通信電路虛擬仿真實驗 課件 第1章 虛擬仿真實驗

第1章虛擬仿真實驗1.1虛擬仿真實驗簡介1.2通信電路虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建1.3通信電路課堂與實驗教學(xué)模式探索1.4教學(xué)效果分析研究

1.1虛擬仿真實驗簡介

虛擬仿真實驗是一種交叉利用計算機、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電子通信、人工智能、自動控制、器儀表與測量等技術(shù)手段的現(xiàn)代實驗技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展為一項人類認(rèn)識自然、改造自然和創(chuàng)建客觀世界環(huán)境的通用性和戰(zhàn)略性的信息技術(shù)，繼數(shù)學(xué)推導(dǎo)和科學(xué)實驗之后，成為人類認(rèn)識自然規(guī)律的第三大基本方法。建構(gòu)主義流派繁多、內(nèi)涵豐富，可以歸納為五大基本要素:情境化體驗、互動建構(gòu)知識、內(nèi)在專注力、多元心智發(fā)展和實踐共同體。

(1)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重情境化的學(xué)習(xí)體驗。虛擬仿真技術(shù)能夠提供多維感知環(huán)境，優(yōu)化匹配學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)與現(xiàn)實條件，直觀高效地實現(xiàn)知識從一個情境化體驗到另一個情境化體驗的無縫遷移。

(2)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，認(rèn)知主體通過新舊經(jīng)驗的互動才能積極建構(gòu)知識體系。學(xué)習(xí)者在與虛擬環(huán)境的仿真對象進行互動的過程中，建立與發(fā)展先驗知識，順應(yīng)建立新經(jīng)驗，促進知識發(fā)現(xiàn)與探究。

(3)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重內(nèi)在專注力的激發(fā)。虛擬仿真環(huán)境更能激起學(xué)習(xí)者對任務(wù)的共鳴，富有吸引力、容易理解，便于學(xué)習(xí)者專注自我學(xué)習(xí)任務(wù)，提高學(xué)習(xí)效果。

(4)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重多元心智發(fā)展。作為多學(xué)科交叉技術(shù)，虛擬仿真實驗體現(xiàn)并發(fā)展了不同的學(xué)科能力，在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，多學(xué)科專業(yè)背景發(fā)展有助于提高學(xué)習(xí)、溝通與組織能力。

(5)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重社會性，多專業(yè)人群學(xué)習(xí)產(chǎn)生實踐共同體。虛擬仿真技術(shù)所具有的分布式、網(wǎng)絡(luò)化和實現(xiàn)性的特點，為學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、實踐、創(chuàng)新過程中的分工協(xié)作提供了條件。

因此，有必要從建構(gòu)主義的角度重新審視電子通信類課程的教學(xué)規(guī)律。“通信電路”是電子通信類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)實踐動手能力，因此，形象生動的課堂教學(xué)和實踐實驗環(huán)節(jié)對提升教學(xué)效果起到非常重要的作用?；诖?，將計算機虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于“通信電路”的教學(xué)中，順應(yīng)了現(xiàn)代教育的發(fā)展，與傳統(tǒng)的實驗手段相比，具有以下無可比擬的優(yōu)勢。

(1)虛擬仿真實驗由于其實驗設(shè)備的虛擬性，節(jié)約了實驗室空間和經(jīng)費資金，改善了實驗條件，實現(xiàn)了綠色實驗室的建設(shè)。

(2)虛擬仿真實驗大大減少了實驗材料的浪費和實驗過程的危險性。

(3)虛擬實驗環(huán)境便于教師針對不同層次的學(xué)習(xí)者提出具體的不同方案，有助于開發(fā)邏輯思維，培養(yǎng)動手能力。學(xué)生能發(fā)揮創(chuàng)造性，更好更深刻地理解新知識、新技術(shù)，進一步探索未知領(lǐng)域。

此外，作為一種研究型的個性化學(xué)習(xí)方式，虛擬仿真技術(shù)在改善實驗體驗方面也有無與倫比的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)為:

(1)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了逼真生動的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生成為探究知識和解決問題的認(rèn)知主體，可以獲得強烈的成就感和存在感。

(2)幫助將抽象深奧的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體形象化，學(xué)習(xí)和探究變得具體現(xiàn)實、生動安全。

(3)幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)其積極的情緒，滿足其內(nèi)在的需要和動機，充分調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生擺脫枯燥的理論與課本，自由探索新的知識技能。

(4)信息化技術(shù)具有交互式、網(wǎng)絡(luò)化、分布式、智能化、跨時空的特點，為不同地域上的實踐共同體提供相同的交流環(huán)境，便于開展集體協(xié)同的創(chuàng)新訓(xùn)練。

認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，個體獲得經(jīng)驗的過程是通過積極主動的內(nèi)源信息加工活動形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程，建構(gòu)主義和認(rèn)知理論一樣都強調(diào)學(xué)習(xí)的主動建構(gòu)性，強調(diào)學(xué)習(xí)者本身

