井超　劉軒良　陳晨

摘 要：實驗教學是課堂教學的延續(xù)。隨著計算機及多媒體技術、仿真技術和虛擬技術的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學方式已不能適應現(xiàn)代化的實驗教學，用現(xiàn)代新技術來改革傳統(tǒng)的教學方式已成為大多數(shù)人的共識。虛擬電路實驗就是結合電子電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環(huán)境，通過電路的建立和對數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達到實驗的目的和要求。

關鍵詞：虛擬實驗室；電子技術；多媒體

1 實行虛擬實驗的必要性

實驗教學是課堂教學的延續(xù)，隨著計算機及多媒體技術、仿真技術和虛擬技術的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學方式已不能適應現(xiàn)代化的實驗教學，用現(xiàn)代新技術來改革傳統(tǒng)的教學方式已成為大多數(shù)人的共識。虛擬電路實驗就是結合電子電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環(huán)境，通過電路的建立和對數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達到實驗的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，如：常用的虛擬電子實驗室軟件有CircuitMaker、Multisim及Protel。其中Multisim（又叫ElectronicsWorkbench即EWB）軟件是比較常見的電子技能訓練工具，這些軟件是以電路符號來實現(xiàn)的，與實物實驗差別很大，而且軟件不具有開放性，仿真只能在這些軟件本身的環(huán)境下實現(xiàn)，無法在多媒體環(huán)境下進行。本文構建的“電子電路虛擬實驗系統(tǒng)”，實現(xiàn)了仿真技術和多媒體技術的有機結合，它既不同于以往的原理電路的仿真軟件，又不同于一般多媒體軟件對于實驗現(xiàn)象的模擬演示，而是讓學生在逼真的多媒體“虛擬場景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，即時得到仿真結果，學生可以在計算機上自主進行實驗，并自動記錄實驗結果，最終生成標準的電子基礎實驗報告。

2 工作流程

由于我們的教學主要是理論傳授，不需要去開發(fā)和設計電路，所以上述的實驗流程并不包括電路設計開發(fā)部分。但是EDA軟件在極大地滿足我們的實驗要求的基礎上，還有非凡的應用潛力，這無疑是個廣闊的天地。在計算機輔助教學實踐中，學生上機普遍存在兩個問題：一是面對眾多的計算機，教師難以準確、全面地掌握學生練習的實際情況，及時進行個別輔導；二是難以做到上機時學生之間、師生之間進行交流，使上機操作變成學生自己的活動，影響教學.因此這就要求建立一種虛擬試驗的教學模式，使教學信息交流雙向化。

3 虛擬實驗室的設計

3.1 虛擬實驗室所能實現(xiàn)的功能

（1）虛擬實驗室作為一個儀器設備和數(shù)據(jù)等資源的交互。共享以及可交互控制平臺，應具有以下功能：虛擬工作臺；基于虛擬儀器的用于測量的控件；智能虛擬儀器驅動；可視化自動測試環(huán)境；虛擬實驗室平臺控制系統(tǒng)；系統(tǒng)平臺內(nèi)部的智能決策系統(tǒng)；各類數(shù)據(jù)庫的信息管理系統(tǒng)；虛擬實驗室的監(jiān)控系統(tǒng)；虛擬儀器的管理操作系統(tǒng)；同時還應考慮到系統(tǒng)的擴展性、兼容性等方面具有良好性能的特征。

（2）虛擬實驗室作為電子技術基礎實驗室應具有以下特點：無論是學生還是教師，都可以自由地、隨時隨地進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗；操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器動行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成；教師可以根據(jù)實驗的需要設計出各種虛擬儀器來供學習者自行選擇；學生可以根據(jù)所學的專業(yè)知識，設計實驗題目及內(nèi)容，給出實驗方案，在虛擬環(huán)境中進行自己感興趣的實驗。

3.2 虛擬實驗室的基本組成

虛擬實驗室的核心部件是虛擬儀器的硬件主要由計算機、傳感器和信號采集調(diào)理模塊組成，完成對被測信號的采集、傳送、顯示輸出結果。信號采集調(diào)理模塊主要有數(shù)據(jù)采集卡、VXI儀器模塊、GPIB儀器模塊。目前應用較多的是數(shù)據(jù)采集卡和VXI儀器模塊。

3.3 虛擬實驗的開設步驟

具體的虛擬模擬電子技術基礎實驗的開設步驟有三個方面：

（1）學生在已建立的虛擬實驗環(huán)境中完成基本的電子技術基礎實驗，掌握用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器來進行數(shù)據(jù)處理，觀察分析實驗結果，診斷設備故障等。

（2）學生根據(jù)實驗要求，自行設計各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達輸出結果，進行實時分析。

（3）增加綜合性實驗，讓學生自己選題，擬訂方案，設計虛擬儀器檢測系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和科研能力。

4 實驗結果

負反饋放大電路圖，開關K1、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓串聯(lián)負反饋（同相比例運算器）。開關K1下拔、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓并聯(lián)，按要求連接好電路，打開直流電源和信號源，調(diào)整其數(shù)值，就會看到萬用表上顯示的輸出電壓的值。把輸出電壓的值除以信號源的值，就可以得到由虛擬測試得出的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf。然后把測試結果與下框中的理論計算相比較，以判斷測試的正確性和存在的誤差。同理，也可以算出輸入、輸出電阻的值。該實驗可以通過選項菜單設置相應的電阻。通過一系列電路的測試和數(shù)據(jù)的讀取分析與實物實驗所得結果進行比較，得出本文設計的基于電子技術的仿真系統(tǒng)的電子線路虛擬實驗能完整、準確、快速地達到所有電子線路課程的要求。

5 結語

虛擬實驗，通過多媒體技術和仿真技術的有機結合，虛擬出逼真的實驗場景，通過相應數(shù)學模型的建立，提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗。作為實驗教學的重要輔助手段，一方面，可以大大提高實驗效率和效果，拓寬學生由感性認識上升到理性認識的途徑，使學生在愉悅和主動的思維中牢固地掌握知識；另一方面，能更好地完善實驗教學的結構，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。模擬電子技術虛擬實驗室的建立和實踐，明顯提高了實驗課的教學效果。虛擬實驗室不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，具有良好的發(fā)展前景。但虛擬實驗的實現(xiàn)是一項非常復雜的工作，目前僅僅涉及的是簡單數(shù)學模型的構建，還有許多理論和技術繁雜問題有待仿進一步的探討。因此，在現(xiàn)有的條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。實物實驗在實驗操作過程中的元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象都是客觀存在的，開放性實物實驗的立體直觀對于培養(yǎng)學生的真切感受和創(chuàng)造性思維是至關重要的。

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[4] 胡曉峰，吳玲達.多媒體技術教程[M].人民郵電出版社，2005.

作者簡介：井超（1996—），男，上海人，沈陽理工大學學生。

劉軒良（1996—），男，遼寧沈陽人，沈陽理工大學學生。

陳晨（1997—），男，遼寧昌圖人，沈陽理工大學學生。