虚拟仿真电子技术汇总十篇

时间:2022-08-10 05:01:05

虚拟仿真电子技术

虚拟仿真电子技术篇(1)

电子技术是电气类专业及自动化专业的主要课程,电子技术课程一般将自动化技术、电气技术、电子技术三者融为一体,主要有以下几个特征:(1)知识理论较深,波形变化复杂难以捉摸,教学模式单一,学生不易理解。(2)电子技术系统模式特征鲜明,波形变化、参数变化较为复杂,每个电路电子实验项目独立性强。(3)电子电路设计综合性强,电子技术应用范围广,可开发操作案例非常完善。

2.虚拟仿真软件的选择

考虑到电子技术课程理论知识较深,系统模式化明显,所以教学一般选用EWB虚拟仿真软件,此软件具有以下几个特点:(1)EWB具有非常强大的模拟仿真能力,适合教学实践仿真,学生易于学习操作,EWB运行简单。(2)EWB软件采用直观的图形界面,易于仿真实验室工作平台。(3)EWB也是一个非常专业的电子技术训练工具,可以提供专业的门电气系统模型,具有实物的所有数据与特征属性,非常适合虚拟仿真模拟操作,并且节约经费,数据准确。

3.电子技术课程教学应用虚拟仿真的可靠性

随着国家对教育事业的大力投入,众多职业学校的教学设施以及环境都得到了改善,多媒体教学基本普及,许多学校也有了自己相应专业的实验室及教学用室,计算机以及相应的虚拟仿真平台也得到了普及,在日常教学课程中,教师可以通过虚拟仿真平台来演示一些较难理解的知识,让学生更好地观测、理解这些知识点。虚拟仿真平台的大力发展和普及取决于计算机技术、多媒体技术的高速发展,职业学校纷纷设立自己的电子技术类专业实验室,安装不同的先进的虚拟仿真平台,学生在下课时也可去多媒体教室进行软件学习,这让教学不仅能在课堂上实现,课下也可以让学生进行相关学习,提升了教学质量和效果。

二、虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用

1.在电子技术课程教学中应用虚拟仿真教学

以往的电子技术课程教学中,教师由于电子技术专业实验室及设备的缺乏,无法将理论知识与实践实验相结合进行教学,只能将传统系统教学分为理论知识教学和实验教学两部分。但在纯理论知识的教学中,教师很难将一些较难理解知识公式教给学生,学生也难以理解。若通过演示实验,会占据大部分课程时间,如果能将虚拟仿真技术引入到教学课堂,将大大减少教学用时,也会告别传统教学模式,让学生跟着教师在虚拟仿真平台上进行实验,使学生更简洁地理解相应的理论知识,提升学生学习电子技术课程的积极性。

2.改革电子技术课程教学,增加虚拟仿真实验

在一般职业学校中,电子技术专业教学多注重实践操作,但若学生没有很好地掌握理论知识,就很难操作好一些相关的实验,电子技术专业课程需要将理论知识与实验相结合才能完善教学。这就需要应用虚拟仿真平台,既可以让教师引导学生用实验来理解理论知识,也能让学生自主进行相关虚拟仿真实验的探索,来提升学生对电子技术的热情和设计创作水平。

虚拟仿真电子技术篇(2)

虚拟仿真技术作为一种新型的科学技术越来越为人们所关注,在中职电子技术教学中引进这项技术,是中职院校发展的需要,也是时展的必然趋势。

一、虚拟仿真技术在中职电子技术教学中运用的重要性

虚拟仿真技术又称模拟技术或者虚拟现实技术,通俗上讲就是用一个虚拟的系统模仿一个真实系统的技术。随着计算机科学技术的迅猛发展,虚拟仿真技术已应用在生产生活的多个领域。近几年,在中职电子技术教学中也引入了虚拟仿真技术,它不仅提供了新型的教学手段,优化了教学模式,而且弥补了传统教学的不足,给教学带来了全新的体验。

二、满足电子技术教学的需要

电子技术是一门理论性和实践性都很强的学科。作为学生而言,首先必须要有扎实的理论知识作基础,掌握各种复杂的数学计算公式、识别各种电子元件并熟知其性能,同时还得掌握电子维修、电子技术开发等基本理论知识,最终才能将所学的知识运用于实践。要真正提高学生的电子技术水平,必须有大量的实践经验,没有丰富的实践经验,即使掌握再丰富的电子技术理论也无济于事。而虚拟仿真技术能够为学生模拟一个仿真情境,让学生在这个情境中进行电子技术操作,使学生将平时所学的电子技术理论知识运用于实践,并在实践操作中加深对理论知识的理解和巩固,让学生真正做到在“学中做,做中学”,不断提高自身的电子技术水平。

(一)创新教学方法

在中职电子技术教学中运用虚拟仿真技术属于实验教学法,改变了传统的以教师传授为主的枯燥乏味的教学方法,能够有效提高教学效率。虚拟仿真技术通过各种可操作的动态实例,能够比较有效地吸引学生的注意力,激发学生的学习兴趣,营造浓厚的学习氛围,让学生在实践操作中发散思维,提高学生的动手能力,从而实现电子技术教学的真正意义。

(二)符合学情需要

中职的学生大多数文化基础比较薄弱,对于课堂教师讲授的理论知识的接受能力较差,学习的积极性比较低,不喜欢枯燥乏味的课堂。与学习复杂的电子技术理论相比,中职学生显然更愿意动手操作。而虚拟仿真技术则刚好满足了学生这一方面的需求,给学生提供了动手操作的机会,它可以帮助学生积累实践经验,提高操作能力,为以后的工作奠定基础。

(三)减少意外情况的发生

电子技术在实践操作的过程中,由于操作人员的粗心或者不熟练,可能会出现电路起火、爆炸等意外情况,容易造成相关人员受伤。而虚拟仿真技术的运用,可以模拟操作情境,控制意外的发生,减少意外伤害,保障人员安全。

三、虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的运用现状

目前,随着科学技术的不断发展,虚拟仿真技术水平也在不断提高,很多技术生产行业中大量引进这种虚拟技术。而在电子技术教学实践中,虚拟仿真技术也逐渐成为辅助教师教学的重要工具。

(一)教师教学的得力助手

虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的运用,在很大程度上减轻了教师的教学负担,成为教师教学的得力助手。在以往的电子技术教学中,教师仅靠课堂上的理论知识传授让学生掌握相应的电子技术应用水平,其难度较大。再加上学生消极学习的态度也让教学效果大打折扣,而虚拟仿真技术则在很大程度上解决了这一问题。虚拟仿真技术通过模拟真实的操作情境,将静态的知识转换为动态的知识,让学生更容易吸收。正所谓“说上一百遍,不如做一遍”,有时候复杂的理论讲解不如一个操作更容易让人明白。在虚拟仿真技术的辅助下,学生学得轻松,教师教得也轻松。

