通信電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 課件 第1章 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

第1章虛擬仿真實(shí)驗(yàn)1.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介1.2通信電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建1.3通信電路課堂與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種交叉利用計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電子通信、人工智能、自動(dòng)控制、器儀表與測(cè)量等技術(shù)手段的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)人類認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)之后，成為人類認(rèn)識(shí)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(yàn)、互動(dòng)建構(gòu)知識(shí)、內(nèi)在專注力、多元心智發(fā)展和實(shí)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(yàn)。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(shí)條件，直觀高效地實(shí)現(xiàn)知識(shí)從一個(gè)情境化體驗(yàn)到另一個(gè)情境化體驗(yàn)的無(wú)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(yàn)的互動(dòng)才能積極建構(gòu)知識(shí)體系。學(xué)習(xí)者在與虛擬環(huán)境的仿真對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)的過程中，建立與發(fā)展先驗(yàn)知識(shí)，順應(yīng)建立新經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)知識(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)性，多專業(yè)人群學(xué)習(xí)產(chǎn)生實(shí)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(shí)現(xiàn)性的特點(diǎn)，為學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、實(shí)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?！巴ㄐ烹娐贰笔请娮油ㄐ蓬悓I(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(shí)踐動(dòng)手能力，因此，形象生動(dòng)的課堂教學(xué)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)提升教學(xué)效果起到非常重要的作用?；诖耍瑢⒂?jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)手段相比，具有以下無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

(1)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于其實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬性，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室空間和經(jīng)費(fèi)資金，改善了實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)了綠色實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大大減少了實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)和實(shí)驗(yàn)過程的危險(xiǎn)性。

(3)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境便于教師針對(duì)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(dòng)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(shí)、新技術(shù)，進(jìn)一步探索未知領(lǐng)域。

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

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

(2)幫助將抽象深?yuàn)W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(shí)、生動(dòng)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(dòng)機(jī)，充分調(diào)動(dòng)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(shí)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(shí)空的特點(diǎn)，為不同地域上的實(shí)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(gè)體獲得經(jīng)驗(yàn)的過程是通過積極主動(dòng)的內(nèi)源信息加工活動(dòng)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(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動(dòng)建構(gòu)性，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者本身

已有的經(jīng)驗(yàn)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(duì)其都持同樣的觀點(diǎn)。

1.2通信電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

在通信電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建過程中應(yīng)當(dāng)注意以下原則。(1)支持實(shí)時(shí)交互。實(shí)時(shí)交互要求仿真系統(tǒng)和虛擬對(duì)象能在很短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)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(gè)性化的，虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)具有高度的友好性和開放性，提供易實(shí)現(xiàn)、可擴(kuò)展和成熟的內(nèi)核支持。

(3)易安裝擴(kuò)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同訓(xùn)練。

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

(5)運(yùn)行環(huán)境要求低。為便于課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真環(huán)境最好可以在常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)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(shí)驗(yàn)選擇界面

1.登錄界面

學(xué)生登錄界面包括學(xué)號(hào)和密碼輸入文本框，顯示“歡迎登錄通信電路實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)選擇界面

實(shí)驗(yàn)選擇界面包括實(shí)驗(yàn)名稱文本框如“通信電路實(shí)驗(yàn)?zāi)夸洝?、“?shí)驗(yàn)說(shuō)明”按鈕、“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”按鈕和“返回”按鈕。

實(shí)驗(yàn)選擇界面前面板如圖1.3所示。

圖1.3實(shí)驗(yàn)選擇界面前面板實(shí)驗(yàn)選擇界面程序框圖如圖1.4所示。

圖1.4實(shí)驗(yàn)選擇界面程序框圖

1.2.2實(shí)驗(yàn)操作界面

1.實(shí)驗(yàn)一

1)實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面

實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面包括實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文本框，顯示“RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)說(shuō)明”和返回按鈕。

實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面前面板如圖1.5所示。

圖1.5實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面前面板實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面程序框圖如圖1.6所示。

圖1.6實(shí)驗(yàn)一說(shuō)明界面程序框圖

2)實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面

實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面顯示滑動(dòng)桿、波形圖表(WaveformChart)、開關(guān)、開始實(shí)驗(yàn)和結(jié)束實(shí)驗(yàn)按鈕。