已有的經(jīng)驗結(jié)構(gòu)，格式塔心理學(xué)家考夫卡或者發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)倡導(dǎo)者布魯納，或是有意義接受學(xué)習(xí)的倡導(dǎo)者奧蘇貝爾對其都持同樣的觀點。

1.2通信電路虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建

在通信電路虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建過程中應(yīng)當(dāng)注意以下原則。(1)支持實時交互。實時交互要求仿真系統(tǒng)和虛擬對象能在很短的時間內(nèi)，對各種操作或參數(shù)的改變作出正確的響應(yīng)，這是虛擬仿真環(huán)境的基本要求。(2)友好、開放性的內(nèi)核。自主的學(xué)習(xí)訓(xùn)練是高度個性化的，虛擬仿真平臺應(yīng)具有高度的友好性和開放性，提供易實現(xiàn)、可擴展和成熟的內(nèi)核支持。

(3)易安裝擴展。虛擬環(huán)境軟件占用的內(nèi)存空間應(yīng)盡可能小，有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及時響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同訓(xùn)練。

(4)開放的國際標(biāo)準(zhǔn)。一是便于虛擬環(huán)境和對象資源的共享和交流，二是利用免費的開放軟件，有利于降低成本。

(5)運行環(huán)境要求低。為便于課堂和實驗教學(xué)，虛擬仿真環(huán)境最好可以在常用的個人計算機上實現(xiàn)。

電子通信專業(yè)的仿真軟件主要有OrCAD、PSPICE、PCAD、AltiumDesigner、Multisim、Proteus、LabView、Quartus、LabWindows、CVI、MATLAB/Simulink等，其中，適合仿真通信電路的軟件主要有LabView和Multisim。

1.2.1登錄和實驗選擇界面

1.登錄界面

學(xué)生登錄界面包括學(xué)號和密碼輸入文本框，顯示“歡迎登錄通信電路實驗系統(tǒng)”，還包括“登錄”按鈕和“退出”按鈕。

學(xué)生登錄界面前面板如圖1.1所示。

圖1.1學(xué)生登錄界面前面板登錄界面程序框圖如圖1.2所示。圖1.2學(xué)生登錄界面程序框圖

2.實驗選擇界面

實驗選擇界面包括實驗名稱文本框如“通信電路實驗?zāi)夸洝?、“實驗說明”按鈕、“進入實驗”按鈕和“返回”按鈕。

實驗選擇界面前面板如圖1.3所示。

圖1.3實驗選擇界面前面板實驗選擇界面程序框圖如圖1.4所示。

圖1.4實驗選擇界面程序框圖

1.2.2實驗操作界面

1.實驗一

1)實驗一說明界面

實驗一說明界面包括實驗說明文本框，顯示“RLC串聯(lián)電路實驗說明”和返回按鈕。

實驗一說明界面前面板如圖1.5所示。

圖1.5實驗一說明界面前面板實驗一說明界面程序框圖如圖1.6所示。

圖1.6實驗一說明界面程序框圖

2)實驗一進入界面

實驗一進入界面顯示滑動桿、波形圖表(WaveformChart)、開關(guān)、開始實驗和結(jié)束實驗按鈕。

實驗一進入界面前面板如圖1.7所示。

圖1.7實驗一進入界面前面板實驗一進入界面程序框圖如圖1.8所示。

圖1.8實驗一進入界面程序框圖

3)實驗一仿真界面

實驗一Multisim仿真電路圖如圖1.9所示。

圖1.9實驗一Multisim仿真電路圖

實驗一Multisim仿真電路圖程序運行結(jié)果界面如圖1.10所示。圖1.10實驗一Multisim仿真電路圖程序運行結(jié)果

2.實驗二

1)實驗二說明界面

實驗二說明界面為實驗說明文本框，顯示“調(diào)諧放大器電路實驗說明”和返回按鈕。

實驗二說明界面前面板如圖1.11所示。

圖1.11實驗二說明界面前面板實驗二說明界面程序框圖如圖1.12所示。圖1.11實驗二說明界面前面板

2)實驗二進入界面

實驗二進入界面顯示

us

輸入、RW值調(diào)節(jié)、放大倍數(shù)、波形圖表、開始實驗按鈕和結(jié)束實驗按鈕。

實驗二進入界面前面板如圖1.13所示。

圖1.13實驗二進入界面前面板實驗二進入界面程序框圖如圖1.14所示。

圖1.14實驗二進入界面程序框圖

3)實驗二仿真界面

實驗二Multisim仿真電路圖如圖1.15所示。

圖1.15實驗二Multisim仿真電路圖實驗二Multisim仿真電路圖程序運行結(jié)果如圖1.16所示。圖1.16實驗二Multisim仿真電路圖程序運行結(jié)果