(二)学生喜爱的教学手段

虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的运用,将学生从复杂难懂的理论知识海洋中解放出来,凸显了学生的主体地位,学生学习的积极性也明显提高。虚拟仿真技术在电子技术教学中的应用,打破了理论知识一统课堂的局面,带来了教学模式和教学手段的创新,营造出更加适合学生学习的氛围,对提高学生的电子技能水平大有裨益。

(三)教师的虚拟仿真技术的操作能力有待加强

随着虚拟仿真技术的不断推广,这项技术也逐渐在中职的各项实验实训教学中得到广泛运用。但由于部分教师没有经过专门的培训,对虚拟仿真技术的不熟悉和操作方面的不熟练,导致对虚拟仿真技术的运用成效并不明显。

(四)教师和学生过度依赖虚拟仿真技术

虚拟仿真技术拥有明显的优势,深受学生的喜爱,它在中职电子技术教学中的运用,给课堂教学带来了全新的体验,但在虚拟仿真技术的运用中仍然存在一些问题。一些教师过度依赖虚拟仿真技术带来的便利,完全不考虑课堂的实际需要,即使在理论性很强的课堂上仍然依赖虚拟仿真技术。比如,有的教师在学生没有掌握扎实的理论知识的情况下就盲目使用虚拟仿真技术,不仅没有达到预期的教学效果,反而降低了教学效率。不仅教师如此,在学生身上也存在着过度依赖虚拟仿真技术的现象。虽然虚拟仿真技术能够有效地提高学生的动手操作能力,但是模拟操作与实际操作仍然有区别,模拟操作并不能完全取代实际操作。毕竟现实生活中和以后的工作中需要的是实际操作经验,无论是教师还是学生,在教学中绝不能用模拟操作完全取代实际操作。

四、关于虚拟仿真技术在中职电子技术教学中运用

虚拟仿真技术在中职电子技术课程教学中的应用是我国教育信息化发展的必然趋势,同时也是提高电子课程教育教学质量和水平的重要途径。在中职电子技术教学中,应该充分发挥虚拟仿真技术的优势,提高教学效率和学生的实践应用能力。

(一)利用虚拟技术模拟教学情境,提高学习效率

利用虚拟技术模拟生产、生活中的实际场景,让学生有一种身临其境的感觉,使学生在这种教学情境中轻松愉快地获取知识。这种教学方法不仅能激发学生的学习兴趣,而且能使学生较快地融入到学习中,主动思考,积极合作,从而提高学生的学习效率。在中职电子技术教学中,教师完全可以通过虚拟仿真技术模拟一个教学情境。例如,教师可以模拟一个电路操作台,展现出现实中真实的电路数据,让学生积极参与到操作中,在操作中获取并巩固知识,从而提高实践能力。

(二)组织小组合作探究式学习

在运用虚拟仿真技术模拟操作时,可以将学生分成几个小组,通过小组内部的团结协作开展探究学习。在模拟操作时,一个人独自操作容易出现纰漏,而团体合作则可以利用集体的智慧,提高操作能力,往往能取得一加一大于二的效果。同时,为了提高小组合作的积极性,教师可以通过组织小组竞赛的方式激励学生的学习,从而有利于提高学生的学习效率和课堂教学效率。

(三)加强教师对虚拟仿真技术的运用能力

虚拟仿真技术对于中职学校来说是一种新型的教学辅助技术,许多教师对这种技术还不够熟悉,甚至不能熟练地运用。因此,中职学校应该建设一支能够熟练运用虚拟仿真技术的教师队伍,同时,电子技术专业的教师也应该积极地学习这项技术,让课堂教学因这一新技术的应用而变得更加生动活泼。

(四)模拟操作与实际操作相结合

虚拟仿真技术提供的模拟操作让学生在课堂上也能真切地体会到操作的滋味,但模拟操作并不能完全取代实际操作。模拟操作毕竟是人工模拟的,对于一些人们无法预料的情况并不能完全模拟出来,而真切实际的操作体验对于学生来说不仅是必要的,对于提高学生的电子技术应用水平也更为重要。因此,在电子技术教学中运用虚拟仿真技术时,绝不能忽视实际操作的重要性,应该将模拟操作与实际操作相结合,发挥二者的长处以提高学生的综合应用能力。总之,在中职电子技术教学中,我们应该充分发挥虚拟仿真技术的作用,合理利用虚拟仿真技术的优势,提高课堂教学效果和学生的学习效率,从而全面提高学生对电子技术的实际应用水平。

参考文献:

虚拟仿真电子技术篇(3)

引言

电子技术实验室是闽南理工学院示范性实验教学基地,也是电子信息工程、电气自动化等专业重点建设的实验室之一,在目前以信息化教学为主导的引领下,从实验教学的实用性、便捷性和经济性考虑,构建基于VisualC#.NET开发设计的虚拟电子技术实验教学客户端平台,是目前我院实验教学电子化、信息化管理建设的一个重要任务与发展方向。电子技术虚拟仿真客户端实现了信息电子化管理,不仅让我院实验教学管理更加效率化和便捷化,让学生脱离了过去繁冗的纸张式、人力式操作,同时,该客户端的实现减少了实验教学人员的编制数量以及实验相关的工作量。因此,构建完善的电子技术虚拟仿真客户端势在必行。学生个人信息、实验数据、实验报告、实验考核成绩查询等,都应该在网上得到很好的支持。实验数据是电子技术虚拟仿真客户端应包含的一项重要数据资源,其包含的数据量大,数据出误时需要及时更新,管理上较为复杂。因此,单纯地依靠人工来管理是难以实现的。该客户端平台以电工电子实验硬件资源为基础,实现网络虚拟实验、实验数据管理与处理等需要而设计,在很大程度上减轻实验教学人员的的工作负担,实现了电工电子类实验教学的网络化、高效化、规范化,减少了人为的误操作而损坏实验硬件设备。

1客户端系统的设计

针对电子技术虚拟仿真客户端系统项目需求的角度进行分析,确定了系统中各个子系统的主要功能及任务。研究了客户端界面的设计原则,提出了基于VisualC#.net的客户端设计方法及数据库的设计原则。

1.1客户端系统需求分析

功能结构如图1所示。客户端的主要任务不是确定整个系统怎样完成工作,而是确定这五个子系统必须完成哪些工作,可以说是对系统客户端实现的功能提出完整、清晰、具体、准确的要求。需求分析过程要求客户端要完成的具体任务如下:首先明确对客户端的综合要求,主要包括性能要求、功能要求、运行要求及其它要求。性能要求包括数据准备度、响应时间、和适应性能要求;功能要求主要描述了整个系统要完成的全部功能;运行要求是对系统运行过程中硬件环境、软件、接口的要求;其它要求主要包括安全性、可靠性、保密性、可维护等方面的要求,以及今后可能涉及到改进升级问题做出分析。系统数据要求分析,通过对系统的信息流向归纳抽象出系统的数据逻辑关系,并对系统的动态数据、静态数据、数据库类型、名称以及数据采集方式进行详细描述。导出目标系统的详细逻辑模型,根据上面两项分析得出客户端系统的详细逻辑模型,并用数据流图、IPO图、数据字典来表示。

