虚拟仿真软件在电子类实验教学中的应用

高丽琴 姬五胜 段扬

摘 要：教学活动中，传统的实验教学存在时空限制、设备资源短缺等问题，已不能满足当下实验教学要求。随着教育信息化的进一步深化，虚拟实验教学发展势头日益强劲，成为传统实验教学的有力补充。文中通过实例展现三种仿真软件在电子类实验教学中的具体应用，并针对虚拟仿真实验教学的必要性和开展情况，提出教学资源优化和实验设计方法。

关键词：虚拟仿真;电子类实验;软件;资源优化;教学设计;教育信息化

中图分类号：TP391.9;G642.0文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-0-02

0 引 言

受传统条件影响，实验教学始终存在着诸多问题，如场地不足、人员配备有限、资金和仪器设备短缺等，这些问题不利于学生实验能力的培养。为响应国家教育信息化发展要求，改善实验教学条件，增强实验教学效果，将虚拟仿真引入电子类课程实验已成为一种趋势[1]。

国内外众多虚拟实验教学大体可分两类[2-3]：一类是直接操作远程实验设备的虚拟教学，通过计算机网络代替部分实际活动来克服实验设备和实践的局限;另一类是纯软件仿真形式的虚拟教学实验，即网络化虚拟教学实验。这种完全虚拟化的实验操作，跳过真实的实验设备，直接操作虚拟器件。本文围绕虚拟仿真软件展开，结合实例展现虚拟仿真在电子类实验教学中的应用情况。

1 虚拟仿真实验教学的优势

随着信息技术的快速发展，虚拟仿真实验教学不仅能复现真实实验，还能克服传统实验的制约和弊端，在一定程度上代替传统实验教学。一方面，虚拟实验教学充分考虑了新世纪人才培养模式的需要，有利于加强学生的动手能力和创新能力。另一方面，其能够帮助院校走出实验教学资源严重短缺和分布不均的困境，共享优质教学资源，优化教育教学质量，激发学生科学研究兴趣[4]。

2 虚拟仿真与电子类课程实验的结合

虚拟仿真在电子类实验中包括虚拟仪器和软件仿真。虚拟仪器以“软件即是仪器”为核心，利用计算机显示器显示功能来模拟传统仪器的控制面板，并输出检测结果[5]。软件仿真则是在软件中完成电路搭建，借助软件功能模拟电路环境及运行过程，替代真实实验并获得与其一样的效果。常用的电子仿真软件有Multisim，LabVIEW，HFSS及Proteus等。

虚拟仿真技术的特点是虚实结合，软件仿真的验证性和探究性在学生对知识点的理解、掌握、动手实践、创新能力的培养等方面意义重大。下面以电子技术仿真、电磁场与微波技术、数字信号处理等相关实验教学为例介绍虚拟软件仿真的应用。

2.1 555定时器的虚拟仿真

555定时器是一种多用途的中规模集成电路器件，在脉冲产生和变换等技术领域有着广泛的应用。其中，由其构成的施密特触发器具有波形转换、整形、幅度鉴别的作用[6]。下面以此觸发器为例，利用Multisim 软件进行模拟实验仿真，施密特触发器的仿真电路如图1所示。

仿真测试时，电路的输入信号为正弦信号，示波器XSC1检测输入、输出波形，得到施密特触发器的仿真结果，如图2所示。

显然，从波形上可以清楚地观察到，施密特触发器可用于将模拟信号波形转换成矩形波，通过Multisim仿真，可清晰有效地验证施密特触发器的这一重要功能。

2.2 带通滤波器的仿真技术实验

微波技术中各器件的制作要求较高的精确性，制作工艺复杂，如果误差较大，会造成不必要的浪费，因此应用HFSS软件对即将投入生产的器件提前进行仿真，得到最佳数据，使器件性能达到最优。在实验教学中，借助HFSS软件，建立3D仿真模型，加深学生对微波器件的理解，增强教学效果[7]。

在三维模型窗口画出滤波器模型，对模型进行端口、激励、边界条件、求解及扫频等参数设置后，运行仿真。HFSS仿真界面如图3所示。

S参数结果如图4所示。在4.15 GHz处产生了通带，回波损耗S11达到-30 dB，插入损耗S21在-2 dB，完全满足滤波器的设计要求。

2.3 数字滤波器的LabVIEW仿真分析

LabVIEW是一种由图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，可使用程序流程图便捷地创建出自己的虚拟仪器，可视化效果较好。

数字滤波器部分内容抽象，涉及的数学公式较多，信号分析结果缺乏可视化的直观表现[8]。学生不易将数学函数和最终波形联系起来，也难以理解所得结果与信号处理中的实际应用关系。数字滤波器除利用硬件电路实现外，还可借助计算机及软件编程来实现。因此，利用LabVIEW模拟滤波器可从一定程度上解决这一难题。

利用LabVIEW设计的巴特沃斯低通数字滤波器程序框图，通过前面板窗口，可清晰地显示滤波前后的波形变化情况。数字滤波器程序框图如图5所示。左边的示波器窗口显示了两个频率分别为1 Hz和35 Hz幅值为1 V的正弦波的叠加结果，右边的示波器窗口显示了经过低通滤波后的信号。能明显看出，高频信号的幅值被极大的缩减，显露出1 Hz低频信号的波形，滤波效果显著。滤波信号如图6所示。

3 教学资源优化和实验教学设计

3.1 优化虚拟仿真教学资源

大部分实验教学都需要软件参与，学校可依据软件市场的发展适时购买以更新软件存量，或者与拥有专业技术和团队的软件设计公司合作，共同完成虚拟实验教学资源的开发;对于建设难度较小且学校具备相关技术条件时，要充分调动师生的创新精神和主观能动性，鼓励其积极参与到资源拓展中来，逐渐形成“以教师为主导，学生为主创”的资源创建模式[9]。

3.2 虚拟仿真实验教学设计

虚拟实验教学可采用任务驱动法，将教师、学生、任务三者联系在一起，遵从“以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体”的原则[10-11]，设计切实可行的实验教学方案。确定实验时，首先要参考传统实验教学，确定虚拟实验的目的和任务，其次在综合考虑传统实验教学步骤和虚拟实验技术后，选择最能体现本实验目的的仿真软件，并制定好实验流程。最后要及时做好学习反馈，设计合理的实验报告形式，制定实验批改规则，通过实验评分机制完善实验内容。

4 结 语

用虚拟仿真实验辅助教学是现代教育技术的发展要求，分析和总结虚拟仿真实验教学的建设理念、发展应用和实践方法，能够有效推进教育教学信息化建设。将虚拟仿真引入到电子类课程的教学，设计合理有效的虚拟实验教学更有助于验证理论，增强学生电路设计能力，加深理论方法的深刻理解，提高产品设计效率，降低实验成本，加快实验教学改革的步伐，为实验室的开放提供了可能。

参 考 文 献

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[5]岳明道，郭焕银，唐永刚.仿真软件在电类课程教学中的应用[J].宿州学院学报，2007，22（6）：156-158.

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[11]岳峰丽，蔡玲，张昕，等.关于虚拟仿真实验教学的一些思考[J].中国教育技术装备，2015（22）：149-150.