運行程序過程中不斷改變電路參數(shù)，使學生能夠更加生動形象而且直觀的看到不同情況下的電路響應，明顯看出有振蕩和無振蕩以及有阻尼和無阻尼之間的差別，與僅僅是在黑板手繪圖形或者課件播放死板的圖形相比更加生動，不但使學生對課程內(nèi)容印象深刻，同時也使學生能夠在程序運行狀態(tài)下看到調(diào)節(jié)參數(shù)時響應的逐漸變化過程， 更能吸引學生對枯燥晦澀的電路分析課程濃厚的學習興趣。

綜上所述，利用虛擬儀器技術(shù)應用在電路分析教學中有以下幾個優(yōu)點：

利用虛擬儀器技術(shù)，主要依靠軟件平臺，同時還可以用LabVIEW自帶的工具包或者函數(shù)庫代替硬件儀器信號源或者示波器等，在不斷提高教學效果的同時還大大降低了教學成本。

攜帶方便，在上課前只要在電腦上安裝好LabVIEW軟件，將事先備好的VI程序拷貝到電腦里就可以在教學過程中方便地演示，同時也引起學生對后續(xù)課程《虛擬儀器原理及應用》的興趣。

通過在理論教學中引入虛擬儀器技術(shù)，生動形象的展示理論結(jié)果，為電路分析課程相應的實踐課程打下了基礎，使學生在實驗過程中不再盲目的動手，而是可以在不斷思考中分析實驗結(jié)果，比較示波器顯示結(jié)果與課堂教學結(jié)果是否一致，不會像以前的實驗過程中需要依靠實驗老師去判斷數(shù)據(jù)的正確性與可靠性。

通過直觀的教學演示，清晰地展示出不同條件下二階動態(tài)電路的響應特點，使理論與實踐相結(jié)合，加深學生對理論知識的理解，啟發(fā)學生思維，激發(fā)了學生的學習興趣，在有限的時間內(nèi)取得了良好的教學效果。

3 ?結(jié)論

在電路分析課程教學過程中，采用虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW軟件，通過實時動態(tài)的顯示電路理論結(jié)果，不僅使學生能夠直觀的看到理論內(nèi)容演示，加深學生對課堂內(nèi)容的理解，啟發(fā)學生思維，激發(fā)學生學習興趣， 提高教學效率和教學效果，也為該課程相應實驗課程打下基礎，而且能夠激發(fā)學生學習的積極性、主動性和創(chuàng)造性，在有限的教學課時內(nèi)實現(xiàn)學習的理論與實踐相結(jié)合，為培養(yǎng)新時代創(chuàng)新性人才做出貢獻。

參考文獻

[1] 劉俊霞， 王靜. 電路分析課程教學改革探討[J]. 教育教學論壇， 201 6（25）： 94-95.

[2] 胡建. 基于數(shù)字變頻器與SPLC控制的電梯門機信號接口電路的設計[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 179-183.

[3] 彭光含， 劉長青. 基于虛擬仿真的《電路分析》相位關(guān)系教學研究[J]. 大眾科技， 2016， 18（208）： 85-88.

[4] 宋舒， 楊武鋼， 肖梅. 將虛擬儀器技術(shù)融入《電工》課堂， 強化實踐教學效果[J]. 陜西教育高教， 2014： 1-2.

[5] 李嘯劍， 王智立. 虛擬化環(huán)境中服務監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 軟件， 2016， 37（02）： 103-106.

[6] 任元超， 吳許俊， 董奇， 等. 基于Web 的虛擬網(wǎng)絡實驗室的設計[J]. 軟件， 2015， 36（7）： 26-30.

[7] 唐實， 任淑霞， 王佳欣， 等. 基于虛擬VR技術(shù)的心臟醫(yī)療輔助系統(tǒng)的設計與應用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 23-25.

[8] 于海平. “電路分析”課程教學情況的調(diào)查及對策[J]. 教學實踐研究， 2016， 33： 36-39.

[9] 田武剛， 潘孟春， 陳棣湘.虛擬儀器技術(shù)在電工演示性教學中的應用[J]. 電氣電子教學學報， 2012， 34（4）： 82-83.

[10] 胡武揚， 段富海， 董科銳. 基于LabVIEW 的舵機自動加載測試系統(tǒng)軟件設計[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 24-29.

[11] 王文婷， 劉金寧， 谷志鋒， 曾春花. 電路分析課程趣味性演示實驗設計[J]. 實驗室研究與探索， 2017， 36（5）： 199-203.

[12] 王磊. 精通LabVIEW8.0[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2007.

[13] 韓鋼， 郗瑩， 虛擬儀器綜述[J]. 火控雷達技術(shù)， 2000，29： 41-44.

[14] 李瀚蓀， 電路分析基礎（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.