虚拟仿真技术在高校电子技术实验教学中的应用

纵榜峰

【摘 要】 电子技术实验是培养学生实践和创新能力的重要平台，但传统的实验教学模式和教学方法在时间和内容上有很大的局限性，无法适应新的教学和学习需求。科技的发展为实验教学提供了很多新的手段和方法，虚拟仿真技术就是其中一种重要的方法。运用计算机网络技术和LabVIEW、Multisim等常见软件设计电子技术虚拟仿真实验系统，搭建虚拟仿真实验网络平台，在电子实验教学中引入虚拟仿真实验，能有效拓展实验教学的时间、空间和内容，是传统实验教学的很好补充。

【关键词】 虚拟仿真技术;电子技术实验;实验教学

【中图分类号】 TP39 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）01-0062-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

电子技术实验是电类专业必修的一门基础课程，是培养学生实践和创新能力的重要平台。从教学内容看，它分为模拟电子技术实验和数字电子技术实验两大部分，主要通过传统的实验教学模式和教学方法进行，学生在固定的电子技术实验箱上完成既定的实验操作，综合性实验和设计性实验相对较少，实验教学的时间和内容都受到很大限制，开放程度不够，阻碍了学生的探索欲望和创新能力的培养。科技的发展为实验提供了很多新的方法，在如今的互联网信息时代，学生的学习方式、方法也在悄然发生变化，高校电子技术实验教学也面临很多新的机会与挑战，仅仅依靠传统的课堂实验教学模式已无法满足教学要求和学生学习的需求。我们需要一个丰富的多元教学模式来适应新的教学需要。如何合理利用先进的计算机技术、丰富的多媒体和网络资源构建一种全新的实验教学模式，是高校实验教学需要面对的新课题。而虚拟仿真实验恰恰可以作为传统实验教学的一个很好补充。

一、虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术这一名词是由美国VPL公司创建人之一杰伦·拉尼尔在上世纪80年代初提出的，通过不断发展和完善被认为是继数学推理和科学实验之后，人类所掌握的第三种认识自然界客观规律的基本方法。

虚拟仿真实验是利用虚拟现实、多媒体、仿真及网络等技术，与计算机编程软件技术相结合，在真实实验的基础上构建一个与真实实验环境和条件极为相似的虚拟仿真实验环境，模拟真实实验中的实验环境、实验仪器和实验过程，学习者通过计算机等外部设备进行操作，与虚拟环境中的研究对象进行互动，产生出身临其境的感受与体验，从而达到一定的教学和学习目的。仿真实验虽然是虚拟的，但使用者在仿真实验过程中能够从视觉、听觉、触觉等多种感觉方面感受到实验的真实效果，会得到犹如真实实验中一样的反馈，实验者可以根据自己的学习需要进行自主的设计、验证实验，还可以对实验仪器进行任意操作而不会造成危险的后果，为学生创新能力的培养提供了一个很好的平台。另外，由于仿真实验是利用计算机建立起来的，因此可以直接利用计算机对实验数据进行分析处理，直接展示实验数据结果，还可以搭建虚拟仿真实验网络平台，利用网络实现资源共享。

二、虚拟仿真实验的优势

（一）实验成本低，有利于实验教学的时间、空间和内容的扩展

虚拟仿真实验相比传统实验的最大好处就是成本低，一次性投入，后期没有元器件及实验仪器的损耗。尤其是电子技术实验，学生的不当操作导致元器件和仪器损坏的情况经常发生，管理过于严苛又会限制同学们的操作欲望和创造能力。虚拟仿真实验不存在这个问题，学生完全可以按照自己的想法去操作，大大增强了学生的实验欲望和创造力。另外，传统的实验学生只能到实验室才能完成，采用虚拟仿真实验，学生可以在任何时间任何地点通过计算机和网络登录虚拟仿真实验平台或装有虚拟仿真软件的单机完成实验，大大扩展了实验教学的时间、空间和内容，对整个实验教学起到了很好的辅助作用。

（二）有利于理论联系实际，激发学生兴趣，增强学生的实践操作能力

目前，虚拟仿真实验已经可以做到从感官到功能和实际很接近，能够将整个实验以直观和形象的形式展示给学生，学生在虚拟仿真实验平台进行实验，从心理上能得到放松，敢于尝试自己的想法，能够实现“虚实结合”，既加深了对理论知识的理解又锻炼了实验操作能力、激发了学习的兴趣。尤其对于一些复杂的实验内容，学生前期如果在虚拟仿真平台进行了解和练习，在实际的实验过程中就会很熟练，而不会感到完全陌生，降低了误操作的几率。

三、电子技术实验中常用的虚拟仿真技术

虚拟仿真技术应用于电子技术实验一般采用两种技术方法，一种是虚拟仪器，一种是仿真电路。

（一）虚拟仪器和LabVIEW

虚拟仪器是美国国家仪器公司（National Instruments Corp，NI）1986年推出的将现代计算机技术、设计软件技术和高性能模块化硬件相结合而建立的功能强大又灵活易变的仪器概念。LabVIEW是NI公司基于计算机测量和自动化而推出的一种功能强大的图形化编程的工程软件，其核心思想是“软件就是仪器”即通过软件实现仪器的功能，是目前用来开发虚拟仪器的一种较为方便快捷的工具，它提供了丰富的逻辑量，具有直观、形象、生动的特点。在虚拟仪器系统中，软件成为了整个系统的关键，仪器的面板是利用LabVIEW编写的，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出和调理，虚拟仪器系统的功能和规模的改变是通过修改软件来实现的。利用虚拟的仪器面板，结合各种数据采集设备和硬件仿真平台搭建不同的仿真系统，就可以实现和实际的仪器同样的功能。