實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面前面板如圖1.7所示。

圖1.7實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面前面板實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面程序框圖如圖1.8所示。

圖1.8實(shí)驗(yàn)一進(jìn)入界面程序框圖

3)實(shí)驗(yàn)一仿真界面

實(shí)驗(yàn)一Multisim仿真電路圖如圖1.9所示。

圖1.9實(shí)驗(yàn)一Multisim仿真電路圖

實(shí)驗(yàn)一Multisim仿真電路圖程序運(yùn)行結(jié)果界面如圖1.10所示。圖1.10實(shí)驗(yàn)一Multisim仿真電路圖程序運(yùn)行結(jié)果

2.實(shí)驗(yàn)二

1)實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面

實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面為實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文本框，顯示“調(diào)諧放大器電路實(shí)驗(yàn)說(shuō)明”和返回按鈕。

實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面前面板如圖1.11所示。

圖1.11實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面前面板實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面程序框圖如圖1.12所示。圖1.11實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明界面前面板

2)實(shí)驗(yàn)二進(jìn)入界面

實(shí)驗(yàn)二進(jìn)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(shí)驗(yàn)按鈕和結(jié)束實(shí)驗(yàn)按鈕。

實(shí)驗(yàn)二進(jìn)入界面前面板如圖1.13所示。

圖1.13實(shí)驗(yàn)二進(jìn)入界面前面板實(shí)驗(yàn)二進(jìn)入界面程序框圖如圖1.14所示。

圖1.14實(shí)驗(yàn)二進(jìn)入界面程序框圖

3)實(shí)驗(yàn)二仿真界面

實(shí)驗(yàn)二Multisim仿真電路圖如圖1.15所示。

圖1.15實(shí)驗(yàn)二Multisim仿真電路圖實(shí)驗(yàn)二Multisim仿真電路圖程序運(yùn)行結(jié)果如圖1.16所示。圖1.16實(shí)驗(yàn)二Multisim仿真電路圖程序運(yùn)行結(jié)果

1.3通信電路課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索一般來(lái)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(shí)為中心的繼承性教育，重理論而輕實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的分析能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力等的鍛煉遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)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(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟逐一進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可能存在高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的問題。

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

(1)在課堂教學(xué)中適當(dāng)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。目前，通信電路的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分開進(jìn)行的，課堂教學(xué)對(duì)很多技術(shù)細(xì)節(jié)的講解不夠形象直觀，有必要適當(dāng)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)體系。

從2016年9月到2018年5月的4個(gè)學(xué)期中，在“通信電路”課堂教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。為提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)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(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)來(lái)進(jìn)行。利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，突出實(shí)驗(yàn)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(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(duì)中國(guó)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)會(huì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段，其教學(xué)效果如何，需要在教學(xué)實(shí)踐中加以驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容安排、教學(xué)模式、成績(jī)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(píng)價(jià)體系。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)?cè)u(píng)定主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)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(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況?？茖W(xué)的考核評(píng)價(jià)體系應(yīng)更側(cè)重學(xué)生平時(shí)的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)課堂上根據(jù)個(gè)人操作情況打分，占20%；每次實(shí)驗(yàn)課結(jié)束前，驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果，占30%；上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，批改成績(jī)，占50%。

(2)開展豐富有趣的技術(shù)比武活動(dòng)。為了進(jìn)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(tái)開展豐富有趣的技術(shù)比武活動(dòng)。教師可以選擇幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，借助虛擬仿真平臺(tái)，讓學(xué)生組隊(duì)進(jìn)行自主開發(fā)和電路研制，通過相互之間的擂臺(tái)賽，進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)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(shí)踐之中，取得了以下成績(jī)。

(1)對(duì)留學(xué)生全英語(yǔ)教授“通信電路”課程，配合課堂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)式正弦波振蕩器、振幅調(diào)制與解調(diào)電路等仿真實(shí)驗(yàn)。

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

(3)在通信工程專業(yè)課堂上進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，趣味性強(qiáng)，對(duì)加深理論知識(shí)的理解大有裨益。

(4)虛擬仿真軟件獲得了進(jìn)一步的完善推廣。

總之，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有成本更低