仿真虚拟实验教学的研究与实践

现代教育技术

仿真虚拟实验教学的研究与实践

韩芝侠1,魏辽博1,韩宏博2,脱　慧1

(1.陕西理工学院电工电子实验中心,陕西汉中　723003;2.宝鸡技术学院,陕西宝鸡　721000)

摘　要:文章结合应用实例,介绍了仿真虚拟实验技术在实践教学中的应用,指出了其相对于具体实物实

验的优缺点。旨在探讨实验教学的一些新思路,以提高实验教学效果,培养学生实际动手能力和创新思维

能力。

关键词:实验教学;仿真;虚拟实验

中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:100224956(2006)0220063203

StudyandPracticeonImitativeandVirtualExperimentTeaching

HANZhi2xia,WEILiao2bo,HANHong2bo,TUOHui

(1.EEECofShanxiUniversityOfTechnologyShanxi,ShanxiHanzhong723003,China;2.Baoji

UniversityOfArtsAndSciences,ShanxiBaoji72100,China)

Abstract:Thispaperintroducedtheapplicationofimitativeandvirtualexptrimenttechnologyinpracticlteaching

withtheconcreteexamples.Thepurposeofthispaperistoexplorethenewwayofexperimentalteachinginorderto

enhancetheeffectofexpperimentteachingandtocultivatethepracticingabilityandinnovativethinkingabilityof

students.

Keywords:Experimentteaching;simulation;virtualexperiment

收稿日期:2005203228　修改日期:2005209214作者简介:韩芝侠(1970—),女,陕西扶风县人,在职研究生,实验师,主要研究方向为电子技术与应用. 电工电子课程是一门理论性、技术性、应用性

很强的专业基础课,通过教学使学生获得电子技术

方面的基本理论知识和基本技能,培养学生电子技

术方面分析问题、解决问题的能力,并为后续课程

的学习打好基础。实验是该门课程不可缺少的一环,

通过实验可使抽象的概念形象化,枯燥的内容趣味

化,能够收到良好的教学效果,有利于培养学生的

学习兴趣,提高其创新能力和实践动手能力。然而

随着高等教育的学科发展和教学改革,实验教学的

学时有了一定程度的压缩,再加上高校扩招,学生

人数巨增,这都给实验教学带了冲击和压力。因此,

将仿真虚拟实验技术引入实验教学,以计算机辅助

教学来补充常规教学,显得非常必要而且有效。

1　仿真虚拟实验的必要性和实效性

电工电子实验属于基础实验,学生在此之前大多没有接触过实验设备,对一些新型元器件的性能

不了解,因而实验过程中往往会发生设备、元器件

损坏的现象。再加上学生的实验学时数有限,实验

场地少,人数又多,导致实验效果很不理想。

随着大规模集成电路技术、计算机技术、信号

处理技术、软件技术的飞跃发展,许多原来由硬件

才能完成的功能,如今都能依靠软件来实现,即

“以虚代实”,“以软代硬”,在计算机上用“虚拟

仪器”、“虚拟器件”进行电子线路的设计和仿真。

这种新的实验教学方法灵活有趣,能充分调动学生

的积极性,促使其主动参加实验教学的整个过程,

同时教学资源可以得到优化配置和共享。

与传统的实物实验相比,仿真虚拟实验具有以

下特点:

(1)软件包内的电工电子元器件种类繁多,其

参数可任意设定,仪器仪表齐全,可做各种实验;

(2)实验不消耗器材,实验所需器材种类和数

量不限制,实验成本低;

(3)实验速度快,效率高,容易开展各种设计中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊) 实　验　技　术　与　管　理EXPERIMENTALTECHNOLOGYANDMANAGEMENT Vol.23　No.2FEB.2006性实验,提高了学生电路设计能力;作品自制的成

功会给学生带来一种成就感,增加其学习的兴趣,

自主性更高;

(4)可以方便地分析测试结果,利用打印机直

接打印电路原理图、实验数据、测试曲线;