1.2系统设计流程

系统客户端共包含5个子系统:身份认证子系统、通信子系统、工具箱子系统、电子元件数据库子系统、电原理图自动生成与调整子系统。用户只要通过校园网使自己的计算机联入Internet,就可以通过客户端访问虚拟实验系统。客户端是用户直接打交道对象,多个客户端可以同时登录到系统服务器,同时完成不同的实验。系统服务器和所有的实验客户端都处于校园网的高速局域网中,用户在正常情况下通过客户端登录到服务器上,即可随时进行实验,如果客户端需要进行维护、修改时,可以随时从服务器上注销。交互设计,任何产品的功能体现都是通过人与机器的交互能力来判断的,如果这种交互更为简单,也就是说开发的产品更方便用户使用,这是交互设计的最终目标。因此,交互设计的核心要重点体现出人的因素,并按照以下原理来设计:①有错误提示信息时,方便用户纠正;②用户控制界面简单化。给出用户多种操作选择的提示信息;③允许兼用键盘和鼠标;④允许用户在操作过程中,可能因为某种原因需求中止当前操作去执行其它任务;⑤快速反应信息。用户在操作过程中,往往会出现操作不当靠成心理上的焦虑而陷入误区,系统快速反应信息可以必免这种情况发生;⑥使用的语言是面向用户的高级语言,方面阅读;⑦方便退出。视觉设计是在结构设计的基础上,根据用户的心理特征进行包括页面、字体、色彩等方面的设计。视觉设计的目标是让用户操作过程心情舒畅,其设计原则如下:①用户可根据自己需求改变界面色彩、风格;②色彩协调搭配。界面色彩反差不应过大,必免造成界面花花绿绿,尽量少用红色和绿色;③使用真实的图形符号;④具有视觉索引。用户根据不同的图形符号能够快速判断其代表的内容,达到用图形来刺激视觉的效果;⑤条理清晰、布局合理。总之,客户端界面设计的目标是为了满足用户的需求,整个设计过程都是围绕用户的考虑的,此外还应充分考虑整体的布局,界面各元素的位置、图标与色彩搭配的问题,以达到美化的效果,提高界面的可阅读性并具有吸引力。

2建立数学模型

实验电路原理图自动生成的过程,本质上就是对实物电路图到电路原理图的转换过程。要完成这一转换过程,需要对实物电路进行建模,对电路的各个组成单元进行抽象、分析、统合、识别的过程。电子元器件的建模是在面包板建模的基础上进行的数学分析,它与元件的端口数、元件的插入位置有关。下面是以二端元件电阻为例进行建模的过程(其它元件与二端元件建模相似)。在面包板上确定二端元件的两个插孔E2、F2,然后从插孔引出两上引线并在这两根引线上替换成电阻的符号图,如图3所示。对应的电阻元件信息表,如表1所示。频率计等,一般在使用过程中都是利用仪器的两个探头与被测电路的两点相连,读取被测两点的数据。测量仪器的建模过程可以参考二端元件的建模方法,其过程基本类似。

3系统功能实现

虚拟电工电子实验系统设计的最大亮点就是为用户提供了电原理图自动生成的功能。用户通过面包板搭建实物电路后,只要点击系统客户端菜单下的“视图”-“原理图”选项,就能够在窗口中查看自动生成的电原理图。但是,由于这一过程是通过数学建模、解析、映射生成的,得到的电原理图并不一定是用户所需的最佳原理图,因此系统还为用户提供手动优化的方法,以提高转换效率。电原理图自动生成的基本原理:矩阵M中的各个元素与面包板上的所有插孔实现了一一对应关系,矩阵中的信息也代表了实物电路的相关信息,用户可以根据实物电路的互连信息网表修改矩阵T值,映射成最优化的电原理图。在修改矩阵M值相关元素时,还要考虑面包板本身插孔的互连信息。相通的插孔数值也应相同(同1或同0),也就是说Ai=Bi=Ci=Di=Ei、Fi=Gi=Hi=Ii=Ji,并体现在矩阵中。

4效益分析及应用前景

随着闽南理工学院的发展状大,学生规模和实验室场所之间的矛盾越来越明显,学院在设备资金的投入也受到了一定限制。因此,电子技术虚拟仿真客户端系统的实现将解决这一主要矛盾,学生只要在网络上登入这一系统便可以完成相应的实验。当前我院还处于传统的实验教学模式,设备老化、实验场所限制、实验教学人员编制、实验室管理、实验工作量等问题都不能找出较好的解决方法。对这一问题,最好的解决办法就是借助计算机网络技术和数据库管理系统,对实验进行网络虚拟仿真,并对数据实行电子化管理。本课题的目的就是开发“电子技术虚拟仿真客户端系统”,通过这一系统为学生提供网络实验平台,实现实验数据信息管理的电子化,提供一个电子化的信息管理平台。

参考文献:

[1]韦有双.虚拟现实技术与系统仿真[M].北京:国防工业出版社,2014.

[2]江晓玲.基于WWW的网上虚拟电工电子实验室的建设[J].电气电子教学学报,2013.

[3]林君.网上虚拟实验建设方案与实现[J].黑龙江工程学院学报,2015.

虚拟仿真电子技术篇(4)

中图分类号:TP391.9;G712文献标识码:A文章编号:2096-4706(2020)07-0183-04

ApplicationofVirtualSimulationSoftwareintheTeaching

ofElectronicTechnologyinUniversities

CAOHaiyan1,ZHANGDawei2

(1.SchoolofCommunicationTechnology,CommunicationUniversityofChina,NanguangCollege,Nanjing211172,China;

2.AcademicDepartmentofCommunicationUniversityofChina,NanguangCollege,Nanjing211172,China)

Abstract:Conformtothetransformationanddevelopmentofthemainelementsofteaching,teachingresourcesandteachingmediainthe“internetplus”era,mostteachersareexploringonlineandofflinehybridteachingmethodsthatmeettheneedsoftheirownuniversities.Inviewofthecurrentteachingsituationandproblemsofelectronictechnologycoursesinourschool,thispaperpresentsamethodologytoapplyMultisimvirtualsimulationsoftwareintoexperimentalteaching.TheapplicationandadvantagesofMultisimvirtualsimulationsoftwareinpracticalteachingareillustratedbyspecificexamples.Itisappliedinthenetworkteachingprocessof“nostopteaching,nostoplearning”,Italsoprovidesakindofteachingthoughtandmethodforthefollowingteachingreform.