1.3通信電路課堂與實驗教學(xué)模式探索一般來講，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下問題:其一，教學(xué)內(nèi)容陳舊。傳統(tǒng)的教學(xué)觀念是以傳授知識為中心的繼承性教育，重理論而輕實踐，對學(xué)生的分析能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力等的鍛煉遠遠達不到本科生的培養(yǎng)目標(biāo)；其二，教學(xué)方式方法單一。很多大學(xué)老師沿襲中學(xué)老師的教學(xué)方法，仍然按部就班地只對實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗原理、實驗方法、實驗步驟逐一進行講解，養(yǎng)成了學(xué)生的依賴性和惰性；其三，教學(xué)資源匱乏。由于實驗設(shè)備價格昂貴，實驗教學(xué)可能存在高成本和高風(fēng)險的問題。

基于此，本書從虛擬仿真實驗的角度探索通信電路課堂與實驗教學(xué)的新模式?；谔摂M仿真平臺對教學(xué)模式進行改革具有非常重要的現(xiàn)實意義。結(jié)合編者從事通信電路理論和實驗教學(xué)十余年的經(jīng)驗，編者認(rèn)為，將虛擬仿真實驗引入通信電路教學(xué)具有如下優(yōu)點:

(1)在課堂教學(xué)中適當(dāng)結(jié)合虛擬仿真實驗。目前，通信電路的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)是分開進行的，課堂教學(xué)對很多技術(shù)細節(jié)的講解不夠形象直觀，有必要適當(dāng)引入虛擬仿真實驗，增加課堂教學(xué)的創(chuàng)新性和趣味性，有助于科學(xué)地構(gòu)建知識體系。

從2016年9月到2018年5月的4個學(xué)期中，在“通信電路”課堂教學(xué)中引入虛擬仿真實驗課程，取得了良好的教學(xué)效果?！巴ㄐ烹娐贰碧摂M仿真教學(xué)情況如表1.1所示。

(2)創(chuàng)新實驗內(nèi)容，改革實驗教學(xué)方法。為提升學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識的能力，在課程內(nèi)容的安排以及教學(xué)方法的改革上應(yīng)緊緊圍繞對學(xué)生能力的培養(yǎng)來進行。利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和研究創(chuàng)新性實驗，突出實驗教學(xué)以學(xué)生為中心的開放模式。

根據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計的虛擬仿真實驗案例如表1.2所示。

(3)建立適應(yīng)多層次要求的培養(yǎng)方案。由于學(xué)生水平和能力不同，需要建立不同專業(yè)水平的人才培養(yǎng)方案。編者所在的通信學(xué)院有針對中國學(xué)生的課程，面向如通信工程、信

息工程、信息安全和信息對抗等不同專業(yè)的學(xué)生；還有留學(xué)生課程。因而學(xué)生在通信電路的學(xué)習(xí)上有不同的需求，課堂教學(xué)應(yīng)用虛擬仿真實驗的內(nèi)容也應(yīng)有所差異。

綜上所述，通過在教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真實驗的手段，能夠改革舊有的教學(xué)模式，探索全新的教學(xué)模式，進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，給學(xué)生自主探索和自主創(chuàng)新提供機會和空間。

1.4教學(xué)效果分析研究

在通信電路的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，結(jié)合虛擬仿真實驗手段，其教學(xué)效果如何，需要在教學(xué)實踐中加以驗證，并在不斷的修正中得以提高。不同于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，編者認(rèn)為基于虛擬仿真技術(shù)的通信電路實驗教學(xué)在內(nèi)容安排、教學(xué)模式、成績考核等方面，需要作出如下調(diào)整和完善。

(1)建立科學(xué)的考核評價體系。傳統(tǒng)的實驗課程成績評定主要以實驗報告和平時考勤為主要考察內(nèi)容，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，且易造成學(xué)生互相抄襲實驗報告的情況?？茖W(xué)的考核評價體系應(yīng)更側(cè)重學(xué)生平時的表現(xiàn)。實驗課堂上根據(jù)個人操作情況打分，占20%；每次實驗課結(jié)束前，驗收實驗結(jié)果，占30%；上交實驗報告，批改成績，占50%。

(2)開展豐富有趣的技術(shù)比武活動。為了進一步培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)能力，借助虛擬仿真平臺開展豐富有趣的技術(shù)比武活動。教師可以選擇幾個知識點，借助虛擬仿真平臺，讓學(xué)生組隊進行自主開發(fā)和電路研制，通過相互之間的擂臺賽，進一步鞏固和加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

編者將這一模式應(yīng)用于通信電路教學(xué)實踐之中，取得了以下成績。

(1)對留學(xué)生全英語教授“通信電路”課程，配合課堂虛擬仿真實驗，效果良好。先后做了串聯(lián)諧振回路、并聯(lián)諧振回路、諧振功率放大器、電容三點式正弦波振蕩器、振幅調(diào)制與解調(diào)電路等仿真實驗。

(2)通信工程專業(yè)本科生參與軟件設(shè)計開發(fā)以及實驗科目的設(shè)計制作，應(yīng)用能力得到了鍛煉，有助于切實了解同學(xué)上課需求。

(3)在通信工程專業(yè)課堂上進行虛擬仿真實驗，趣味性強，對加深理論知識的理解大有裨益。

(4)虛擬仿真軟件獲得了進一步的完善推廣。

總之，與傳統(tǒng)的實驗手段相比，虛擬仿真實驗具有成本更低