徐甲 金亚南
杭州海康威视数字技术股份有限公司 浙江 杭州 310051
摘要：近些年，我国科技水平发展的十分迅速，教育事业也有很大改革。电子电路技术在线虚拟仿真实验教学项目建设依托电工电子电路国家级实验教学示范中心和电子电路信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心，采用工程仿真软件进行复杂电子电路系统设计，解决高成本与不可及的实验难题。教学项目以工程实践内容为背景，对接行业应用，满足电子电路技术人才培养需要。文章对电子电路技术在线虚拟仿真实验教学项目建设进行研究。
关键词：虚拟仿真；电子电路；实验教学；应用研究
引言
随着计算机多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的快速发展，电子电路技术应用越来越广泛。传统的实验教学往往因为硬件资源短缺和师资力量不足而限制了学生学习，因此将虚拟实验加入实验教学改革是十分必要的。虚拟电子电路实验指借助多媒体、仿真和VR技术在计算机上完成的实验，注重实验的交互性和实验结果的仿真性，达到虚拟实验教学的目的和要求。
1虚拟仿真软件在电子电路技术教学中的可行及必要性
在电子电路技术课程的教学中，由于该课程工程实践性强，需要理论教学与实验教学相结合，培养学生的动手能力和科技创新能力。教师既需要在课堂上进行一些简单必要的演示实验来引导学生掌握理论知识点，也需要让学生课后实际动手实验实践。因此，在工科教学过程中实验环境或不可缺。
传统的课程教学采取课程实验定制电子电路技术实验箱，并需要配备相应的信号源和测量仪器等多个仪器。但是定制实验箱的电子电路元器件参数被限定了，更换不同参数的元器件不方便，对于一些扩展实验，综合设计类实验实训存在一定的局限性；并且由于我校为传媒类院校，对工科专业实验室的投入资金有限，不可能购买所有能用到的实验箱和仪器仪表；而且学生在实验过程中不能够完全掌握元器件在电子电路中的作用，在实验验证过程中会发生元件参数错误、电子电路连线错误、仪器仪表使用错误等，导致仪器仪表损坏；由于不可避免的情况，无法正常线下授课学习，只能网络学习的情况下，师生均采购实验设备是不切实际的事情。综合上面几点考虑，如果能有一种虚拟仿真软件，有丰富的元器件库和仪表资源、能够方便修改元器件参数进行电子电路分析等相关功能的软件，可以针对性地解决上述问题。而Multisim软件能够满足以上实验教学和实验设计需求。
2虚拟仿真技术在电子电路教学应用中出现的问题
一些学校已经在使用这种虚拟仿真技术，但在课堂中会出现对其理解有一定的偏差，从而降低了该技术所具有的合理性和有效性，甚至会出现这种虚拟仿真技术滥用的现象。这种技术对任课教师的专业能力有很高的要求，不管是教学水平还是对此技术改具备的教师专业素养，任意一种受到影响都会使得教学达不到预期的结果。很多学校已经形成了其独特电子电路技术的教学习惯，对其教学模式的创新和改革理念持有怀疑的态度，使得改革的进度难以推行，之后也降低了电子电路技术的使用价值。
虚拟仿真技术在一定程度上提高了教学效率，教学内容也有所被丰富，但存在一个弊端，即是在课堂中很难让学生去认识真实的元器，对电子电路设备的安装和调试能力不能够做到现场操作。因此，为了避免这种类似的问题，我们可以将仿真技术作为辅助的同时突出动手能力的作用，将仿真技术和实际操作两者结合起来，在这种结合的方法中，需要将仿真技术合理的安排和使用，达到辅助和促进的作用，进而提高学生的动手能力和思考的能力。
3虚拟仿真技术在电子电路技术教学中的具体应用
3.1虚拟仪器和LabVIEW
虚拟仪器是美国国家仪器公司（NationalIn－strumentsCorp，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。
数字逻辑电子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搭配数字电子电路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逻辑电路设计。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设计数字电子电路技术虚拟实验系统，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子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。
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图1 4选1数据选择器LabVIEW程序
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图2 4选1数据选择器面板
3.2ＲC动态电子电路
在模拟电子电路和数字电子电路中经常用到ＲC电子电路。时间常数τ代表电容充放电速度的快慢，改变时间常数以及输入输出的关系能够将ＲC电子电路应用于不同的场合。在本研究中，改变时间常数分析ＲC构成的积分电子电路，在虚拟仿真平台搭建由电容和电阻构成的ＲC动态电子电路。在ＲC电子电路中一般认为经过5τ时间电容完成充电或者放电，设置方波幅度为10V，信号的频率为1kHz，周期T为1ms，观察时间常数τ改变时输出波形的变化。
根据公式τ=ＲC，可以分析出来，当Ｒ=1K、C=0.01uF时，理论情况，利用虚拟仿真软件可以测得时间常数τ≈0.01ms，在方波信号的T/2时间内，电容有足够时间充电完成达到稳态，输出电压的幅值和方波的幅值相等。利用仿真软件观察时间常数的改变对输出波形的影响可以让学生理解ＲC电子电路的暂态过程，避免了在传统实验项目中因为选取ＲC参数不合适导致的无法测量时间常数的等问题。ＲC电子电路结构简单，但是在实际电子电路中应用非常广泛，在学习过程中利用虚拟软件可以让学生开拓思维能力，不断改变参数来进行设计，改变了传统的验证型教学项目。
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电路类课程的教学，设计合理有效的虚拟实验教学更有助于验证理论，增强学生电子电路设计能力，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
[1]林若波,彭燕标,陈炳文,等.虚拟仿真技术在“电力电子电路技术”课程教学中的应用[J].云南民族大学学报:自然科学版,2013(5):378-381.
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