Keywords:Multisim;virtualsimulation;electronictechnology;experimentalteaching

0引言

我校現有电子信息类广播电视工程、通信工程、电子信息工程专业和计算机类计算机科学与技术、数字媒体技术、智能科学与技术共计6个专业,电子技术课程是上述专业的重要专业基础课。是学生硬件类课程的基础,为学生后续专业课学习、毕业设计、创新创业大赛、各类计算机设计竞赛以及从事硬件类工作、科研提供了重要的保障。长期以来,课程的主要任务就是掌握电子电路的基本原理,强调电路的分析方法与设计研究,尤其是注重学生掌握电子电路器件的外部特性与实际应用能力的培养。因此,如何紧跟电子技术的发展,搞好课程教育和教学改革,提高教学质量,是高校教师一直研究的内容文章文结合学校的实际,提出在电子电路课程的教学中引入虚拟仿真软件,辅助理论教学、补充实验设备不足,进一步引导学生应用到课程设计、毕业设计和电子设计竞赛,提高人才培养的质量。

1虚拟仿真软件在电子技术教学中的可行及必要性

在电子技术课程的教学中,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路中的作用,在实验验证过程中会发生元件参数错误、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。

2Multisim软件主要功能和优点

Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的电子电路仿真软件,它用软件的方法虚拟电子元器件以及各类电子电工仪表,通过软件将元器件和仪器融为一体,能满足中小规模的模拟、数字逻辑以及混合电路的仿真需要,软件的主要特点如下。

2.1图形界面直观易用

该软件的操作界面延续了EWB软件的实验工作台的特点,可以像在纸上绘制电路图一样,利用鼠标直接拖拽电路元件和测试仪器放置在界面上,并可以直接用鼠标划线构成导线连接元件。

2.2丰富的元器件和测试仪器

该软件元件和仪表资源非常齐全,提供了当前国际主流元件商提供的一万多种元件,并且可以通过设置修改元件的基本参数,甚至可以在设计过程中创建自己需要的新的元器件。测试仪器库的测试仪器也很齐全,涵盖目前市面常用的测量仪器,并且面板设置跟真实仪器非常相似,使用方法一样。

2.3强大的仿真和电路分析功能

该软件具有较强的电路仿真和分析功能,可以提供电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、线性和非线性分析等多种电路分析方法;还可以设计、测试和演示各类电子电路,包括电路基础、模拟电子电路、数字电子电路、高频电子电路及部分微机接口电路等。

基于该软件的上述特点,在高校电子技术基础课程教学中,可以利用仿真软件检测设计电路的正确与否,及时排查错误。相对于利用实际硬件验证,提高了效率,节省了时间,避免了实际原材料的消耗和浪费,节约成本。并且在仿真的过程中,可以快速修改参数,及时观察出电路的输出情况,理解不同元件、不同参数对整个电路的影响,加深对实验实训内容的理解,掌握理论知识。[2]

3Multisim在电子技术教学中的应用

基于Multisim软件在电子技术课程中采用虚拟仿真教学法,不仅可以及时将抽象的概念形象化,还可以将一些学习方法等以动态方式体现出来,降低了学生学习理解的难度,拉近了课程教学目标与市场需求的距离;还可以根据需要随意控制,使實验结果反复重现,大大提高了课堂教学效率,也可以由学生自己动手得到实验结果,提高了学生的工程应用能力,使学生的学习兴趣得到了有效激发和提高。

3.1基于Multisim软件的实验方法

学生在电子技术的学习和实验过程中,利用Multisim仿真软件来验证和设计实验实训,需要遵循如下的步骤,如图1所示。

首先分析实验目的和实验任务需求,根据电路功能确定实验方案并选合适的元件,设计电路原理图。然后在Multisim仿真软件中搭建好电路模型,设置好元件参数并仿真。如果仿真结果不正确,则需要分析错误结果,找出电路设计的问题,修改设计电路图重新仿真完善。如果结果正确,则可以记录实验结果、分析数据、整理实验报告册。同时还可以通过修改电路中元件的参数,来分析总结参数的变化对电路的影响。

3.2Multisim软件在电子技术教学中的应用实例

负反馈放大电路是模拟电子技术中比较典型的基础验证性实验,在实验室中,需要进行基本放大电路和负反馈放大电路两种电路的连接和改接。学生在连线和仪器使用方面还比较生疏,很难在有限的实验时间熟练达到实验并验证的目的。可先用Multisim仿真该实验,能够使学生更好地理解实验内容,有条件的情况下再进行实验箱实物操作连接验证。既保护了实验仪器,也提高了学生电路设计的能力,也在特殊情况下解决了没有实验设备的缺点。

本例中建立的负反馈放大电路是一个带有电压串联负反馈的两极阻容耦合放大电路,如图2所示。

将图2电路图改接,将Rf断开后分别并在Rf1和RL上,其他连接不动,构成不含负反馈的基本放大电路,如图3所示。

3.2.1放大电路输出失真的观察

将上述电路图的输入信号的幅度提高10倍,使负反馈放大电路Ui=100mV,基本放大电路Ui=10mV。用示波器观察输出波形,如图4、图5所示。由输出波形图可以看出,如果输入信号的幅度设置过大,超出了放大器的放大区,输出波形将产生失真。图5的基本放大电路产生了饱和(削底)失真,图4的负反馈放大电路顶部和底部都产生了失真。

3.2.2放大电路动态参数的测量

调整输入信号幅度,在保证示波器监视下的输出波形Uo不失真的情况下,分别测量上述两幅图的中频电压放大倍数AV、输入电阻Ri和输出电阻Ro。

计算公式为AV=Uo/Ui;Ri=R1*Ui/(Us-Ui);Ro=(Uo/UL-1)RL,其中R1=5.1kΩ,RL=2.4kΩ。测量及计算后的数据如表1所示。

根据表1的计算数据分析,可以验证到:

(1)与无任何反馈的基本放大电路相比较,此带有电压串联负反馈的两极阻容耦合放大电路的动态性能的变化:极大地提高了输入电阻,降低了输出电阻,降低了放大倍数。

(2)将输入信号幅度控制在一定的范围内,放大后的输出波形均保持为不失真的状态,如图6、图7所示。

在实验的过程中,还可以让学生利用直流电压表测量三极管三个极的静态电压参数;试着改变一些元器件的参数,看看输出和静态工作点有什么变化;分别增大两个电路信号源的输出幅度至产生输出失真,观察反馈对非线性失真的改善情况等等。而这些在没有电路箱的时候也很容易实现,甚至操作上比有电路箱更方便实现。学生亲自动手画图,改动电路,亲眼看到示波器值的变化,然后启发他们用理论知识去解释所发生的现象,就能引起他们对理论学习的兴趣,激发动手实验的乐趣,提高分析问题、解决问题的能力,增加自行设计电路的信心。[3]

4结论

总而言之,在高校电子技术类课程的教学过程中,可以充分利用虚拟仿真Multisim软件到理论和实验的教学中去。Multisim软件界面清晰,使用简单,元器件和仪器等电子资源丰富,且可以定期更新下载较新的元器件库和仪器仪表。在线上、线下的理论、实验教学过程中均可以进行使用,并可以先进行预先仿真设计和分析,排查问题后再结合硬件实际操作,加深学生对知识的理解。

参考文献: 

[1] 俞志英.Multisim仿真软件在模拟电子技术实验教学中的应用 [J].信息技术与信息化,2019(4):113-114+117. 

