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1、模拟电子线路虚拟实验教学系统的设计与实现s modernization about electronic component.Keywords： Electronic circuits, EDA technology, multimedia technology, virtual experiment.1电子线路虚拟实验概述虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程 的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验 模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，到 达实验效果和目的的一种新的实验方法。EDA技术是一种以 计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真 和综合
2、能力的软件工具。软件有多种，其中Multisim软件 是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元 器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和 数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信 号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转 换等仪器，接通开关就可以开展和实物实验一样的测试分析 了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的，与实 物试验差异很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软 件的突出优点是：元件及仪表均以实物形式重现，直观性强, 可操作性高。2电子线路虚拟实验的实现2. 1实行虚拟实验的必要性电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理
3、 论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求开展实验操作, 验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现 象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如:（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术, 所以连接电路时极易出错。（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的 损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更 不能像做家庭作业一样在课余时间开展练习。有限的教学时 数与学生技能的提高矛盾突出。（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、 干扰等因素会造成实验数据的
4、偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨 损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲 的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速 发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加, 这要消耗我们有限的教学经费。EDA技术恰好能够弥补实验的缺陷。它的优点是：（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检 测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电 路开展直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种 分析，及时获得实验结果。（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的 影响。分析一些较难测量的电路特性，如开展噪声（Noise）. 频谱（Fou
5、rier）,器件灵敏度（Sensitivity温度特性 （Temperature）分析等。（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路 连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。2. 2实验室的建构作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软 件技术，可使实验内容严密联系课本内容，比较全面地概括 和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承 实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计 算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、 资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式, 进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多 媒体电子技
6、术实验系统应用软件。3虚拟实验例如现以“单管基本电压放大器”为例，说明具体实验在虚 拟实验室中是怎样开展的。实验中开展了一系列参数设置、 波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。首先计算机装上具有电子技术实验系统功能的软件，然 后利用软件提供的元件和仪器在屏幕上搭建单管电压放大 电路，如图1所示。图1单管电压放大电路图*号发生器的输出信号频率为1kHz,幅度为 VP-P=20mV的正弦波；万用表用于测量各点的工作电压；示 波器用于测量各点的波形。接通虚拟直流电源开关，调整电位器Rw,使电路处于最 正确放大状态，示波器就显示出波形失真最小、输出信号幅 度最大的反相放大波形；Rw调至阻值最大
7、时，三级管接近截 止，输出幅度较小的截止失真波形；调至阻值最小时，三级 管接近饱和，输出饱和失真波形。图1中显示为三极管放大 状态时示波器面板显示图。通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验 所得结果开展比较，得出基于EDA软件的电子线路虚拟实验 能完整、准确、快速地到达所有电子线路课程的实验要求和 实验目的的结论。4虚拟实验在教学中的应用4.1功能作用411辅助课堂教学传统的电子线路教学往往是理论教学和实验部分分开 开展。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在 黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一 元件的变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的 效果；学生
8、听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下 深刻的印象。开展实验，其主要目的就是为了检验课堂上传 授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将 一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便 地利用其在课堂上开展演示，让抽象的理论及时得到检验, 给予学生感官上的认识，到达从感性认识到理性认识的有机 过渡。412代表实物实验中理论的验证、电路分析和数据获取等部分的操作辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验电子线路 理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算 公式通过编制程序计算出结果，画出准确仿真图线，帮助学 生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中 构建的
9、虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果； 并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速开 展实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学 生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。413便于学生发挥创造性思维教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新 能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂 一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要 花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状 态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生 要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难 的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可 以
10、充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。414完善电子线路的远程教学实验虚拟化，把实验室搬到了网络，对于电子线路这门 操作性很强的课程来说，更加完善了电子线路的远程教学。4. 2运用根底与传统实验一样，实验仿真软件在设置实验时，首先明 确该实验要解决什么问题。这就要求教学人员不仅要对课程 内容和教学任务做系统深入的研究，认识该学科的特点，划 分知识点，尤其是重点、难点，而且还要充分考虑学生的学 习特点，在此根底上确定实验内容，编写实验指导书，让学 生在具备电子线路基本知识的根底上开展虚拟实验。4. 3工作流程在虚拟实验室中做实验的基本流程程序构造（如图2所示）。图2实验基本流程方框图因为我们的教学
11、主要是理论传授，不需要去开发和设计 电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但 是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的根底上，还有非 凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题: 一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练 习的实际情况，及时开展个别辅导；二是难以做到上机时学 生之间、师生之间开展情况交流，使上机操作变成学生自己 的活动，影响教学。因此就要求建立一种虚拟试验的教学模 式，使教学信息交流双向化。4. 4虚拟实验室课堂的教学模式由于虚拟实验室参加了教学的环节，打破了传统教学的 流程，势必要求制定出新的教学模式以适应发展的需要。根 据建构主义理论和教学设计理论的有关知识，可建立以下两 个教学模式（如图3所示）：图3a实物实验教学模式方框图图3b虚拟实验教学模式方框图第一种模式是先做广2次实物实验，学生有了形象体验 后再做虚拟实验，对于从事没有实物操作经验或抽象思维能 力、形象化能力较差的人，这样做效果会好些；理工科的学生关于电子实物制作一般都已有所接触，所以第一、