(5)在教学中引入现代化教育手段,可以营造

一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围,其突出的特

点就是直观性强,便于学生自学。

2　虚拟实验教学的方法

利用现有的计算机,再加一套电路设计与仿真

软件,就相当于建立了一个拥有先进设备的虚拟电

子实验室。学生在这个实验室里学习电工学,电路

理论、模拟电子技术和数字电子技术,做虚拟电子

实验,进行电路设计,是一件轻松愉快的事情。虚

拟电子技术的应用将计算机技术与电子技术结合起

来,为电工电子课程的教学改革打开了窗口。

我们已经在电子工艺实习环节中加进了EDA

知识,学生对此有了初步的基础知识,然后在电工

电子实验课中再拿出2个学时讲解它们的用法。利

用虚拟实验技术,让学生了解各种器件以及常用电

工仪表和电子仪器的使用;在计算机上对各种常用

器件的参数进行测试;画出一些简单的电路,连接

上仪表,进行仿真性实验,观察实验结果。

学生掌握仿真技术后,可以给出实验要求,让

他们自己设计实验方案,实验电路、测试方法,并

在计算机上进行仿真;仿真通过后,再发给其必要

的元器件,让学生动手搭建电路,进行实物实验和

测试,要求学生记录实验数据,分析实验中产生的

现象。电子技术课程设计题目和电子创新实验室的

部分课题也可以先通过仿真实验的方法来完成,然

后才是实际操作实验。这样可以大大减少因电路参

数取得不合适或实验效果不理想而反复更换元器件

带来的麻烦,也缩短了电路设计和调试的周期,减

少了盲目损坏器件、仪器设备的概率。

学生通过简单仿真实验—简单实物实验—复杂

仿真实验到最后具体的综合性实物实验这一循序渐

进的过程,不仅掌握了一定的实验技术和技巧,提

高了动手能力、独立思考和独立操作能力,还培养

了学生从事科学实验研究的兴趣,从而大大提高实

验教学的效果。

3　实验仿真的应用实例

ElectronicsWorkbench是世界领先的电路设计

工具供应商,Multisim是其中的一个优秀产品。Multisim最显著的特点是提供了一个操作简便且与

实际很相似的虚拟实验平台。该平台的设计实验区

就象一块面包板,在上面可以进行虚拟实验和电路

仿真分析。平台还提供了强大的虚拟元器件库和虚

拟仪器库,它几乎能对电子技术课程中的所有基本

电路进行虚拟实验(又称仿真实验),虚拟实验过

程和仪器操作方法与实际相似,但比实际方便、省

时,它还能开设实际无法进行或不便进行的实验内

容,如观测漏电、过载等非常情况的影响或后果

等。通过存储、打印等方法还可精确记录实验结

果,是一种非常优秀的电子技术课程CAI工具。

本文通过一个具体的简单实例来说明仿真虚拟

实验的优越性。实验题目是:用F741集成运算放

大器设计一个反相比例放大电路,并进行相关数据

的测量和输入、输出波形的观测。

(1)创建实验电路

①双击面板上的Multisim图标,启动Multi2

sim;

②按实验任务要求在电路的工作区创建实验

电路:单击相应元器件库或仪器库,将需要的器件

或仪表拖到合适的位置,利用工具栏的旋转、水平

垂直反转等工具按纽使器件符合电路的安放要求;

③给元器件标识、赋值;

④给电路输入端接一信号发生器,给输入、

输出各接一交流毫伏表,示波器的两个通道分别接

电路的输入和输出端;

⑤检查电路并保存文件,完成的电路如图1。

图1　用仿真软件连接的反相比例放大器实验图

(2)观察与调整　打开信号发生器面板,设置

输出1KHz、幅度500mv的正弦波。打开示波器,

进行设置,参考值为:Timebase设置“500цs/

div”、“Y/T”显示方式;ChannelA设置“500mV/

div”、“AC”输入方式,ChannelB设置“5V/div”、

“AC”输入方式;trigger设置“Auto”触发方式。

展开后的信号发生器及示波器面板分别如图2和图

3所示。46实　验　技　术　与　管　理

图2　信号发生器面板设置

图3　示波器面板设置及观察到的仿真结果

按下电源开关,仿真开始,观察输入和输出端

的波形及相位关系。

(3)测量放大倍数　可直接从示波器读得交流

信号的峰峰值,也可在输入和输出端接上交流毫伏

表,仿真运行后读得交流信号的有效值;如:Ui=

0.354V,Uo=-3.535V,则Av=Uo/Ui=-10

(4)观察参数改变对电路工作的影响　改变反

馈电阻R3的阻值,重新运行观察实验结果。

4　虚拟实验的局限性

通过上面的实例发现,仿真虚拟实验快速、方

便、简洁,比较真实地模拟了整个实验的过程。但

是,与实际实验手段相比必然存在一定的差异。虚

拟实验的局限性如下:

(1)在连线测试时与实物连线有区别。例如用

万用表测量电阻的阻值,实物测量时我们将两根表

棒分别接电阻的两端即可;而在虚拟环境下,需要

将负表棒接地线才行,否则仿真时提示出错:“电

路没有地,仿真时至少要有一个地端”。

(2)虚拟实验不能完全代替实物实验。学生用

仿真软件连接一个电路,测试电路中每部分的参数都比较容易;而真正要自己在面包板上动手搭接一

个电路,用实际的仪器去测量参数,调整元器件,

就不知道如何动手了。例如对电阻电容的辨认,三

极管的管脚判别,面包板的结构,如何在其上正确

地搭接电路等,这些在虚拟世界里根本就不存在。

(3)在实际实验时,尽管线路连接正确,但有

可能存在接触不良或其他原因,随时会出现各种可

能的异常现象和故障,这些现象和故障在虚拟实验

中绝对不会出现。实际实验过程中故障的检查和排

除可以锻炼学生自己分析问题、解决问题的能力,

使其实践动手能力大大提高。

(4)在虚拟技术测量中,难以模拟出实际系统

中各种干扰信号的影响;实际系统中各性能指标的

精度在虚拟技术中很难控制;虚拟技术很难完全反

映实际元器件参数的离散性和同一类型元器件参数

的不一致性。

5　结论

实践表明计算机辅助教学大大激发了学生的实

验兴趣,提高了实验教学的效果,使学生学习由被

动变主动、消极变积极,充分发挥了学生的创造

性,使学生在点的进步中感觉到付出的收获,从而

产生成就感和自我学习的意识;同时大大缓解了实

验学时不足,也使无缘使用各种新器件、新型仪表

的学生有了更好更广的选择。但是必须强调,虚拟

实验只是实验教学必要的辅助手段,决不能代替真

实的实验环境和实验环节,两者要相互补充、相互

促进,才能更好地服务于创新人才的培养目标。

参考文献(References):

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