[2] 豆玉杰,张霞.Ewb在电子电路教学中的作用 [J].农业网络信息,2007(2):109-110. 

虚拟仿真电子技术篇(5)

伴随着科学技术不断发展从而形成的虚拟仿真技术是一种作用于实验研究的新的科学技术,在20世纪40年底被发现。在几十年的革新、改进、发展中慢慢走向成熟,被应用于现代生产生活的各个方面。同时教育部门发掘到虚拟仿真技术在教学中的优势,作为一种新的教学方法用用于教学中。这一技术在教育领域的应用满足学生对教学的需要,对学生逻辑思维和动手能力有很大的帮助,提高教学效率和质量。

1.虚拟仿真技术概念

虚拟仿真技术又被称为虚拟现实技术和模拟技术,其技术核心就是利用一个虚拟系统去模仿一个相应的真实系统。它是一种实验研究的新技术,而它也是一直存在于自然客观规律中一直被使用,在计算机技术发展过程中被发现提炼出的新技术。在科学技术飞速发展的现代社会,虚拟仿真技术也在不断地进行技术改革和发展,并不断地成为必不可少的技术。

2.虚拟仿真技术在电子技术课程中的应用

科学技术突飞猛进的发展,使得电子课程原有的教学模式不适应社会的发展进程,学生对电子技术知识的需求量也在不断增加。虚拟仿真技术在电子技术课程的应用给教学带来了新的教学手段,满足学生对电子技术知识的强烈需求,适应社会对技术人才的高要求。

2.1 虚拟仿真技术融入课堂

电子技术课程在之前的教学模式是重理论轻实践,大部分的课堂时间放在理论知识的讲授中,课堂氛围死板显得枯燥无味,使学生学习积极性被打消,产生排斥心理。而且理论知识没有实践进行补充和认证,增加学生学习难度,对电子技术停留在一知半解的阶段。传统的电子技术仪器比较笨重,每次上课搬来搬去很麻烦有浪费课堂时间,课堂效率也不高。虚拟仿真技术英语与课堂解决了电子技术课堂实验难的窘境,教师在讲解理论知识的同时利用多媒体进行实验演示,把抽象的理论概念通过演示变得很容易理解,调动学生的学习兴趣,愿意主动去思考问题以及动手实验巩固知识点。虚拟仿真技术融入课堂提高课堂效率和教学质量,更能提供学生学习积极性。

2.2 革新实验教学方法

电子技术顾名思义是技术性很强的课程,技术能力是需要持续不断的实践进行积累。所以电子技术课程是一门对实践要求很高的学科,理论只是对技术实践的知识补充。两者要充分结合向应用。传统的教学手段就是对理论知识的死记硬背,只要能通过考试就可以,在实践方面的经验是少之又少。所以在电子技术的教学中要让学生了解虚拟仿真软件并学会在实验中使用,学生在进行电子技术实验中可以对理论知识进行强化,而且虚拟仿真技术在实验中应用然学生对实验的兴趣提高,在实验的过程中学生与学生之间可以进行跟好的交流,主动地寻找知识支撑,制定更好的实验方案,锻炼了学生主动寻找问题和解决问题的能力。

2.3 增多课程设计实践环节

原有的电子技术课程的实践课程设计都比较单一,学生的实践结果达不到预期好的效果。所以在虚拟仿真技术进入电子技术教学中要逐渐增多实践环节,对模拟电子技术内容进行多个单元的划分,最初由老师带领进行模拟电子技术的实验,然后在接下来的额试验中把主动权教给学生,让学生学会独立思考,然后对自己的实验结论进行陈述,在陈述过程中会让学生再次进行思考,这样对知识的记忆更牢固。

2.4 虚拟仿真技术运用注意问题

电子技术课程教学中引用虚拟仿真技术虽然在很大程度上改善了传统的教学弊端,对教学内容有了丰富的补充,让学生对抽象的理论知识得到更好的理解,激发学生的创新意识和学习积极性。但是不能让模拟仿真技术完全取代实际的技术机器进行试验,这样会让学生依赖于计算机中的仿真技术应用,在实际操作仪器过程中操作能力下降,不能满足岗位的技术需求,不仅不能达到人才培养的目的,反而会起到教育的反作用。因此,在应用虚拟仿真技术教学的过程中也要加入传统教育中积极的方面,做到虚拟技术的优质学习也能保证实物应用 的操作能力,培养学生的综合能力和高技术素养。

3.虚拟仿真技术应用于电子技术课程的意义

虚拟仿真技术在电子技术课程中的应用,打破了传统应试教育弊端,让死板的电子技术课堂教学变得更加活跃,真正实现电子技术课程教育理论联系实际;该技术的应用对教师的教学素质也是一种考验,虚拟仿真技术是不断发展更新的最新技术,教师要走在技术的最前沿,这样才能在教学中更好的教授给学生,提高自身的教学能力;培养学生的学习积极性和兴趣,让学生学会独立思考,主动提出问题并主动寻找解决方案,在实践中锻炼自己的动手能力和思考能力,让自己的综合能力得到提高;适应社会技术人才的高标准要求,学校跟注重学生在技术方面的实践动手能力,才能保证在激烈的竞争中保持较高的竞争率,为企业培养专业技术型人才。

4.结束语

虚拟仿真技术被广泛应用于生产生活中,成为必不可少的技术。作为实验研究的一门新技术,近年来被不断应用于教学领域,帮助学校培养专业综合性技术人才。电子技术课程是理论与实践综合运用的一门学科,在计算机上利用仿真软件在课堂上进行教学,把抽象的理论知识在演示的过程中简单化、直白化,让学生对很难理解的知识点得到直观的理解和学习。在实践中使用虚拟技术软件让学生会更好把理论知识转化为实践能力,同时对理论教学中漏掉的知识点通过技术实验进行补充,减少不必要的时间浪费。这样的新的教学方法让学生更积极主动的去学习,提高了对电子技术课程的学兴趣,对学生的思维训练和动手能力提高有很大的促进作用;课堂氛围得到改善,提高教学效率和质量。适应社会对人才需求,让学生在强大的竞争中也能凭借自身的技术能力和综合素养脱颖而出,实现自己的价值。但是教学中运用虚拟仿真技术时也要注意他可能带来的教学局限性,不能因为是好的技术就无限制的偏重使用,这也会导致教学质量的下降,对学生综合能力的培养带来弊端,所以要做到虚拟仿真技术在电子技术课程中的合理应用。

参考文献

虚拟仿真电子技术篇(6)

中图分类号:G420文献标识码:A

The Application of Virtual Simulation Technology in

"Electrical and Electronic Technology" Teaching

YU Ruihong, LIU Shucong, WANG Quansheng

(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)

AbstractSome reform and innovation were done on the traditional teaching model, combining with electrical and electronics teaching and curriculum design practice. Virtual simulation software Multisim10 were applied to the "electric and electronic technology" teaching, and the application of software Multisim10 in classroom teaching and curriculum practice were introduced, through the basic common-emitter amplifier and other examples. The teaching practice showed that simulation technology can compensate for the lack of traditional experiments, optimize circuit design, and improve the level of student to design and develop circiuts.

