梁蓓 王鑫 蔣平 余軍

摘要：教師在模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中配合教學(xué)內(nèi)容使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行演示，可將抽象的電路設(shè)計(jì)及分析結(jié)果通過虛擬測試儀器直觀地表現(xiàn)出來，有利于提高教學(xué)效率及教學(xué)效果。學(xué)生在課后可通過網(wǎng)絡(luò)利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自主安排實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)或進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，能有效地利用時(shí)間及空間。在教學(xué)中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還能使學(xué)生盡早接觸并熟悉電子虛擬設(shè)計(jì)仿真工具，為今后從事電路設(shè)計(jì)工作打下一定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);電路設(shè)計(jì)虛擬仿真;模擬電子技術(shù)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）19-0265-03

一、引言

貴州大學(xué)科技學(xué)院是一所獨(dú)立學(xué)院，以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才為主，因此對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)成為了學(xué)校教學(xué)的重點(diǎn)。對理工科學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐能力培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)[1]。貴州大學(xué)科技學(xué)院工學(xué)部現(xiàn)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程五個專業(yè)，模擬電子技術(shù)課程是這些專業(yè)均需開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。模擬電子技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式為：課堂教學(xué)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前在學(xué)時(shí)安排上，課堂教學(xué)為72學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)18學(xué)時(shí)。通常實(shí)驗(yàn)教學(xué)配合理論教學(xué)進(jìn)度適時(shí)開展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用實(shí)體器材及設(shè)備。由于實(shí)體實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)用房及設(shè)備和器材等資源方面的限制，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只能開設(shè)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

在課堂教學(xué)中，教師往往按照傳統(tǒng)方式上課，面對電路圖抽象地講解并分析電路構(gòu)成原理以及改變元器件參數(shù)后對電路帶來的影響，學(xué)生不能直觀了解電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，所以對電路的理解出現(xiàn)困難，尤其對基礎(chǔ)較差的學(xué)生來說更是難于接受教學(xué)內(nèi)容，以至于逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致在后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中出現(xiàn)了學(xué)習(xí)障礙。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，高校在課堂教學(xué)中大多已使用了多媒體設(shè)備，教師若能在課堂上將教學(xué)內(nèi)容與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用多媒體設(shè)備在課堂上用虛擬實(shí)驗(yàn)演示部分教學(xué)內(nèi)容，一方面可使學(xué)生比較直觀理解課堂教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的;另一方面，學(xué)生通過教師的虛擬實(shí)驗(yàn)演示，可盡早認(rèn)知各種實(shí)驗(yàn)元器件及實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備的使用方法，為下一步進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室順利完成實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

二、模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)方式往往受實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材以及經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)不會太多，學(xué)生在設(shè)備使用上通常是2人一組，使得動手能力的訓(xùn)練力度不夠。另外，由于面向課程教學(xué)所需的實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容事先設(shè)計(jì)好的，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材的購置往往也是按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需求來采購，一般僅能滿足課程教學(xué)的基本需求。學(xué)生如想在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，受限于實(shí)驗(yàn)安全（包括設(shè)備安全和人員安全）和器材資源的限制，多數(shù)不能實(shí)現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟件仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)也在快速地發(fā)展起來。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的環(huán)境，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，儀器和元件不存在損壞，所有資源可以共享并且不受時(shí)空限制[2]。因此越來越多的高校開始使用電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)來作為對實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及輔助。

（一）模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

科技學(xué)院模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)B/S架構(gòu)，是一個開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生可通過校園網(wǎng)絡(luò)登錄，在自己的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)以及設(shè)計(jì)等虛擬實(shí)驗(yàn)操作。該系統(tǒng)能模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該系統(tǒng)目前提供了十三大類136種實(shí)驗(yàn)器材模型，能基本滿足實(shí)驗(yàn)需求。

例如，對圖1的分壓式自偏壓偏置電路，用虛擬模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建的仿真電路模型如圖2所示。虛擬實(shí)驗(yàn)電路由虛擬直流穩(wěn)壓電壓提供12V工作電壓，由虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號，通過虛擬示波器觀察輸出波形。虛擬雙蹤示波器不僅可以觀察輸出與輸入的相位關(guān)系、觀察輸出是否有失真，還可以計(jì)算電壓放大倍數(shù)等放大電路相應(yīng)的指標(biāo)。由于電路中的元器件參數(shù)值可以用虛擬器件靈活變換，因此可以通過隨時(shí)改變元器件的參數(shù)值來觀察電路的輸出。

目前虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了面向課程教學(xué)開發(fā)的系統(tǒng)外，還有多種面向工程設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)，如Proteus，Altium Designer，Muhisim等，這些系統(tǒng)的應(yīng)用工具以及元器件庫與面向課程教學(xué)的系統(tǒng)相比較，更加強(qiáng)大和豐富。教師還可以充分利用這些軟件引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和了解電子設(shè)計(jì)仿真工具的使用，為畢業(yè)后進(jìn)入職場成為電子設(shè)計(jì)工程師打下一定的基礎(chǔ)。

（二）應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提高實(shí)驗(yàn)效率增強(qiáng)創(chuàng)新意識

