通信电路虚拟仿真实验 课件 第1章 虚拟仿真实验

第1章虚拟仿真实验1.1虚拟仿真实验简介1.2通信电路虚拟仿真实验平台构建1.3通信电路课堂与实验教学模式探索1.4教学效果分析研究

1.1虚拟仿真实验简介

虚拟仿真实验是一种交叉利用计算机、互联网络、电子通信、人工智能、自动控制、器仪表与测量等技术手段的现代实验技术，已经发展为一项人类认识自然、改造自然和创建客观世界环境的通用性和战略性的信息技术，继数学推导和科学实验之后，成为人类认识自然规律的第三大基本方法。建构主义流派繁多、内涵丰富，可以归纳为五大基本要素:情境化体验、互动建构知识、内在专注力、多元心智发展和实践共同体。

(1)建构主义学习理论注重情境化的学习体验。虚拟仿真技术能够提供多维感知环境，优化匹配学习训练任务与现实条件，直观高效地实现知识从一个情境化体验到另一个情境化体验的无缝迁移。

(2)建构主义学习理论认为，认知主体通过新旧经验的互动才能积极建构知识体系。学习者在与虚拟环境的仿真对象进行互动的过程中，建立与发展先验知识，顺应建立新经验，促进知识发现与探究。

(3)建构主义学习理论注重内在专注力的激发。虚拟仿真环境更能激起学习者对任务的共鸣，富有吸引力、容易理解，便于学习者专注自我学习任务，提高学习效果。

(4)建构主义学习理论注重多元心智发展。作为多学科交叉技术，虚拟仿真实验体现并发展了不同的学科能力，在学习训练过程中，多学科专业背景发展有助于提高学习、沟通与组织能力。

(5)建构主义学习理论注重社会性，多专业人群学习产生实践共同体。虚拟仿真技术所具有的分布式、网络化和实现性的特点，为学习、训练、实践、创新过程中的分工协作提供了条件。

因此，有必要从建构主义的角度重新审视电子通信类课程的教学规律。“通信电路”是电子通信类专业的重要专业基础课程，其中的关键环节就是培养实践动手能力，因此，形象生动的课堂教学和实践实验环节对提升教学效果起到非常重要的作用。基于此，将计算机虚拟仿真技术应用于“通信电路”的教学中，顺应了现代教育的发展，与传统的实验手段相比，具有以下无可比拟的优势。

(1)虚拟仿真实验由于其实验设备的虚拟性，节约了实验室空间和经费资金，改善了实验条件，实现了绿色实验室的建设。

(2)虚拟仿真实验大大减少了实验材料的浪费和实验过程的危险性。

(3)虚拟实验环境便于教师针对不同层次的学习者提出具体的不同方案，有助于开发逻辑思维，培养动手能力。学生能发挥创造性，更好更深刻地理解新知识、新技术，进一步探索未知领域。

此外，作为一种研究型的个性化学习方式，虚拟仿真技术在改善实验体验方面也有无与伦比的优势，具体体现为:

(1)虚拟仿真技术构建了逼真生动的学习环境，学生成为探究知识和解决问题的认知主体，可以获得强烈的成就感和存在感。

(2)帮助将抽象深奥的学习内容具体形象化，学习和探究变得具体现实、生动安全。

(3)帮助学生自主学习，激发其积极的情绪，满足其内在的需要和动机，充分调动学习的积极性，使学生摆脱枯燥的理论与课本，自由探索新的知识技能。

(4)信息化技术具有交互式、网络化、分布式、智能化、跨时空的特点，为不同地域上的实践共同体提供相同的交流环境，便于开展集体协同的创新训练。

认知学习理论认为，个体获得经验的过程是通过积极主动的内源信息加工活动形成新的认知结构的过程，建构主义和认知理论一样都强调学习的主动建构性，强调学习者本身

已有的经验结构，格式塔心理学家考夫卡或者发现学习倡导者布鲁纳，或是有意义接受学习的倡导者奥苏贝尔对其都持同样的观点。

1.2通信电路虚拟仿真实验平台构建

在通信电路虚拟仿真实验平台构建过程中应当注意以下原则。(1)支持实时交互。实时交互要求仿真系统和虚拟对象能在很短的时间内，对各种操作或参数的改变作出正确的响应，这是虚拟仿真环境的基本要求。(2)友好、开放性的内核。自主的学习训练是高度个性化的，虚拟仿真平台应具有高度的友好性和开放性，提供易实现、可扩展和成熟的内核支持。