Key wordsvirtual simulation; electrical and electronic; teaching; practice

0 引言

电工电子技术是一门实践性很强的专业基础课,实验教学在这门课程中占有举足轻重的地位,它着重培养学生的实验操作技能和严谨踏实的科学作风,是提高学生分析问题、解决问题以及理论联系实际能力的重要环节。目前,传统的电工电子实验是学生在实验室根据给定的电路图和元器件搭建实验电路,用仪器测量数据,得出结论。传统实验教学在学生增加实物电子元器件知识、培养正确使用仪器仪表的方法及掌握基本的工程测量技术等方面有着无可替代的优势。但是,传统实验也存在实验器件老化,调试不方便,读数误差大,综合性和设计性实验比例偏少等缺点,不利于促进学生综合能力和创新能力的培养。

随着计算机技术的发展,现在已出现利用计算机仿真技术来完全或部分模拟实验设备的情况,运用电路设计仿真软件设计电路,是提高电子线路设计水平和能力的有效方法。利用虚拟仿真技术,教师在用电子教案教授理论知识的同时,可用仿真软件教学,使理论和实践相结合,让学生亲自感受到实际动手操作的乐趣,有效地提高了学生的学习兴趣和效率。

1 仿真技术在教学中的应用

仿真教学是现代教学中的一种全新的教学模式,它既是一种重要的教学方法、教学手段,又是一种新的教学理念。它在教学中显示出来不受时间、空间、经费、组织形式制约的优点和作用是传统教学无法比拟的。Multisi10仿真软件具有友好的用户界面,操作方便,具有数字、模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力。它提供的测试仪器和某些仿真元器件的外形与实物非常接近,操作方法也基本相同,是一款非常好用的电子电路仿真软件。将Multisim软件应用于电子技术的教学中,有利于改善教学方法和提高教学效果,有利于学生理解抽象的知识,激发学生的学习兴趣,提高学生综合设计能力。下面结合具体的实例说明Multisim软件在课堂教学中的应用。

1.1 共射放大电路分析

图1基本共射放大电路

图2射极电压图3共射放大电路三极电压

在三极管的基本电路分析这一节中,有不少知识点学生感到难于理解,在做实验时所测得的数据也不一定与理论符合,而我们通过仿真可以很好地掌握各个知识点。首先,依照所设计的电路图搭建电路,如图1所示,接入电压表,编辑完元件(元件参数及标签,快捷键等)后进行电路仿真;然后双击万用表(XMM1)图标,就可以观察三极管e端对地的直流电压,如图2所示。

(1)静态分析。在前面搭建好的电路之上,调节滑动变阻器的阻值,使万用表的数据为2.2V。执行菜单栏中simulate/analyses/DC Operating Point,这样便可得到三极管的三个极的静态电压,即基极,射极,集电极的直流电压,如图3所示。

(2)动态分析。在图1中在输入端加入幅值为 10mV的正弦电压信号,输出端分别接1.5k负载和空载。单击仪表工具栏中的第四个按钮(即:示波器Oscilloscope),并将其接入电路中。单击工具栏中运行按钮,便进行数据的仿真。然后双击示波器图标,得放大电路在接1.5k负载和空载时的输出电压波形,如图4和图5所示。

根据以上仿真结果,学生们可得出如下结论:①静态时基极和射极间电压UBEQ为0.6V~0.8V;②输出电压比输入电压幅值大,电路具有电压放大作用;③输出电压与输入电压在相位上相差 1800,共射极电路具有反相作用;④放大电路的放大倍数与负载有关,负载越大,放大倍数越大。

学生通过观察仿真结果、思考、总结归纳得这些结果,因此印象深刻,理解较透彻。

1.2 低通二阶滤波电路分析

图6 低通二阶滤波电路

图7低通二阶滤波电路特性

2 仿真技术在课程实践中的应用

有源滤波器在信号处理中有广泛的应用,尤其是去除传输过程中无用或者有害信号的频率分量。以前通过理论计算分析有源滤波器的幅频特性,现在利用Multisim仿真软件可得到各种滤波器的幅频特性曲线图,与理论分析对比,学生能够更加形象地掌握各种滤波电路的功能和特性。搭建如图6所示的低通二阶滤波电路,进行仿真之后得到图7所示的频率特性,可以比较直观地看出此滤波电路就是低通滤波电路。通过仿真实验,学生可以自由改变系统的结构、参数,通过观察各个节点的波形来了解模型中每一部分对结果的影响,直到找到满意的理论模型和相应的参数,将呆板的实验变为研究性的学习。

将虚拟仿真技术应用于电工电子技术理论课教学,借助电子线路仿真功能,随时改变电路结构和参数,动态演示电路的特性变化,将原来非常抽象复杂的理论知识变得直观形象,增强了学生的感性认识,加深了对所学知识的印象,降低了学习难度,提高了课堂效率和教学效果。

在课程综合设计和实践中,受实验经费、实验场地、实验耗材等条件的限制,综合性、设计性实验比例偏少,不利于促进学生自主创新意识和创新能力的培养。Multisim软件如同一个大的电工电子实验室,不受器件种类、数量和实验设备的限制,教师可以指导学生做一些综合性、设计性实验,比如数字电路中的数字钟,多功能抢答器,频率计,信号发生器等综合性的实验,这些都能够很好地提高学生的能力,促进学生自主创新意识和创新能力的培养。下面以数字钟为例简单说明数字钟的设计原理。

2.1 设计要求

要求设计一个具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示(小时从00~23)的计时器,具有手动校时、校分的功能,用74系列中小规模集成器件去实现。

2.2 数字计时器的基本设计原理

数字计时器一般都由振荡器、分频器、译码器、显示器等几部分组成。其中,振荡器和分频器组成标准秒信号发生器,由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数,把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成;“分”和“秒”显示分别由六十进制计数器、译码器和显示器构成。数字钟原理框图如图8所示,主要设计部分分析如下:

(1)振荡器:通常选用石英晶体来构成振荡器电路。一般来说,振荡器的频率越高,计时的精度就越高。

(2)分频器:功能主要有两个:一是产生标准秒脉冲信号;二是可提供功能扩展电路所需要的信号。选用中规模计数器74LS90D,每片为1/10分频器,选择合适的片数级连即可获得1Hz标准秒脉冲信号。如果振荡频率为100kHz,就得需要5片74LS90D进行级连。

(3)计数器:根据图8所示,显示“时”、“分”、“秒”需要6片中规模计数器。其中,“分”、“秒”位计时各为六十进制计数器,“时”位计时为二十四进制计数器。六十进制计数器和二十四进制计数器都选用74LS90D集成块,采用反馈清零法。