引入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，學(xué)生將不再受時(shí)間、空間以及設(shè)備和耗材的限制。學(xué)生可在任意時(shí)間通過校園網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，除完成教學(xué)項(xiàng)目給定的實(shí)驗(yàn)外，還可在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自行組裝實(shí)驗(yàn)電路，并通過虛擬實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備來驗(yàn)證自己所設(shè)計(jì)電路的正確性。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中一方面能有效利用自己的空余時(shí)間自主實(shí)驗(yàn);另一方面可不受實(shí)體器材和設(shè)備的限制自主搭建實(shí)驗(yàn)電路，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及創(chuàng)新意識。例如，在電子類課外科技活動以及學(xué)科競賽中，工學(xué)部學(xué)生應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)仿真工具設(shè)計(jì)電子電路，充分利用了虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)來靈活構(gòu)建電路，在虛擬系統(tǒng)下其設(shè)計(jì)效果可通過虛擬測試設(shè)備實(shí)時(shí)反映出來。學(xué)生們在所設(shè)計(jì)的電路通過仿真驗(yàn)證后再搭建實(shí)際運(yùn)行的實(shí)體電路，并對實(shí)體電路進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。這樣做既可以極大地提高電路的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也節(jié)約了器材費(fèi)用。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)是實(shí)體實(shí)驗(yàn)的重要輔助

應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可在自己方便的任意時(shí)間了解設(shè)備以及元器件的特性，在進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室后能盡快進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作狀態(tài)[3]。在傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在設(shè)備及元器件的使用講解上需要花費(fèi)大量的時(shí)間，但學(xué)生還是覺得記憶困難，實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作起來難度較大，所以在有限的實(shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，教學(xué)效果受到了一定的影響。

在有了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之后，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作以及元器件特性，并在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)操作。這樣，在進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室面對真實(shí)的設(shè)備及儀器時(shí)可以迅速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很多實(shí)體實(shí)驗(yàn)室不具備的優(yōu)勢，但虛擬實(shí)驗(yàn)在設(shè)備、儀器以及使用的元器件上與實(shí)體實(shí)驗(yàn)有一定的差距，所以在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成的電路設(shè)計(jì)以及電路的測試結(jié)果僅能作為參考。隨著虛擬系統(tǒng)軟件開發(fā)的進(jìn)步，虛擬系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)兩者之間的誤差會越來越小，但畢竟存在著誤差，因此虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也只能作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和輔助，不能因此而放棄實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

三、在教學(xué)中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

借助多媒體設(shè)備，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)中，使學(xué)生直觀理解教學(xué)內(nèi)容。例如，在“基本供射放大電路組成”的教學(xué)中，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法是由教師畫出不同的波形圖與電路對應(yīng)，然后解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象，學(xué)生只能自己去領(lǐng)悟。對于電路中不同元件參數(shù)變化對電路的影響也只是通過理論計(jì)算后告知學(xué)生可能會出現(xiàn)的現(xiàn)象。引入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，我們可以首先搭建一個僅有放大管構(gòu)成的基本電路，輸入正弦信號，在輸出端利用虛擬示波器觀察輸出波形，一方面理解放大管的非線性失真概念，另一方面認(rèn)識到解決失真需要對放大管添加直流電壓，從而構(gòu)成放大電路的靜態(tài)偏置。在介紹放大電路的組成部分時(shí)，可以應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)演示集電極電阻的作用;演示基極偏置電阻大小的選擇對放大電路飽和失真的影響。學(xué)生通過由實(shí)時(shí)參數(shù)改變所顯示出來的電路輸出現(xiàn)象，很容易就能理解放大電路為什么必須有靜態(tài)偏置，以及靜態(tài)偏置的合適與否對放大電路產(chǎn)生的影響。

在模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)中，三種不同組態(tài)的放大電路之間特點(diǎn)的比較、多級放大電路中零點(diǎn)漂移現(xiàn)象、差動放大電路工作特點(diǎn)、放大電路的頻率響應(yīng)、濾波電路等是教學(xué)中的難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式中，我們感到很難讓學(xué)生理解一些問題及現(xiàn)象。將模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)后，學(xué)生可以通過教師搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)電路，通過虛擬測試儀器的顯示直觀了解電路出現(xiàn)的問題及現(xiàn)象。

可以說虛擬實(shí)驗(yàn)的引入能很好地解決教學(xué)中因?yàn)椤俺橄蟆倍焕趯W(xué)習(xí)的難題，因?yàn)殡娐分谐霈F(xiàn)的現(xiàn)象可以直觀地從虛擬測試儀器中觀察到。所以在教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

（二）應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提高學(xué)生動手能力

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的元器件提供了豐富的資源，學(xué)生可以利用這些資源自主搭建電路并通過虛擬測試設(shè)備進(jìn)行電路驗(yàn)證，從而評判設(shè)計(jì)是否正確。在課程進(jìn)入到后期綜合性環(huán)節(jié)的教學(xué)中，教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，達(dá)到提高學(xué)生動手能力的教學(xué)目的。

例如，“直流穩(wěn)壓電源”是一個與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系的課題，是綜合性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。教師在講授了基本內(nèi)容之后，可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，自主設(shè)計(jì)一個直流穩(wěn)壓電源。由教師給出設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，學(xué)生課后動手設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，可以通過虛擬儀器進(jìn)行測試。教師組織學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的電路在課堂上進(jìn)行演示，并闡述設(shè)計(jì)思路，由教師進(jìn)行點(diǎn)評。這樣，學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺不僅強(qiáng)化了動手能力，同時(shí)也增強(qiáng)了自主創(chuàng)新意識。

四、結(jié)語

虛擬設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)作為現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用的一個重要手段，貫穿到幾乎所有的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，掌握虛擬設(shè)計(jì)仿真工具的使用是電子設(shè)計(jì)工程師必備的技能之一。而模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為電子設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)家族的一員，已越來越多地應(yīng)用在高校教學(xué)中，成為了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的重要輔助教學(xué)手段。

充分應(yīng)用模擬電子技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)不僅使學(xué)生能盡早接觸到電子設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)，還可以有效提高實(shí)驗(yàn)效率、增強(qiáng)動手能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，最終實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

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