数字逻辑电路中的两种逻辑状态（1和0）正好和LabVIEW提供的逻辑量真值（True）和假值（False）相吻合，同时LabVIEW在控件选板的Boolean子选板中提供了布尔型数据和强大的逻辑运算符，而且LabVIEW程序具有生动的交互界面、良好的可扩展性、灵活的自定义功能等特点。另外，如果LabVIEW搭配数字电子设计相关的专业工具包，用户只需从模块库中选择所需的模块组合或者自定义模块和模块库，就可以实现各种数字邏辑电路设计。所以它非常适用于数字电子电路的仿真实验。我们可以使用LabVIEW设计数字电子技术虚拟实验系统，来实现各种数字逻辑函数表达式和数字芯片的模拟仿真。学生在虚拟仿真系统中可以高效、直观地仿真出结果，并且还可以自行设计出新的实验。以4选1数据选择器为例，定义D0，D1，D2，D3为数据输入端;A1，A0为地址端;Y为输出端;S为使能端，低电平有效。利用LabVIEW进行虚拟仿真设计，程序框图如图1所示，它基于图形化的框图程序与数字电路逻辑图非常相像，形象生动，便于理解和掌握，图2是前台操作面板图，如果需要我们还可以运用各种图像设计软件把操作面板做得更逼真好看。

（二）仿真电路

在电子技术实验中，利用各种仿真软件的分析功能和虚拟测试功能对电路环境和电路工作过程进行仿真模拟，可以达到与真实实验同样的实验目的。常用的仿真软件有Multisim，Pspice、Proteus 等，其中Multisim软件操作简易，初学者非常容易上手，它以常见的windows操作系统为基础，软件自带丰富的元器件库和齐全的虚拟仪器，不仅提供了实验中常见的示波器、万用表的等普通仪器仪表，还提供了频谱分析仪、虚拟网络分析仪等复杂仪器，具有非常强大而完备的功能。在一些设计性实验和综合性实验教学过程中，设计的电路是否正确合理能够正常运行，各项指标能否达到要求，有时仅仅依靠理论计算上无法完全预知，这时我们就可以利用仿真软件对电路进行仿真，而不用担心设计上的错误所导致得仪器损坏。而且在仿真过程中还可以对设计进行改进和优化，使设计更合理，最后再进行实物电路的检验。

（三）搭建虚拟仿真实验网络平台

如果把虚拟仿真实验放在一个师生在任何时间和地点都可以自由访问的平台上，也即搭建一个虚拟仿真实验网络平台，其基本组成如图3所示。这个平台主要由软硬件支撑的平台、前台用户系统和后台管理三大部分组成。平台的硬件要有内存足够大的服务器和高速宽带网络接入，并配有安全软件的防火墙。软件主要有能够运行各种虚拟仿真实验的软件环境，以及大量的数据库。后台管理主要是对实验项目、内容等进行更新管理，对各类人员的权限进行管理等。学生和老师主要通过前台界面进行访问登录，来实现用户的操作和体验功能，有了这个平台，学生可以在实验前进行预习，提前感受实验过程。如果是设计实验或综合实验，学生可以在线提交设计报告然后根据自己的实验设计在虚拟仿真平台上进行实现。查找设计中的问题。实验后学生可以再次登录复习巩固或在平台上实现一些新的想法和体会。也可以做一些我们的实验室暂时无法满足的实验进行模拟仿真，尤其是目前很多高校教学资源无法完全满足需要的情况下，构建一个网络化的仿真实验平台可有效缓解这些矛盾。为教师的教学和学生的学习提供了一个交流互动的平台，同时也为电子技术实验教学方法带来了新的探索。

四、結束语

虚拟仿真实验的引入为高校电子技术实验教学注入了的活力，可以弥补传统实验教学中存在的不足，同时也为学生提供了一个进一步学习的空间，激发了学生的兴趣和创新欲望。但同时我们也应该意识到，虚拟仿真实验开展的同时也会带来一些负面的影响。如会使学生对真实的仪器和元器件的认知度降低，对真实仪器的操作能力降低，从而导致学生分析和解决实际问题的能力得不到提高。所以，仿真实验和传统实验在教学中各有其优势和不足，虚拟仿真实验不能完全取代传统实验的具体操作。应该把这两种实验方法在教学中有机地结合起来，扬长避短。虚拟仿真实验系统用来辅助或部分替代设计性或综合性的实验教学，与传统实验教学相辅相成。我们也可以寻求和企业合作，共同进行虚拟仿真实验项目的开发，共建更高水平的虚拟仿真实验、实训基地等，进一步开发仿真实验与实物实验相互结合的远程控制实验方式。

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