(4)校时电路:当刚接通电源或计时出现误差时,都需要对时间进行校正。将各模块连接成完整的电路,就能方便地设计出数字钟电路,使得学生们能够学以致用,激发了他们的学习兴趣,另外通过不断的改变控制逻辑电路部分,可以使电子钟表的功能不断地得到完善,使得学生们的创新能力得到了锻炼和提高。

图8数字钟设计原理图

3 结束语

Multisim软件如同一个大的电工电子实验室,可以弥补实验设施的不足,为实验提供了极大的便利,极大地提高了实践教学环节的质量;Multisim软件还可以辅助理论教学,教师可以在讲解完理论后直接进行实验和演示,使得物理过程更为形象直观;此外,Multisim软件用户界面直观,操作方便,学生在课后可自己设计电路,加理解电路功能及仪器仪表的使用,还可激发学生的学习兴趣,有效地调动学生的主观能动性,学生可以自主开发和设计一些电路,激发了学生的创新意识,培养了学生的创新能力。

利用Multisim软件提供的虚拟电子工作平台,可以方便地完成各项实验和教学工作。 但是仿真软件的操作不能代替实际电路,要充分发挥传统实验和虚拟实验各自的优势,在保留传统硬件实验的前提下,将以计算机仿真技术为主的仿真实验融合到传统的实验教学中来,构建一个新型的实践教学体系,以提高学生动手能力、分析问题解决问题的能力,提高学生自主创新意识和创新能力,全面提升学生的综合素质。

参考文献

[1]王冠华.Multisiml0电路设计及应用[M].北京:国防工业大学出版社,2008.

[2]马风格,梁夏,李桂香.Multisim在电子线路实验教学中的应用探索[J].实验技术与管理,2005(12):73-75.

虚拟仿真电子技术篇(7)

1.引言

自 20世纪 9o年代以来,以 计算 机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要 发展 方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。

2.虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

2.1虚拟现实技术

虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输入,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。

在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。

目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台creator vega vega prime vtree opengvs quest3d vrtolls eon、web3d、java3d、glstudio等。其中,multigen公司的虚拟现实数据库 openflight已经成为 了 工业 标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r vega prime、glstudio和 eon作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌入 opengl技术来解决物理模型 的交互问题。

2.2系统仿真技术

系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门,并进一步扩大到社会系统、 经济 系统、 交通 运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。

在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。

目前,有许多成熟的系统仿真开发平台软件.如 simulink、systemview等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空 电子 装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

3.1建立仿真模型

这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。

3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用eon进行动作的编辑和驱动;如果需要对装备进行虚拟操作仿真,则使用 glstudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 vega prime驱动以实现更复杂的交互操作。

3.3系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 vb、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 eon、glstudio及vega prime等均以activex控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的安排,注意程序间的兼容性即可。

虚拟仿真电子技术篇(8)

1.引言

自 20世纪 9O年代以来,以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探索在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和心得。

2.虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

2.1虚拟现实技术

虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个和现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输进,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 天生技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计和展示、贸易广告、游戏设计等。

在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。

目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虚拟现实数据库 OPENFLIGHT已经成为 了产业标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等新题目。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌进 OPENGL技术来解决物理模型 的交互新题目。

2.2系统仿真技术

系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、探究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要产业部分,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依靠于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。

目前,有很多成熟的系统仿真开发平台软件.如 Simulink、SystemView等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

3.1建立仿真模型

这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时进步逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。

3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式假如进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用EON进行动作的编辑和驱动;假如需要对装备进行虚拟操纵仿真,则使用 GLStudio软件先进行操纵面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 Vega Prime驱动以实现更复杂的交互操纵。

3.3系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的布置,注重程序间的兼容性即可。

虚拟仿真电子技术篇(9)

1.引言

自 20世纪 9o年代以来,以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。

2.虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

2.1虚拟现实技术

虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输入,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。

在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。

目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台creator vega vega prime vtree opengvs quest3d vrtolls eon、web3d、java3d、glstudio等。其中,multigen公司的虚拟现实数据库 openflight已经成为 了工业标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r vega prime、glstudio和 eon作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌入 opengl技术来解决物理模型 的交互问题。

2.2系统仿真技术

系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。

在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。 

目前,有许多成熟的系统仿真开发平台软件.如 simulink、systemview等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

3.1建立仿真模型

这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。

3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用eon进行动作的编辑和驱动;如果需要对装备进行虚拟操作仿真,则使用 glstudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 vega prime驱动以实现更复杂的交互操作。

3.3系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 vb、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 eon、glstudio及vega prime等均以activex控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的安排,注意程序间的兼容性即可。

虚拟仿真电子技术篇(10)

1虚拟教学法应用背景

在实际教学过程中,除了掌握“电子技术”课程必需的基础知识外,还需要培养学生“电子技术”方面的创新意识和实践能力,进而锻炼学生的思维,提高教师“电子技术”课程教学的水平。把虚拟教学法应用到“电子技术”教学中,可以有效增强学生学习的兴趣,提高学生学习的主动性,最终提高学生的学习效果和学习水平。因此,高职院校担任“电子技术”课程教学的教师应该加强对虚拟仿真技术的分析和应用,明确在“电子技术”课程教学中应用虚拟教学法的重要性、有效性和创新性,从而研究、制定出相关的方法和措施,促进学生整体学习能力和学习技巧的提升。

2“电子技术”课程的特点

“电子技术”课程是电气工程专业、自动化专业以及其他相关专业的主要课程,其教学内容是和电子、控制技术以及电气相互融合在一起的,“电子技术”课程具有很多特点,具体如下:第一,“电子技术”课程的教学理论性较强,在实际的教学过程中,课程内容较为单一和枯燥,因此,学生在学习的过程中通常情况下都会出现理解上的困难,影响学生的学习兴趣。第二,“电子技术”课程的系统模式化特点较为鲜明,且模型参数的变化也较为明显,其中的实验项目反而相对是独立存在的。第三,“电子技术”课程的项目设计的综合性较高,且技术的推广应用也较广,在实际的技术开发过程中,相关的案例也较为成熟。故而教师在教学过程中也可以将虚拟教学和实验教学相互结合起来,改变传统教学方式的局限性,帮助学生对抽象理论知识的理解,最终促进“电子技术”专业课程的创新发展。

3虚拟仿真平台的选用

“电子技术”课程的系统化程度较高,且理论分析上也较为复杂,因此,教师在采取虚拟教学法的过程中,在虚拟仿真平台的选择上,Matlab仿真平台是最佳选择,其在使用过程中具有很多的优势,具体如下:第一,Matlab仿真平台的计算功能较为强大,且在使用过程中,Matlab仿真平台的运算速度也较快,将其应用在“电子技术”课程的教学中,可以有效解决课程中的计算问题,提高教学水平。第二,Matlab仿真平台也可以提供两种虚拟仿真的形式,即利用编写代码文件进行仿真和利用Simulink的仿真平台进行图形化仿真,其教学效果非常直观且形象。第三,对于Simulink的仿真平台来说,将其应用在“电子技术”课程教学过程中,不仅可以提供实体图形化的模型和相关的仿真仪器等,还可以提供专门的电气系统模型,虽然并不是真实的物体,但是却具有真实物体的特征和属性,也具有较高的使用价值。另外,Matlab仿真平台的应用成本也相对较低,根据相关调查显示,其虚拟仿真结果和实际的实验结果相比较也具有一致性,教师在应用时,可以将Matlab仿真平台和实验项目的设计结合起来,以此来提高“电子技术”课程的教学质量和教学效率[1]。

