虚拟仪器技术在电子与通信专业教学中的应用

刘海陵 徐志国 陈正宇

摘要：虚拟仪器技术目前广泛应用于测量与控制领域的工程应用之中。同时，该项技术也可以作为一种有效的教学工具来提高电子与通信类专业教学质量，激发学生的创新精神，提高动手能力和工程经验，加深他们对于所学课程的理解。本文介绍了虚拟仪器技术对于金陵科技学院电子与通信类专业教学的作用与意义。

关键词：虚拟仪器；电子；通信

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）01-0218-02

一、虚拟仪器技术简介

虚拟仪器（Virtual Instruments，简称VI）的概念，最早是由美国国家仪器公司（National Instruments Corp. 简称NI）于1986年提出来的，其基本原理是以计算机为硬件平台，使原来需要硬件实现的各种仪器功能尽可能地软件化，利用高效灵活的软件控制高性能的硬件来完成各种测试、测量和自动化的应用，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。用形象语言来概括虚拟仪器的原理，即“软件就是仪器”[1]。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

（一）虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业的背景

电子与通信类专业在金陵科技学院工程类专业中占有重要的地位，对我校应用型本科专业的建设具有示范作用。然而，在这两个工程类专业的教学中长期存在一些问题，具体表现为：

1.重视理论知识的学习，轻视动手能力和实践环节的培养，学生动手能力差，工程实践经验明显不足，而这些问题又反过来弱化学生对于理论知识的理解，最终导致学生对所学专业缺乏兴趣与信心[2]。

2.从未或很少将真实的物理信号引入课堂教学中，导致教学过程理论脱离实际，学生对于本专业的理论知识和应用场景缺乏真实的、直观的认识。

3.理论学习环节与实践实习环节相脱离，实践实习环节往往安排在理论学习结束之后，间隔时间较长，学生无法及时对所学知识进行巩固与提高，导致实践实习环节效果不理想[3]。本文将介绍虚拟仪器技术在电子与通信类专业教学中的应用，帮助学生将理论学习、工程实践和创新能力结合起来，提高学生在工程实践中获取知识的能力、综合分析的能力、解决问题的能力和实践创新的能力，从而突出我校应用型本科教学的特点。

（二）虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业教学中的指导思想

电子与通信类专业的特点是工程实践性强，对学生的动手能力和动手意愿要求较高。这一特点就决定了实践对于专业学习至关重要的作用[4]。所以，虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业的教学也主要体现在对于工程实践教学环节的意义，其指导思想如下：

1.在工程导论环节，对于刚入学的大一新生，让他们接触各种基于虚拟仪器技术的综合电子系统，如基础机器人系统，传感器与驱动器器系统、人机交互系统等，介绍其中的软硬件知识和技术，增加学生对于所学专业的兴趣和信心。

2.在专业课的理论学习环节，教师努力将真实的物理信号引入课堂，如传感器信号、调理信号、AD/DA信号，模拟通信信号、数字通信信号、调制域信号等。真实信号的引入可以增加学生理论联系实际的能力，提高其自主学习的兴趣和动力。

3.发挥虚拟仪器作为“口袋实验室”的作用，鼓励学生将真实的信号带回宿舍。宿舍是学生课余活动主要的场所，如果学生能将宿舍时间有效地利用起来进行专业实践和创新，无疑将对提高学生专业能力产生极大的帮助。

（三）虚拟仪器技术创新教学案例

我们将介绍几个在教学中使用虚拟仪器进行教学创新的案例，来阐述使用虚拟仪器技术的特点。

1.共基极放大电路的教学。共基极电路是一类重要的基本放大电路，如何让学生掌握电路特征并计算电路参数，如发射极电流、集电极电流、电压增益、输入/输出电阻等，一直是教学中的重点。我们在教学中是采用基于虚拟仪器技术的仿真结果和真实电路结果相比较的方法。

电路仿真采用NI Multisim，该软件主要是为工程师提供先进的电路分析和设计能力。图1为共基极放大电路在Multisim中的仿真。

可以使用Multisim提供的万用表测量仿真结果中的电压和电流。并可以很方便的在软件中修改电路参数进行重复实验，得出不同工作状态下电路的参数。

不同于传统的电路仿真，我们在NI Elvis面包板上搭建上图所示的电路原理图，如图2。利用NI Elvis自带的数字万用表DMM对电路参数进行测量，对于交流信号，可使用Elvis自带的示波器对波形进行测量。

将NI Elvis的测量结果和软件仿真结果进行比较，可以加深学生对于电路基本特征和参数的认识。同时，NI Elvis设备可以很方便的在课堂教学中进行演示，可以起到很好的教学效果。

2.无线通信系统教学。射频和无线通信课程的教学长期以来都基于数学公式的推导和仿真来进行的，学生在课堂上很少能接触到真实的通信信号，并且教学的过程中也是分模块进行教学，学生几乎没有设计整条通信链路的机会。在教学中，我们采用NI Universal software radio peripheral（USRP）和Labview则可以很好的克服上述问题。利用USRP和Labview，学生可以很轻松的进行诸如信道编码、信号调制、随机码元产生、信号均衡等现代通信技术。最终学生可以完成从发射机到接收机中间完整的通信链路，这在传统的射频和无线通信课程中是很难完成的。利用USRP，可以很轻易地在课堂上演示一个完整的数字通信系统，学生能够看见一个数字调制域信号，能够看见真实的850MHz GSM信号上行链路，可以分析真实信号的频谱。甚至可以组建一个FM广播信号发射和接收台，见图3。

二、结语

虚拟仪器技术结合统一的软件平台加上模块化的硬件平台，使理论学习和实践操作能力得以有效结合，使学生能够实现自行设计实验及实际动手操作，加深其对理论专业知识的理解，促进其对现场专业知识的了解，增强其对专业知识的感性认识，同时提高其实际动手操作能力，培养其创新能力。

参考文献：

[1]朱岩，余愚.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备.2008，（6）：12-14

[2]朱敏，张际平，潘侃凯.虚拟仪器技术及其教学应用[J].中国电化教育，2006，（4）：96-98

[3]荣雅君，刘琳，高广峰，赵朋.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报.2009，21（1）：78-82

[4]姜海波.虚拟仪器技术在高校教学中的应用[J].中国现代教育装备.2010（15）：53-54