(3)易安装扩展。虚拟环境软件占用的内存空间应尽可能小，有助于实现网络及时响应和网络协同训练。

(4)开放的国际标准。一是便于虚拟环境和对象资源的共享和交流，二是利用免费的开放软件，有利于降低成本。

(5)运行环境要求低。为便于课堂和实验教学，虚拟仿真环境最好可以在常用的个人计算机上实现。

电子通信专业的仿真软件主要有OrCAD、PSPICE、PCAD、AltiumDesigner、Multisim、Proteus、LabView、Quartus、LabWindows、CVI、MATLAB/Simulink等，其中，适合仿真通信电路的软件主要有LabView和Multisim。

1.2.1登录和实验选择界面

1.登录界面

学生登录界面包括学号和密码输入文本框，显示“欢迎登录通信电路实验系统”，还包括“登录”按钮和“退出”按钮。

学生登录界面前面板如图1.1所示。

图1.1学生登录界面前面板登录界面程序框图如图1.2所示。图1.2学生登录界面程序框图

2.实验选择界面

实验选择界面包括实验名称文本框如“通信电路实验目录”、“实验说明”按钮、“进入实验”按钮和“返回”按钮。

实验选择界面前面板如图1.3所示。

图1.3实验选择界面前面板实验选择界面程序框图如图1.4所示。

图1.4实验选择界面程序框图

1.2.2实验操作界面

1.实验一

1)实验一说明界面

实验一说明界面包括实验说明文本框，显示“RLC串联电路实验说明”和返回按钮。

实验一说明界面前面板如图1.5所示。

图1.5实验一说明界面前面板实验一说明界面程序框图如图1.6所示。

图1.6实验一说明界面程序框图

2)实验一进入界面

实验一进入界面显示滑动杆、波形图表(WaveformChart)、开关、开始实验和结束实验按钮。

实验一进入界面前面板如图1.7所示。

图1.7实验一进入界面前面板实验一进入界面程序框图如图1.8所示。

图1.8实验一进入界面程序框图

3)实验一仿真界面

实验一Multisim仿真电路图如图1.9所示。

图1.9实验一Multisim仿真电路图

实验一Multisim仿真电路图程序运行结果界面如图1.10所示。图1.10实验一Multisim仿真电路图程序运行结果

2.实验二

1)实验二说明界面

实验二说明界面为实验说明文本框，显示“调谐放大器电路实验说明”和返回按钮。

实验二说明界面前面板如图1.11所示。

图1.11实验二说明界面前面板实验二说明界面程序框图如图1.12所示。图1.11实验二说明界面前面板

2)实验二进入界面

实验二进入界面显示

us

输入、RW值调节、放大倍数、波形图表、开始实验按钮和结束实验按钮。

实验二进入界面前面板如图1.13所示。

图1.13实验二进入界面前面板实验二进入界面程序框图如图1.14所示。

图1.14实验二进入界面程序框图

3)实验二仿真界面

实验二Multisim仿真电路图如图1.15所示。

图1.15实验二Multisim仿真电路图实验二Multisim仿真电路图程序运行结果如图1.16所示。图1.16实验二Multisim仿真电路图程序运行结果

1.3通信电路课堂与实验教学模式探索一般来讲，传统教学模式存在以下问题:其一，教学内容陈旧。传统的教学观念是以传授知识为中心的继承性教育，重理论而轻实践，对学生的分析能力、设计能力、创新能力等的锻炼远远达不到本科生的培养目标；其二，教学方式方法单一。很多大学老师沿袭中学老师的教学方法，仍然按部就班地只对实验目的、实验设备、实验原理、实验方法、实验步骤逐一进行讲解，养成了学生的依赖性和惰性；其三，教学资源匮乏。由于实验设备价格昂贵，实验教学可能存在高成本和高风险的问题。

