虚拟实验系统应用于模拟电子技术教学

梁蓓 王鑫 蒋平 余军

摘要：教师在模拟电子技术理论教学中配合教学内容使用虚拟实验系统进行演示，可将抽象的电路设计及分析结果通过虚拟测试仪器直观地表现出来，有利于提高教学效率及教学效果。学生在课后可通过网络利用虚拟实验系统自主安排实验预习或进行自主创新设计，能有效地利用时间及空间。在教学中应用虚拟实验系统，还能使学生尽早接触并熟悉电子虚拟设计仿真工具，为今后从事电路设计工作打下一定基础。

关键字：虚拟实验系统;电路设计虚拟仿真;模拟电子技术教学

中图分类号：G642.423     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）19-0265-03

一、引言

贵州大学科技学院是一所独立学院，以培养应用型本科人才为主，因此对学生实践能力的培养成为了学校教学的重点。对理工科学生来说，实验教学是实践能力培养的一个重要环节[1]。贵州大学科技学院工学部现有计算机科学与技术、通信工程、电子信息工程、电子信息科学与技术、物联网工程五个专业，模拟电子技术课程是这些专业均需开设的专业基础课程。模拟电子技术课程传统的教学模式为：课堂教学+实验教学。目前在学时安排上，课堂教学为72学时，实验教学18学时。通常实验教学配合理论教学进度适时开展。实验教学使用实体器材及设备。由于实体实验在实验用房及设备和器材等资源方面的限制，目前大多数实验只能开设为验证性实验。

在课堂教学中，教师往往按照传统方式上课，面对电路图抽象地讲解并分析电路构成原理以及改变元器件参数后对电路带来的影响，学生不能直观了解电路中出现的各种现象，所以对电路的理解出现困难，尤其对基础较差的学生来说更是难于接受教学内容，以至于逐渐丧失学习兴趣，导致在后续相关专业课程的学习中出现了学习障碍。

随着信息技术的飞速发展，高校在课堂教学中大多已使用了多媒体设备，教师若能在课堂上将教学内容与虚拟实验相结合，利用多媒体设备在课堂上用虚拟实验演示部分教学内容，一方面可使学生比较直观理解课堂教学内容，达到提高教学效果的目的;另一方面，学生通过教师的虚拟实验演示，可尽早认知各种实验元器件及实验测试设备的使用方法，为下一步进入实体实验室顺利完成实验打下基础。

二、模拟电子技术虚拟实验系统

传统的实体实验方式往往受实验场地、实验设备器材以及经费的限制，实验项目开设不会太多，学生在设备使用上通常是2人一组，使得动手能力的训练力度不够。另外，由于面向课程教学所需的实体实验项目是根据教学内容事先设计好的，因此实验设备及耗材的购置往往也是按照实验项目需求来采购，一般仅能满足课程教学的基本需求。学生如想在实验中进行创新设计，受限于实验安全（包括设备安全和人员安全）和器材资源的限制，多数不能实现。

随着计算机技术、网络技术以及软件仿真技术的发展，虚拟电子实验技术也在快速地发展起来。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验系统提供了与真实实验相似的环境，在虚拟实验室中，仪器和元件不存在损坏，所有资源可以共享并且不受时空限制[2]。因此越来越多的高校开始使用电子技术虚拟实验来作为对实体实验的补充及辅助。

（一）模擬电子技术虚拟实验系统

科技学院模拟电子技术虚拟实验系统基于网络B/S架构，是一个开放式网络系统，学生可通过校园网络登录，在自己的计算机上实现实验预习以及设计等虚拟实验操作。该系统能模拟实体实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境。该系统目前提供了十三大类136种实验器材模型，能基本满足实验需求。

例如，对图1的分压式自偏压偏置电路，用虚拟模拟电子技术实验系统搭建的仿真电路模型如图2所示。虚拟实验电路由虚拟直流稳压电压提供12V工作电压，由虚拟信号发生器产生输入信号，通过虚拟示波器观察输出波形。虚拟双踪示波器不仅可以观察输出与输入的相位关系、观察输出是否有失真，还可以计算电压放大倍数等放大电路相应的指标。由于电路中的元器件参数值可以用虚拟器件灵活变换，因此可以通过随时改变元器件的参数值来观察电路的输出。

目前虚拟电子实验系统除了面向课程教学开发的系统外，还有多种面向工程设计的仿真系统，如Proteus，Altium Designer，Muhisim等，这些系统的应用工具以及元器件库与面向课程教学的系统相比较，更加强大和丰富。教师还可以充分利用这些软件引导学生学习和了解电子设计仿真工具的使用，为毕业后进入职场成为电子设计工程师打下一定的基础。

（二）应用虚拟实验系统提高实验效率增强创新意识

引入虚拟实验系统后，学生将不再受时间、空间以及设备和耗材的限制。学生可在任意时间通过校园网络进入虚拟实验教学平台，除完成教学项目给定的实验外，还可在虚拟实验系统中自行组装实验电路，并通过虚拟实验测试设备来验证自己所设计电路的正确性。学生在虚拟实验系统中一方面能有效利用自己的空余时间自主实验;另一方面可不受实体器材和设备的限制自主搭建实验电路，提高学生的学习积极性以及创新意识。例如，在电子类课外科技活动以及学科竞赛中，工学部学生应用虚拟设计仿真工具设计电子电路，充分利用了虚拟设计的特点来灵活构建电路，在虚拟系统下其设计效果可通过虚拟测试设备实时反映出来。学生们在所设计的电路通过仿真验证后再搭建实际运行的实体电路，并对实体电路进行实际调试，最终达到设计目的。这样做既可以极大地提高电路的设计效率，同时也节约了器材费用。

