王　蓉

[摘要]電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不受時(shí)間及空間的限制，學(xué)生可以自主地完成實(shí)驗(yàn)，以便于鞏固理論學(xué)習(xí)成果，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

[關(guān)鍵詞]電路多媒體技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)直流電路正弦交流電路

中圖分類號(hào)：TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0620027-01

電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是課堂教學(xué)的重要組成部分，是學(xué)生鞏固電路理論知識(shí)的主要手段。虛擬電路實(shí)驗(yàn)就是結(jié)合電路的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，其中Multisim軟件是比較常見的仿真實(shí)驗(yàn)工具。構(gòu)建“電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，成功實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生在逼真的多媒體“虛擬場景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，并即時(shí)得到仿真結(jié)果，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，最終生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)就各單元內(nèi)容分別設(shè)計(jì)若干典型的實(shí)驗(yàn)題目，并提供一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也可以進(jìn)行其他相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)。其結(jié)構(gòu)包括5個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖1所示。其中，“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”充分利用多媒體技術(shù)介紹與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)，例如，基本原理、注意事項(xiàng)以及實(shí)驗(yàn)中所用到的相關(guān)儀器的功能及使用方法等：“實(shí)驗(yàn)原理”詳細(xì)介紹該實(shí)驗(yàn)的電路連接和工作原理等：“實(shí)驗(yàn)步驟”包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)操作的具體步驟：“仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”就是一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，虛擬了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，元件及儀器都是以實(shí)物形式重現(xiàn)的；“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”能自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程，繪制各種圖表，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。最終生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)首先建立相應(yīng)的虛擬模型，然后按照一定的規(guī)律用計(jì)算機(jī)程序語言模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，并根據(jù)大量模擬結(jié)果對(duì)系統(tǒng)或過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)是利用一定的工具實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大增加實(shí)驗(yàn)的自由度和靈活性。

(一)實(shí)驗(yàn)仿真腳本的建立

系統(tǒng)的腳本決定了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和完成實(shí)驗(yàn)的大概模樣。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)首先解決該實(shí)驗(yàn)是“做什么”的問題。這就要求教學(xué)人員不僅要對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)做系統(tǒng)深入的研究，掌握課程的特點(diǎn)，劃分知識(shí)點(diǎn)，并充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。除了考慮實(shí)驗(yàn)的主題外，還必須盡可能利用多媒體效果提高實(shí)驗(yàn)的活潑性和趣味性，使學(xué)生在愉悅的氣氛中掌握知識(shí)。腳本規(guī)劃如下：

1提取知識(shí)點(diǎn)，分析各點(diǎn)之間的聯(lián)系，并建立相應(yīng)的模型：2確定界面的形式；3確定程序系統(tǒng)。

(二)虛擬模型的建立

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆绞浇?。以直、交流電路?shí)驗(yàn)為例，面向?qū)ο蟮慕Ｒ话銖囊韵?個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述。

1系統(tǒng)的組成部分。它是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體，包括：物理對(duì)象：實(shí)驗(yàn)電路以及各種測量儀器等；數(shù)學(xué)對(duì)象：產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)集、電路功能分析：人機(jī)界面對(duì)象：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、顯示結(jié)果的電壓、電流及波形。2，描述變量。它是系統(tǒng)各實(shí)體的屬性，例如，實(shí)驗(yàn)電路各組成部分的電氣性能描述及其取值范圍。3，參數(shù)。它也是系統(tǒng)屬性，不過這種屬性不隨仿真的進(jìn)行而發(fā)生變化。包括取值范圍、符號(hào)及其作用，例如：反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電壓、電流等。4，相互關(guān)系。相互關(guān)系規(guī)定各種不同變量問是如何相互關(guān)聯(lián)的，用數(shù)學(xué)或邏輯語言來描述。可通過傳遞消息建立。反映若干對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作關(guān)系。

(三)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作是用編程來實(shí)現(xiàn)的，包括各種顏色導(dǎo)線的連接、元件的取放和插拔、開關(guān)和按鈕的操作等。可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，使用系統(tǒng)提供的各種元件、芯片和儀器儀表等，任意搭接連線。大多數(shù)電路都可在其上完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象利用“虛擬儀器”，如萬用表、示波器等進(jìn)行檢測和觀察，實(shí)驗(yàn)操作及過程與實(shí)際的感受幾乎相同。

(四)系統(tǒng)的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目的：一是利用多媒體技術(shù)最大限度地虛擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的場景，包括實(shí)驗(yàn)儀器、元器件等，并提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作方法相類似的實(shí)踐體驗(yàn)：二是運(yùn)用仿真技術(shù)建立相應(yīng)的模型，能準(zhǔn)確地給出任意搭接電路的現(xiàn)象和結(jié)果。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1在一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)上即可完成電路的電氣連接及電氣性能的檢測，例如，顯示檢測點(diǎn)的電壓、電流波形，即時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果；2，評(píng)估元器件參數(shù)變化(包括故障)對(duì)電路造成的影響。分析一些較難測量的電路特性，如噪聲、頻譜、溫漂等；3，可以在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)里快速完成較復(fù)雜的電路連接、測試工作；4，易實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的量化評(píng)估。

三、應(yīng)用舉例：虎擬實(shí)驗(yàn)仿真的步驟

一般電路的頻域綜合設(shè)計(jì)的完整過程是：網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的逼近，電路的綜合實(shí)現(xiàn)和頻響特性的分析等三部分內(nèi)容。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來說。這三個(gè)內(nèi)容都涉及大量而繁雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。人工手算方法實(shí)際上對(duì)此無能為力，而且容易出錯(cuò)，因此只能借助電子計(jì)算機(jī)這個(gè)現(xiàn)代手段。計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)是利用虛擬測量儀器、實(shí)時(shí)交互控制元件和多種受控信號(hào)源模型，除了可以給出以數(shù)值和曲線表示的分析結(jié)果外，還可以用類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)的環(huán)境和交互操作方法，由使用者控制分析過程，隨時(shí)改變電路參數(shù)，用虛擬儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示電路的變量值和波形。虛擬實(shí)驗(yàn)仿真的步驟為：

1 輸入原理圖，即在工作區(qū)放置元件的原理圖符號(hào)，聯(lián)接導(dǎo)線，設(shè)置元件參數(shù)：2 放置和聯(lián)接測量儀器，設(shè)置測量儀器參數(shù)：3 啟動(dòng)仿真開關(guān)，在儀器上讀取仿真結(jié)果

四、結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，目前僅僅涉及簡單數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，還有許多理論和技術(shù)問題有待進(jìn)一步的探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實(shí)驗(yàn)是不可能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的。實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中的元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的。這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的真切感受和創(chuàng)造性思維是至關(guān)重要的，必須給予足夠的重視。