基于此，本书从虚拟仿真实验的角度探索通信电路课堂与实验教学的新模式。基于虚拟仿真平台对教学模式进行改革具有非常重要的现实意义。结合编者从事通信电路理论和实验教学十余年的经验，编者认为，将虚拟仿真实验引入通信电路教学具有如下优点:

(1)在课堂教学中适当结合虚拟仿真实验。目前，通信电路的课堂教学和实验教学是分开进行的，课堂教学对很多技术细节的讲解不够形象直观，有必要适当引入虚拟仿真实验，增加课堂教学的创新性和趣味性，有助于科学地构建知识体系。

从2016年9月到2018年5月的4个学期中，在“通信电路”课堂教学中引入虚拟仿真实验课程，取得了良好的教学效果。“通信电路”虚拟仿真教学情况如表1.1所示。

(2)创新实验内容，改革实验教学方法。为提升学生的实验兴趣，培养学生灵活运用所学知识的能力，在课程内容的安排以及教学方法的改革上应紧紧围绕对学生能力的培养来进行。利用虚拟仿真技术设计基础性实验、设计性实验、综合性实验和研究创新性实验，突出实验教学以学生为中心的开放模式。

根据课程内容，设计的虚拟仿真实验案例如表1.2所示。

(3)建立适应多层次要求的培养方案。由于学生水平和能力不同，需要建立不同专业水平的人才培养方案。编者所在的通信学院有针对中国学生的课程，面向如通信工程、信

息工程、信息安全和信息对抗等不同专业的学生；还有留学生课程。因而学生在通信电路的学习上有不同的需求，课堂教学应用虚拟仿真实验的内容也应有所差异。

综上所述，通过在教学中应用虚拟仿真实验的手段，能够改革旧有的教学模式，探索全新的教学模式，进一步提高人才培养质量，给学生自主探索和自主创新提供机会和空间。

1.4教学效果分析研究

在通信电路的课堂教学和实验教学中，结合虚拟仿真实验手段，其教学效果如何，需要在教学实践中加以验证，并在不断的修正中得以提高。不同于传统的教学模式，编者认为基于虚拟仿真技术的通信电路实验教学在内容安排、教学模式、成绩考核等方面，需要作出如下调整和完善。

(1)建立科学的考核评价体系。传统的实验课程成绩评定主要以实验报告和平时考勤为主要考察内容，不利于激发学生学习的积极性，且易造成学生互相抄袭实验报告的情况。科学的考核评价体系应更侧重学生平时的表现。实验课堂上根据个人操作情况打分，占20%；每次实验课结束前，验收实验结果，占30%；上交实验报告，批改成绩，占50%。

(2)开展丰富有趣的技术比武活动。为了进一步培养学生的专业素质能力，借助虚拟仿真平台开展丰富有趣的技术比武活动。教师可以选择几个知识点，借助虚拟仿真平台，让学生组队进行自主开发和电路研制，通过相互之间的擂台赛，进一步巩固和加强学生的自主学习能力。

编者将这一模式应用于通信电路教学实践之中，取得了以下成绩。

(1)对留学生全英语教授“通信电路”课程，配合课堂虚拟仿真实验，效果良好。先后做了串联谐振回路、并联谐振回路、谐振功率放大器、电容三点式正弦波振荡器、振幅调制与解调电路等仿真实验。

(2)通信工程专业本科生参与软件设计开发以及实验科目的设计制作，应用能力得到了锻炼，有助于切实了解同学上课需求。

(3)在通信工程专业课堂上进行虚拟仿真实验，趣味性强，对加深理论知识的理解大有裨益。

(4)虚拟仿真软件获得了进一步的完善推广。

总之，与传统的实验手段相比，虚拟仿真实验具有成本更低