基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“高頻電子線路”教學(xué)方法實(shí)踐與探索

牛芳琳 于玲

摘要：“高頻電子線路”課程是通信電子專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，如何提高學(xué)生對(duì)這門課程的深入理解一直是高校教學(xué)任務(wù)研究的重要內(nèi)容。由此，本文提出在教學(xué)中將虛擬仿真平臺(tái)與課程內(nèi)容相結(jié)合起來，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)高頻電子線路理論及電路設(shè)計(jì)的研究。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；高頻電子線路；虛擬仿真；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）06-0162-02

一、前言

“高頻電子線路”是高等院校通信電子專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，由于其基本理論知識(shí)比較抽象、電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，一直被學(xué)生認(rèn)為是較難學(xué)懂的課程。為了提高學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，[1，2]等文獻(xiàn)提出，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入課堂的教學(xué)方法，把電路的理論分析與電路實(shí)踐相結(jié)合，可加深學(xué)生對(duì)電路等課程的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由于具有仿真效果逼真、易于安裝等特點(diǎn)，近年來已經(jīng)開始受到很多高校的重視，建立了相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)許多高校專門對(duì)一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研發(fā)，以適應(yīng)不同專業(yè)不同課程學(xué)生的需要。

如何將虛擬平臺(tái)與“高頻電子線路”這門課程結(jié)合起來，則成為高頻課程教學(xué)研究的重要內(nèi)容。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用

一般來說“高頻電子線路”課程的組成主要包括三個(gè)方面——理論課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)。理論教學(xué)是以學(xué)習(xí)基本知識(shí)為主，包括電路工作原理、電路設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，然而相對(duì)于學(xué)生來說，這些理論比較抽象，不容易理解；高頻實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行輔助，主要包括對(duì)理論教學(xué)主要內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)為已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的電路板，學(xué)生通過調(diào)整簡(jiǎn)單的電阻、電容等參數(shù)觀察輸出信號(hào)的變化，以達(dá)到對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步理解作用，然而這種驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來說僅僅是連接輸入輸出導(dǎo)線、接信號(hào)源與示波器、觀察輸出輸入波形，對(duì)電路設(shè)計(jì)的理論知識(shí)難以進(jìn)一步理解；高頻課程設(shè)計(jì)是則是學(xué)生依據(jù)基本理論知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一定功能的電路，一般來說，由于電路成本及高頻電路容易受到干擾等原因，大多數(shù)都停留在理論設(shè)計(jì)層面，很少真正地去實(shí)現(xiàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以有效地對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真，由此，本文提出將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與高頻電子線路理論課程、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的起來，以達(dá)到進(jìn)一步提高“高頻電子線路”課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在理論課堂的應(yīng)用

傳統(tǒng)的“高頻電子線路”課堂理論教學(xué)內(nèi)容比較枯燥，尤其是電路的設(shè)計(jì)幾乎都需要利用公式推導(dǎo)計(jì)算得到結(jié)果，而這些結(jié)果是否正確、能否達(dá)到實(shí)現(xiàn)電路功能的目的，難以被學(xué)生在課堂中得到認(rèn)可。雖然一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以有效地對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積較大，配套設(shè)備也較多，難以搬入課堂在教學(xué)中進(jìn)行驗(yàn)證。選取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中應(yīng)用可以有效解決這一難題。

依據(jù)教學(xué)內(nèi)容在虛擬仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電路。比如LC選頻網(wǎng)絡(luò)，其電路僅僅需要將電感、電容、電阻和信號(hào)源連接起來，如何設(shè)計(jì)這些元器件的參數(shù)，則需要在課堂上根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)推導(dǎo)完成。計(jì)算結(jié)果，獲取元器件參數(shù)數(shù)值，并在虛擬仿真平臺(tái)中連接，最后，通過軟件中的示波器、頻譜儀觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。也可以隨時(shí)修改元器件參數(shù)，觀察電感、電容、電阻變化對(duì)選頻網(wǎng)絡(luò)的影響。這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“搬入”課堂，使學(xué)生更為直觀地觀察到理論與實(shí)踐結(jié)合的效果，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