（三）虚拟实验是实体实验的重要辅助

应用虚拟实验系统，学生可在自己方便的任意时间了解设备以及元器件的特性，在进入实体实验室后能尽快进入实验操作状态[3]。在传统的实体实验教学中，教师在设备及元器件的使用讲解上需要花费大量的时间，但学生还是觉得记忆困难，实体实验操作起来难度较大，所以在有限的实体实验时间内，教学效果受到了一定的影响。

在有了虚拟实验系统之后，学生可以通过虚拟实验系统预习实验设备操作以及元器件特性，并在虚拟系统上进行预操作。这样，在进入实体实验室面对真实的设备及仪器时可以迅速进入实验状态，从而提高实验效率。

虽然虚拟实验系统具有很多实体实验室不具备的优势，但虚拟实验在设备、仪器以及使用的元器件上与实体实验有一定的差距，所以在虚拟实验系统上完成的电路设计以及电路的测试结果仅能作为参考。随着虚拟系统软件开发的进步，虚拟系统与实际系统两者之间的误差会越来越小，但毕竟存在着误差，因此虚拟实验系统也只能作为实体实验的补充和辅助，不能因此而放弃实体实验室的建设。

三、在教学中应用虚拟实验系统

（一）虚拟实验系统在课堂教学中的应用

借助多媒体设备，将虚拟实验引入课堂教学中，使学生直观理解教学内容。例如，在“基本供射放大电路组成”的教学中，传统的课堂教学方法是由教师画出不同的波形图与电路对应，然后解释出现的现象，学生只能自己去领悟。对于电路中不同元件参数变化对电路的影响也只是通过理论计算后告知学生可能会出现的现象。引入虚拟实验系统后，我们可以首先搭建一个仅有放大管构成的基本电路，输入正弦信号，在输出端利用虚拟示波器观察输出波形，一方面理解放大管的非线性失真概念，另一方面认识到解决失真需要对放大管添加直流电压，从而构成放大电路的静态偏置。在介绍放大电路的组成部分时，可以应用虚拟实验演示集电极电阻的作用;演示基极偏置电阻大小的选择对放大电路饱和失真的影响。学生通过由实时参数改变所显示出来的电路输出现象，很容易就能理解放大电路为什么必须有静态偏置，以及静态偏置的合适与否对放大电路产生的影响。

在模拟电子技术课程的教学中，三种不同组态的放大电路之间特点的比较、多级放大电路中零点漂移现象、差动放大电路工作特点、放大电路的频率响应、滤波电路等是教学中的难点。在传统的课堂教学方式中，我们感到很难让学生理解一些问题及现象。将模拟电子技术虚拟实验引入课堂教学后，学生可以通过教师搭建的虚拟实验电路，通过虚拟测试仪器的显示直观了解电路出现的问题及现象。

可以说虚拟实验的引入能很好地解决教学中因为“抽象”而不利于学习的难题，因为电路中出现的现象可以直观地从虚拟测试仪器中观察到。所以在教学中引入虚拟实验系统可以提高学生的学习积极性，最终达到提高教学质量的目的。

（二）应用虚拟实验系统提高学生动手能力

虚拟实验系统的元器件提供了丰富的资源，学生可以利用这些资源自主搭建电路并通过虚拟测试设备进行电路验证，从而评判设计是否正确。在课程进入到后期综合性环节的教学中，教师可以利用虚拟实验系统来指导学生进行设计性实验，达到提高学生动手能力的教学目的。

例如，“直流稳压电源”是一个与实际应用紧密联系的课题，是综合性较强的教学环节。教师在讲授了基本内容之后，可以引导学生应用虚拟实验平台，自主设计一个直流稳压电源。由教师给出设计指标要求，学生课后动手设计，其设计是否达到要求，可以通过虚拟仪器进行測试。教师组织学生将自己设计的电路在课堂上进行演示，并阐述设计思路，由教师进行点评。这样，学生利用虚拟实验平台不仅强化了动手能力，同时也增强了自主创新意识。

四、结语

虚拟设计仿真系统作为现代电子技术设计应用的一个重要手段，贯穿到几乎所有的电子系统设计之中，掌握虚拟设计仿真工具的使用是电子设计工程师必备的技能之一。而模拟电子技术虚拟实验系统作为电子设计虚拟仿真系统家族的一员，已越来越多地应用在高校教学中，成为了实体实验的重要辅助教学手段。

充分应用模拟电子技术虚拟仿真系统不仅使学生能尽早接触到电子设计虚拟仿真系统，还可以有效提高实验效率、增强动手能力、激发学习兴趣，最终实现提高教学质量的目的。

参考文献：

[1]马光喜，李良荣，李震.电子设计教学与课程体系研究[J].实验室研究与探索，2014，（07）：165-168.

[2]黄春媚.虚拟实验方式在电子技术实验教学中的应用[J].广西教育，2016，（11）：181-183.

[3]李丽.基础实验教学中的虚拟电工电子实验平台设计[J].现代职业教育，2016，（27）：154-155.