摘? 要：針對電子技術(shù)課程特點，基于虛擬編程實現(xiàn)電子技術(shù)實驗仿真平臺的開發(fā)。提升學(xué)校電工電子課程實驗室建設(shè)維度，打造虛擬仿真實驗平臺，解決實驗室設(shè)備有限的瓶頸，滿足學(xué)生課后實驗需求，激發(fā)學(xué)生實驗興趣，提高學(xué)生實驗動手能力。針對虛擬仿真平臺搭建過程中遇到的問題進行探討，結(jié)合課證融通引領(lǐng)下的人才培養(yǎng)改革提出自己的心得體會。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；虛擬仿真平臺；人才培養(yǎng)

中圖分類號：TP311；G642? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0090-05

Abstract： According to the characteristics of electronic technology course， the development of electronic technology experiment simulation platform is realized based on virtual programming. Improve the construction dimension of the school's electrical and electronic course laboratory， create a virtual simulation experiment platform， solve the limited laboratory equipment， meet students' needs for after-school experiments， stimulate students' interest in experiments， improve students' participation in experiments. Discuss the problems encountered in the process of building the virtual simulation platform， and put forward their own experience in combination with the personnel training reform led by the guidance of the course certificate integration.

Keywords： electronic technology; virtual simulation platform; personnel training

0? 引? 言

結(jié)合線上教學(xué)需要，完善實驗室的使用方法，降低實驗室建設(shè)成本，同時提高學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)及相關(guān)課程的興趣，以期提供信息技術(shù)應(yīng)用與電類相關(guān)課程在線教學(xué)能力融合模式下的實驗仿真解決方案。

采用虛擬仿真平臺還能突破空間的限制，通過將平臺上傳到互聯(lián)網(wǎng)，使得學(xué)生在家中也能進行相關(guān)實驗的仿真操作，通過仿真平臺的訓(xùn)練，可以貫穿預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)各個階段，在“信息技術(shù)+線上實驗教學(xué)”模式的加持下，可以真正做到學(xué)習(xí)不受限。

1? 開發(fā)環(huán)境

1.1? LabVIEW簡介

LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的軟件產(chǎn)品，秉承“軟件即是儀器”的理念，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、計算機仿真、FPGA等領(lǐng)域，其特點之一是以圖形的方式編程，相比于文本代碼，該軟件上手快，使計算機編程變得更加容易，讓非計算機專業(yè)人員也很容易接受。

1.2  編程特點

LabVIEW提供了類似常規(guī)編程語言中具有多種功能的函數(shù)以及種類豐富、數(shù)量龐大的各種控件，這種VI可單獨運行調(diào)試，初學(xué)者較容易掌握和使用。VI由兩部分構(gòu)成：前面板和程序框圖。前面板即圖形界面窗口（GUI），用來放置各種控件（如顯示波形的控件、數(shù)據(jù)文本輸入框、指示燈和按鍵等），在圖形編程完成后，使用者與程序的交互主要是通過前面板進行數(shù)據(jù)的賦值輸入、控制、顯示等實現(xiàn)。而程序框圖是用于編寫程序代碼的界面，將各種功能的函數(shù)VI放置在該界面中，完成項目的底層編程。

1.3? 與電子技術(shù)實驗內(nèi)容高度契合

電路分析中，基爾霍夫定律的驗證，疊加定理的驗證，典型電信號的觀測和一階電路響應(yīng)特性實驗等；模擬電路中二極管、三極管的特性測試等；數(shù)字電路中的數(shù)值轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器等，這些課程內(nèi)容都可以通過實驗平臺的編程實現(xiàn)仿真運行，所以結(jié)合課程特點和編程實現(xiàn)方法，選擇該平臺實現(xiàn)課程教學(xué)。

2? 虛擬仿真實驗開發(fā)

2.1? 多種方式展現(xiàn)

軟件平臺提供多種功能豐富的控件，所以在實現(xiàn)電路分析、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)仿真實驗內(nèi)容上可以采取多種方式。

例如：在實現(xiàn)電路分析中典型實驗一階電路的“三要素法”時，從一階電路響應(yīng)的求解中可以看出：一階電路（恒定直流輸入、非零初始狀態(tài)）各處電壓、電流按照指數(shù)規(guī)律變化到穩(wěn)定值?？偨Y(jié)出電路響應(yīng)為：，f （t）、f （∞）、f （0_）這三個量值稱為動態(tài)電路的三要素，當(dāng)t＞0時，任一i、u的表達式均可按以上公式求解電路響應(yīng)。