4在“电子技术”课程中应用虚拟教学法的可靠性

4.1教学条件上满足应用条件

随着我国科学技术的飞速发展,我国各大高校在教学条件上也得到了相应的完善,大部分高校在教学过程中采取的都是多媒体教学的方式,为虚拟教学法的应用提供了可靠的教学条件。教师通过在计算机上安装相关的虚拟仿真软件,就可以利用多媒体技术进行“电子技术”课程的教学。另外,完善的硬件设施使得教师也可以利用虚拟仿真软件对实验进行演示教学,解决了我国传统“电子技术”课程教学中的实验教学问题。

4.2开发虚拟仿真技术的条件较为完善

在计算机技术的发展过程中,我国高校的电子类专业实验室也设置了相关的计算机设备,使得高校具备了开发虚拟仿真技术的条件。另外,我国的很多高校的“电子技术”专业中也具备了较为完善的网络技术以及数字信号处理等实验室也配备了相关的微机。同时,高校也在微机上安装了Matlab等仿真平台,为“电子技术”课程的虚拟仿真教学提供了完善的条件。除此之外,部分高校的学生也有自己的电脑,可以在电脑中安装相关的虚拟仿真软件,可以不受时间和空间地限制进行实验设计。

5在“电子技术”课程中应用虚拟教学法的重要性

5.1有利于调动学生的学习积极性

通过在“电子技术”课程中应用虚拟教学法,有利于调动学生的学习积极性。第一,高校在电子信息技术课程的教学过程中,通过建立实验基地,可以打造出锻炼学生的实践能力的综合性平台,帮助学生将所学到的理论知识应用到实际的操作过程中,从而加深对理论知识的理解,提高自身的实践能力。第二,在实际的虚拟仿真软件的操作过程中,也可以将学生难理解的理论知识用更加形象的方式表达出来,让学生更加直观地感受到“电子技术”课程的相关知识,提升学生的学习积极性和增强学生的学习兴趣。第三,教师在应用虚拟教学法进行教学的时候,也可以通过教学节奏的把控,来帮助学生探索并思考相关的知识结构,使其主动参与到教学过程中,凸显学生学习的主体地位,最终实现教学目标。

5.2有利于提升学生的实践动手能力

随着科学技术的快速发展,企业生产工艺更新加快,新技术被采用的步伐加快,这对高职院校人才培养提出了更高的要求,高职院校在“电子技术”课程的教学过程中着重以培养应用型人才为教学目标,在教学过程中,重点培养学生的分析能力、动手能力和实践能力。而通过在“电子技术”课程教学过程中应用虚拟教学法,可以有效提升学生的实践动手能力。高校通过为学生提供实践操作平台和操作环境,可以引导学生学会理论知识的应用,加深对“电子技术”课程的了解。虚拟教学法在教学实际应用过程中,更加强调学生学习的自主性,学生通过虚拟技术体验知识要点和能力要点,实现理论知识和实践操作完美融合,进一步提高“电子技术”课程教学的趣味性、有效性,帮助学生及时地发现并解决问题。

6我国高校在“电子技术”教学中的问题

6.1相关的学习环境有待完善

“电子技术”课程是一门实践性很强的课程,对于学习情景的要求也较高,但是在我国传统的教学工作中,教师一般选择生活中的例子来演示和创设实验内容。生活中的例子只能说明结果,无法获取演进过程,学生在学习中只能知道是什么,却难以知道因为什么。另外,对于演示实验所需的教材,由于学校经费有限,相关仪器设备缺乏或陈旧,导致部分实验无法完成。即使能进行演示实验,由于人员、空间、温度、湿度等诸多因素,实验结果会受到一定的影响,产生一定的误差,难以实现预期的教学目的。

6.2学生的主动探索意识有待加强

在传统的教学模式下,教师在进行“电子技术”课程教学时,教学内容主要来自于教材,主要教具是粉笔和黑板,即使有演示实验,也大多是验证实验。学生在学习知识的过程中总是被动的,即只记录和标记老师的讲解。在学习过程中,即使有自己独到的见解,也由于缺乏必要的实验测试,最终无法实现,学生的主动探索意识有待加强[2]。

7基于虚拟教学法下的“电子技术”教学措施

7.1将虚拟仿真技术融入教学课堂

我国以往的“电子技术”课程教学模式,通常情况下注重理论知识的掌握而忽视实践能力的培养,课堂大部分时间也用在了理论知识的传授上,课堂气氛较为活跃,很容易影响学生听课积极性。另外,如果理论知识没有得到实践的补充和验证,无形中也会增加学生的学习难度,因此,教师需要将虚拟仿真技术融入教学课堂,解决我国传统的“电子技术”课堂实验的困境。教师在讲解理论知识的同时,要充分利用多媒体进行实验演示,通过演示抽象的理论概念,帮助学生进行理解,激发学生的学习兴趣,使其愿意主动思考问题,愿意动手进行实验,进而巩固相关知识点。

7.2创新实验教学方法

“电子技术”课程的技术性很强,而学生的技术能力是需要在实践中进行不断积累的,因此,教师在实际的教学过程中,理论知识只是对技术实践的知识补充,两者需要进行充分结合方能实现最好应用。同时,教师需要创新实验教学方法,在实验教学中应用虚拟教学法,通过应用虚拟仿真软件,让学生将所学到的理论知识在实验中进行强化。另外,教师在实际应用虚拟教学法进行实验教学时,还需要加强和学生之间的交流,及时了解学生在实验过程中遇到的问题,帮助其制定解决问题的方案。同时,教师也要鼓励学生之间加强交流,通过学生之间的相互学习、相互影响,主动寻找实验内容的知识支撑,从而提高学生之间的相互协作能力,完善实验方案,提高学生主动寻找问题和解决问题的能力,最终提高学生“电子技术”课程的整体学习水平。

7.3增多课程设计实践环节

教师在应用虚拟教学法进行“电子技术”课程教学时,还需要增加实践环节的课程设计,进而实现时间目标、教学目标的有效控制。首先需要教师对“电子技术”课程的教学内容进行多个单元模块的划分,以此来提高虚拟教学法的有效性;其次,教师在教学过程中,需要对学生进行“电子技术”课程的演示实验,在按步骤规范地操作一次以后,要将实验的主动权交给学生,让学生自主实验,自主分析,独立思考,独立制定实验计划;最后,教师在学生实验操作结束以后,要安排学生对自己的实验过程进行简单的讲解和总结,引发学生对实验结果的思考,让学生在总结的过程中实现二次思考,最终实现理论知识的牢固掌握[3]。

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