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虛擬儀器技術(shù)在電子與通信專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用論文
摘要：虛擬儀器技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于測(cè)量與控制領(lǐng)域的工程應(yīng)用之中。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)也可以作為一種有效的教學(xué)工具來(lái)提高電子與通信類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高動(dòng)手能力和工程經(jīng)驗(yàn)，加深他們對(duì)于所學(xué)課程的理解。本文介紹了虛擬儀器技術(shù)對(duì)于金陵科技學(xué)院電子與通信類專業(yè)教學(xué)的作用與意義。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電子；通信
一、虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介
虛擬儀器（VirtualInstruments，簡(jiǎn)稱VI）的概念，最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstrumentsCorp.簡(jiǎn)稱NI）于1986年提出來(lái)的，其基本原理是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，使原來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。用形象語(yǔ)言來(lái)概括虛擬儀器的原理，即“軟件就是儀器”[1]。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測(cè)量課題和測(cè)量需求。
�。ㄒ唬┨摂M儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)的背景
電子與通信類專業(yè)在金陵科技學(xué)院工程類專業(yè)中占有重要的地位，對(duì)我校應(yīng)用型本科專業(yè)的建設(shè)具有示范作用。然而，在這兩個(gè)工程類專業(yè)的教學(xué)中長(zhǎng)期存在一些問(wèn)題，具體表現(xiàn)為：1.重視理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，輕視動(dòng)手能力和實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，學(xué)生動(dòng)手能力差，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)明顯不足，而這些問(wèn)題又反過(guò)來(lái)弱化學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，最終導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)缺乏興趣與信心[2]。2.從未或很少將真實(shí)的物理信號(hào)引入課堂教學(xué)中，導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程理論脫離實(shí)際，學(xué)生對(duì)于本專業(yè)的理論知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景缺乏真實(shí)的、直觀的認(rèn)識(shí)。3.理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)與實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)相脫離，實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)往往安排在理論學(xué)習(xí)結(jié)束之后，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生無(wú)法及時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固與提高，導(dǎo)致實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)效果不理想[3]。本文將介紹虛擬儀器技術(shù)在電子與通信類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生將理論學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生在工程實(shí)踐中獲取知識(shí)的能力、綜合分析的能力、解決問(wèn)題的能力和實(shí)踐創(chuàng)新的能力，從而突出我校應(yīng)用型本科教學(xué)的特點(diǎn)。
�。ǘ┨摂M儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)教學(xué)中的指導(dǎo)思想
電子與通信類專業(yè)的特點(diǎn)是工程實(shí)踐性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和動(dòng)手意愿要求較高。這一特點(diǎn)就決定了實(shí)踐對(duì)于專業(yè)學(xué)習(xí)至關(guān)重要的作用[4]。所以，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)的教學(xué)也主要體現(xiàn)在對(duì)于工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的意義，其指導(dǎo)思想如下：1.在工程導(dǎo)論環(huán)節(jié)，對(duì)于剛?cè)雽W(xué)的大一新生，讓他們接觸各種基于虛擬儀器技術(shù)的綜合電子系統(tǒng)，如基礎(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)，傳感器與驅(qū)動(dòng)器器系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等，介紹其中的軟硬件知識(shí)和技術(shù)，增加學(xué)生對(duì)于所學(xué)專業(yè)的興趣和信心。2.在專業(yè)課的理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師努力將真實(shí)的物理信號(hào)引入課堂，如傳感器信號(hào)、調(diào)理信號(hào)、AD/DA信號(hào)，模擬通信信號(hào)、數(shù)字通信信號(hào)、調(diào)制域信號(hào)等。真實(shí)信號(hào)的引入可以增加學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高其自主學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。3.發(fā)揮虛擬儀器作為“口袋實(shí)驗(yàn)室”的作用，鼓勵(lì)學(xué)生將真實(shí)的信號(hào)帶回宿舍。宿舍是學(xué)生課余活動(dòng)主要的場(chǎng)所，如果學(xué)生能將宿舍時(shí)間有效地利用起來(lái)進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐和創(chuàng)新，無(wú)疑將對(duì)提高學(xué)生專業(yè)能力產(chǎn)生極大的幫助。
�。ㄈ┨摂M儀器技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)案例
我們將介紹幾個(gè)在教學(xué)中使用虛擬儀器進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新的案例，來(lái)闡述使用虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)。1.共基極放大電路的教學(xué)。共基極電路是一類重要的基本放大電路，如何讓學(xué)生掌握電路特征并計(jì)算電路參數(shù)，如發(fā)射極電流、集電極電流、電壓增益、輸入/輸出電阻等，一直是教學(xué)中的重點(diǎn)。我們?cè)诮虒W(xué)中是采用基于虛擬儀器技術(shù)的仿真結(jié)果和真實(shí)電路結(jié)果相比較的方法。電路仿真采用NIMultisim，該軟件主要是為工程師提供先進(jìn)的電路分析和設(shè)計(jì)能力。圖1為共基極放大電路在Multisim中的仿真。可以使用Multisim提供的萬(wàn)用表測(cè)量仿真結(jié)果中的電壓和電流。并可以很方便的在軟件中修改電路參數(shù)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出不同工作狀態(tài)下電路的參數(shù)。不同于傳統(tǒng)的電路仿真，我們?cè)贜IElvis面包板上搭建上圖所示的電路原理圖，如圖2。利用NIElvis自帶的數(shù)字萬(wàn)用表DMM對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于交流信號(hào)，可使用Elvis自帶的示波器對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量。將NIElvis的測(cè)量結(jié)果和軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以加深學(xué)生對(duì)于電路基本特征和參數(shù)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，NIElvis設(shè)備可以很方便的在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示，可以起到很好的教學(xué)效果。2.無(wú)線通信系統(tǒng)教學(xué)。射頻和無(wú)線通信課程的教學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)都基于數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)和仿真來(lái)進(jìn)行的，學(xué)生在課堂上很少能接觸到真實(shí)的通信信號(hào)，并且教學(xué)的過(guò)程中也是分模塊進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生幾乎沒(méi)有設(shè)計(jì)整條通信鏈路的機(jī)會(huì)。在教學(xué)中，我們采用NIUni-versalsoftwareradioperiphera（lUSRP）和Labview則可以很好的克服上述問(wèn)題。利用USRP和Labview，學(xué)生可以很輕松的進(jìn)行諸如信道編碼、信號(hào)調(diào)制、隨機(jī)碼元產(chǎn)生、信號(hào)均衡等現(xiàn)代通信技術(shù)。最終學(xué)生可以完成從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)中間完整的通信鏈路，這在傳統(tǒng)的射頻和無(wú)線通信課程中是很難完成的。利用USRP，可以很輕易地在課堂上演示一個(gè)完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，學(xué)生能夠看見一個(gè)數(shù)字調(diào)制域信號(hào)，能夠看見真實(shí)的850MHzGSM信號(hào)上行鏈路，可以分析真實(shí)信號(hào)的頻譜。甚至可以組建一個(gè)FM廣播信號(hào)發(fā)射和接收臺(tái)，見圖3。
二、結(jié)語(yǔ)
虛擬儀器技術(shù)結(jié)合統(tǒng)一的軟件平臺(tái)加上模塊化的硬件平臺(tái)，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作能力得以有效結(jié)合，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際動(dòng)手操作，加深其對(duì)理論專業(yè)知識(shí)的理解，促進(jìn)其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)知識(shí)的了解，增強(qiáng)其對(duì)專業(yè)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高其實(shí)際動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。
參考文獻(xiàn)：
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