結(jié)合理論公式，在編程設(shè)計方面，主要從兩個方面來考慮：一是前面板的界面直觀易懂、可操控性強；二是程序框圖中代碼執(zhí)行效率高，運行響應(yīng)迅速。根據(jù)實驗要求，綜合實驗板的元件參數(shù)選擇和示波器顯示波形，界面需要能輸入元件數(shù)值并可觀察結(jié)果圖像。這里選用典型的一階RL電路，電阻R1、R2、R3的阻值和電感L的電感量設(shè)計成輸入控件以便輸入不同元件參數(shù)得到不同波形，再放置顯示電流波形的模擬示波器控件，如圖1、圖2所示。

圖1為搭建的RL一階電路的電路圖，Us為60 V電壓源，R1、R2、R3為10 Ω電阻，L為0.3 H的電感，支路電流為I1、I2、IL，方向如圖所示。圖2為前面板中放置的用于顯示三個電流的模擬示波器顯示控件。IL顯示為長虛線，I1顯示為短虛線，I2顯示為直線。顯示的曲線按照電流三要素公式變化：。

任務(wù)功能的實現(xiàn)更多體現(xiàn)在程序框圖的設(shè)計上。在設(shè)計對應(yīng)的流程圖程序時，一階電路電流量的求解是以三要素公式為依據(jù)的，所以在程序框圖中先建立一個公式節(jié)點的結(jié)構(gòu)，并編輯電流I1、I2、IL的三要素公式，如圖3所示。

在公式節(jié)點外再建立For循環(huán)，創(chuàng)建輸入輸出節(jié)點。完整程序框圖如圖4所示。

運行程序，得到t＞0時三條支路電流I1、I2、IL的曲線，如圖5所示。

又如實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇器的仿真實驗，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩輸入真值表如圖7所示。

數(shù)據(jù)選擇器的仿真實現(xiàn)，依然通過前面板和程序框圖的編程來完成。為了貼近現(xiàn)實的數(shù)字電路實驗板，在前面板上布置地址輸入A1、A0指示燈、使能端 指示燈、四數(shù)據(jù)D0-D3輸入指示燈以及輸出指示燈。其中，地址輸入指示燈、使能端 指示燈和四數(shù)據(jù)輸入指示燈是可控元件，通過點擊觸發(fā)可切換指示燈的狀態(tài)。燈亮?xí)r表示邏輯1，燈滅時表示邏輯0，從而實現(xiàn)真值表中所有輸入賦值。輸出指示燈Y作為數(shù)據(jù)選擇結(jié)果，所以選用了只具有顯示功能的指示燈控件，前面板電路如圖8所示。

放置完前面板的各種控件之后，就要進入程序框圖的編程，這也是邏輯功能實現(xiàn)的核心部分。對于數(shù)字選擇器的編程，數(shù)據(jù)的來源有三部分：首先是配置D0～D3四個數(shù)據(jù)端的數(shù)值，接著是確定地址輸入端A1、A0所指定的需要被選擇數(shù)據(jù)的地址信息，最后就是控制端S的狀態(tài)。程序框圖如圖9所示，這里使用簇了數(shù)據(jù)的概念，簇是LabVIEW中常見的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，簇中的數(shù)據(jù)都是相互獨立的，又具有各自的標(biāo)簽和內(nèi)容，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能很好地將地址A1、A0和數(shù)據(jù)端D0～D3進行分層。將以上數(shù)據(jù)設(shè)置成簇數(shù)據(jù)后，再經(jīng)過解除捆綁分離成單個數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進行相應(yīng)的邏輯運算。

為了驗證4選1數(shù)據(jù)選擇器的真值表，我們先輸入D0～D3的值，再輸入地址端A1、A0的值。令 =0即使能端有效（使能端 =1時結(jié)論如圖8所示）。運行該程序，結(jié)果如圖10所示。

實驗結(jié)果表明，虛擬儀器數(shù)據(jù)選擇器的前面板界面簡潔明了，操作簡單易懂，能實現(xiàn)4選1選擇器的全部功能，完全可以實現(xiàn)虛擬仿真。

又如全加器的設(shè)計實驗。根據(jù)如圖11、圖12所示的1位全加器電路結(jié)構(gòu)圖和真值表，分別設(shè)計前面板和程序框圖，如圖13、圖14所示。

輸入A、B和地位進位CI的值，可以得到全加器的輸出及高位進位。

2.2? 學(xué)生參與開發(fā)建設(shè)

平臺建設(shè)過程中，需要學(xué)生具有電類課程知識和編程能力，所以可引導(dǎo)學(xué)生參與項目設(shè)計建設(shè)，將開發(fā)內(nèi)容分為多個模塊，通過教師在課堂上講授原理，實驗室實際操作到虛擬仿真實驗體驗，最后實現(xiàn)由學(xué)生制定實驗測試方案，完成相應(yīng)任務(wù)。整個過程中使得學(xué)生既加深了對電子技術(shù)課程專業(yè)知識的理解和掌握又能通過編程很好地鍛煉學(xué)生的程序思維，提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。