另外，由于在高校中大多數(shù)教師都采用多媒體教室上課，為了防止計(jì)算機(jī)病毒傳播，多媒體教室中的電腦多數(shù)選擇安裝“還原精靈”。需要選擇合適的軟件平臺(tái)適合在多媒體教室中使用，現(xiàn)在流行的電子線路仿真平臺(tái)也比較多，安裝時(shí)間短、仿真效果好的仿真軟件平臺(tái)成為教學(xué)中的首選，如WEWB軟件的大小僅僅18M，直接拷貝到計(jì)算機(jī)中即可使用，省去安裝的環(huán)節(jié)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

針對(duì)“高頻電子線路”這門通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)幾乎都是利用實(shí)驗(yàn)箱中的實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過動(dòng)手連接輸入輸出導(dǎo)線，通過示波器觀察電路輸出波形，對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行驗(yàn)證。這種實(shí)驗(yàn)學(xué)生做起來內(nèi)容簡(jiǎn)單，按照實(shí)驗(yàn)步驟一步一步操作即可完成，學(xué)生只能直觀了解電路的結(jié)構(gòu)、基本內(nèi)容，難以進(jìn)一步對(duì)理論進(jìn)行深入了解。實(shí)驗(yàn)箱所做的實(shí)驗(yàn)幾乎都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在高校教學(xué)中所提倡的綜合性、設(shè)計(jì)性、研究探索性實(shí)驗(yàn)[3]很難利用這種實(shí)驗(yàn)箱來實(shí)現(xiàn)。充分利用電子線路仿真平臺(tái)可以說是對(duì)“三性”實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，教師可以依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)適合在仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)的“三性”實(shí)驗(yàn)，如在“高頻電子線路”課程中，給出載波、調(diào)制信號(hào)參數(shù)，要求學(xué)生依據(jù)調(diào)幅波調(diào)制基本理論，設(shè)計(jì)“對(duì)稱斬波調(diào)幅”仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自行發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制過程。

電子線路仿真平臺(tái)在學(xué)校機(jī)房即可使用，教師可以依據(jù)教學(xué)內(nèi)容增加“三性”實(shí)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

課程設(shè)計(jì)是“高頻電子線路”課程中重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，考查學(xué)生是否能夠根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容獨(dú)立完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì)，是對(duì)理論內(nèi)容理解程度的一個(gè)檢驗(yàn)，是學(xué)生利用理論完成實(shí)踐內(nèi)容的重要練習(xí)過程。

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算參數(shù)，完成設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)，電路是否正確卻難以判斷。如果采用實(shí)物實(shí)現(xiàn)，測(cè)試條件、成本等問題也難以解決。利用虛擬平臺(tái)可以有效解決以上存在的問題。

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，給出課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及相關(guān)參數(shù)，學(xué)生首先設(shè)計(jì)電路完成先關(guān)參數(shù)計(jì)算，然后通過虛擬仿真軟件，依據(jù)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否正確。如果所設(shè)計(jì)的電路存在問題，則可以隨時(shí)修改電路、調(diào)整參數(shù)，直到能夠正常工作為止。在虛擬仿真軟件中修改參數(shù)容易，比起用實(shí)物電路驗(yàn)證來說，簡(jiǎn)單易操作，因此，許多院校已經(jīng)開始將虛擬平臺(tái)用于課程設(shè)計(jì)。

（四）虛擬平臺(tái)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)關(guān)系

由前面分析可知，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以應(yīng)用在“高頻電子線路”中的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡管虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幾乎可以模擬所有的電路，但是學(xué)生畢業(yè)走向工作崗位后接觸和設(shè)計(jì)的是具體的電路，完全采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)具體實(shí)物不了解，難以很快進(jìn)入工作狀態(tài)，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只是對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一個(gè)補(bǔ)充，不能取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。只有合理運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)才能更有效地發(fā)揮其作用，達(dá)到提高教學(xué)水平的目的。

三、結(jié)論

由于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做仿真實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、觀察結(jié)果方便，合理地將其用于“高頻電子線路”教學(xué)中，可以提高學(xué)生對(duì)這門課程的理解與掌握情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]全曉莉，周南權(quán).基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，（04）：96-98.

[2]孫榮平，戚甫峰.基于多媒體仿真技術(shù)的電路與電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，（04）：46-49+53.

[3]牛芳琳，于玲，王瓊.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在電子線路教學(xué)的應(yīng)用[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2014，（01）：121-123.

[4]袁敏.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式研究[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2015，（11）：81-82.

[5]廖永忠.《高頻電子線路》課程教學(xué)改革探索[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2014，（22）：116-118.