3? 在人才培養(yǎng)過程中的作用

3.1? 三個方面

貫穿虛擬仿真實驗平臺開發(fā)過程，從三個方面促進人才培養(yǎng)改革：一是層次實驗。根據(jù)實驗的教學(xué)定位、學(xué)生能力和興趣，將教學(xué)實驗分為基礎(chǔ)檢測實驗、綜合應(yīng)用實驗、實戰(zhàn)探索實驗。二是學(xué)科結(jié)合。在虛擬儀器軟件搭建過程中，有機結(jié)合了多門學(xué)科知識，使學(xué)生進一步理清各專業(yè)課之間的聯(lián)系。三是課程設(shè)計。提出設(shè)計目的和要求，學(xué)生分組查找相關(guān)文獻和資料，制定實驗測試方案，軟件可提供豐富的器件選擇。

3.2? 四個維度

貼合職業(yè)教育發(fā)展，從仿真平臺的開發(fā)角度來看包含四個維度：一是課程服務(wù)。相關(guān)智能控制專業(yè)課程（如單片機技術(shù)、PLC控制技術(shù)、C語言等課程），都有相通的編程思想及組件，通過虛擬儀器開發(fā)，可加強學(xué)生對專業(yè)知識的掌握。二是開放實驗。以軟件即儀器為核心，完善實驗手段，扭轉(zhuǎn)了實驗設(shè)備和場地的局限，使得實驗在時間和空間上得到了有效的延伸，變成真正的開放實驗室。三是比賽能力。有了平臺的建設(shè)，我們就能靈活地設(shè)計實驗課程，學(xué)生從中能夠獲得與實際硬件類似的動手體驗，可將編程能力運用到各種電類、控制類的比賽中。四是本科教學(xué)。通過虛擬儀器的開發(fā)，逐步將開發(fā)過程變成工程案例，融入職業(yè)本科教學(xué)中，讓學(xué)生參與其中，拓寬實踐教學(xué)思路，鍛煉提升學(xué)生技能。

3.3? 提升教師信息化教學(xué)能力

緊貼數(shù)字教育主題，融入數(shù)字變革與教育未來，通過仿真實驗平臺的開發(fā)，能有效提升專業(yè)教師信息化教學(xué)科研能力，使得教學(xué)實踐更加多維化，以更好地適應(yīng)優(yōu)質(zhì)教育改革和創(chuàng)新，推動數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)教育的融合發(fā)展。

4? 后期可計劃發(fā)展方向

后期可延展工作主要包括兩個方面：一是開發(fā)適合職業(yè)本科的虛擬實驗室。結(jié)合職業(yè)本科所學(xué)專業(yè)課，綜合LabVIEW、Python等課程，建立適合職業(yè)本科教學(xué)科研的虛擬實驗室。二是設(shè)計和實現(xiàn)更多實驗?zāi)K。覆蓋更多的知識點和概念，形成完整的虛擬實驗系統(tǒng)，全面配合傳統(tǒng)實驗教學(xué)。

5? 結(jié)? 論

相比單一使用傳統(tǒng)實驗室的教學(xué)模式和局限性，開展“信息技術(shù)+線上實驗教學(xué)”改革，基于LabVIEW軟件設(shè)計的電子技術(shù)實驗虛擬仿真平臺，能夠更好地完善實驗室使用手段，降低實驗室建設(shè)成本。通過虛擬平臺開發(fā)并進行教育教學(xué)改革，在提升學(xué)生電子技術(shù)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣，加強學(xué)生實驗動手能力以及培養(yǎng)學(xué)生計算機編程思維等方面都起到了較好的促進作用。

參考文獻：

[1] 王福增.虛擬化技術(shù)在計算機實驗教學(xué)中的應(yīng)用 [J].電子技術(shù)，2022，51（10）：58-59.

[2] 朱艷芹.虛擬儀器在電子技術(shù)試驗中的有效運用 [J].無線互聯(lián)科技，2021，18（23）：82-83.

[3] 張倩，呂宵宵，張志萍，等.結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的數(shù)電課程教學(xué)研究 [J].計算機時代，2021（11）：107-110.

[4] 林智慧.虛擬儀器在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用 [J].電子制作，2020（Z1）：92-93+36.

[5] 李薇.虛擬仿真技術(shù)在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（28）：48-49.

[6] 滕沖.虛擬仿真任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式在中職教學(xué)中的應(yīng)用研究—以《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程為例 [D].石家莊：河北師范大學(xué)，2022.

[7] 張素婷.虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].集成電路應(yīng)用，2021，38（8）：174-175.

作者簡介：翟逸飛（1983—），男，漢族，甘肅蘭州人，副教授，研究生，研究方向：智能控制的教學(xué)和研究。