立体虚拟技术在高频电子线路课程中的应用探索

郭交 秦立峰

【摘要】高频电子线路课程是电子信息类与通信类专业本科生的一门专业核心课程，在整个学科体系中具有承上启下的重要作用。通过本课程的学习，学生不仅可以掌握高频电子线路的基本理论、基本概念及基本分析方法，而且能够运用课程所学相关知识去分析、设计、解决实际的工程技术问题。高频电子线路课程的特点是内容多、专业性、综合性较强，涵盖了高等数学、信号与系统、电路分析、模拟电子线路等知识，对学生的基础知识要求较高。在该课程的实际教学过程中，学生普遍反映该课程理论抽象、电路分析复杂、掌握困难，因此，要想达到良好的教学效果，对该门课程进行教学改革是迫切而有意义的。

【关键词】虚拟技术 高频电子线路 课程探索

【中图分类号】G642.3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）24-0198-02

目前高频电子线路课程的教学主要包括两个组成部分，一是理论教学部分，即以传统的“灌输式”讲授为主，主要在课堂上完成；二是实践教学部分，在实验室利用现有的实验箱进行，基本上都是验证性实验，按部就班。教学过程中目前存在的问题主要集中在以下几个方面：（1）理论教学中，有些基本单元电路在分析中理论较为枯燥，学生易产生抵触情绪，学习积极性不高，导致基础理论知识掌握不够深入；（2）实践教学中，由于高频电子线路自身的特点，在实验过程中，输出波形与数据较容易受外界干扰，致使波形失真，实验数据与理论分析出入较大，实验效果也不理想，学生缺乏对实验结果的有效分析。究其原因，与现有的传统教学模式有很大关系，主要是理论教学中缺乏理论分析与直观试验的有机结合，理论与实践脱节现象较为严重，导致学生基本知识掌握不足、技能水平低下、实践能力缺乏。

针对上述存在的情况，为提高教学效果，在高频电子线路课程的教学过程中，可以有针对性地引入立体虚拟仿真技术。在教学过程中，通过引入从信号级到电路级的多层次仿真实验，使抽象的理论以直观的仿真形式得到充分展示和验证，提高学生学习的积极性，而且利用仿真还可以进行一些实际操作受外界干扰大且不易调试的实验，如混频，调幅与解调等等，可以解决实际高频实验中存在的实验效果不理想等问题。

一、传统教学中存在的问题

理论教学中，有些基本单元电路在分析中理论较为枯燥，学生易产生抵触情绪，学习积极性不高，导致基础理论知识掌握不够深入；实践教学中，由于高频电子线路自身的特点，在实验过程中，输出波形与数据较容易受干扰，致使波形失真，实验数据与理论分析出入较大，实验效果也不理想，学生缺乏对实验结果的有效分析。

二、 立体虚拟技术在高频电子线路教学中的应用

高频电子线路课程包含许多单元电路，课程内容的组织形式也是按照各单元电路的功能实现，在单元电路的授课过程中，要涉及到基本单元电路的信号分析和具体的电路结构形式，将信号级和电路级虚拟仿真技术分别引入到单元电路的信号分析和具体电路的实现形式中，结合可视化的演示，将有助于学生深入理解、掌握相关内容。

1.单元电路的信号分析—信号级虚拟仿真

單元电路讲授的第一步是要进行单元电路的信号分析，包括调制信号、载波信号和已调波信号的时域和频域分析，从信号的理论分析出发，介绍单元电路的基本功能和输入输出具体的信号形式。在讲授过程中，通过引入信号级的虚拟仿真实验，能大大提高学生的学习兴趣，加强对基础理论的掌握。例如，在讲解AM、DSB调制与解调一节时，可以利用matlab编程输入调制信号、载波信号和已调波信号，并利用matlab GUI进行界面设计，这样可以直接利用matlab的画图功能直观地显示各种信号的时域和频域形式，使学生更加深入理解和掌握单元电路的输入输出信号形式以及与各输入参数之间的关系。

2.单元电路的组成结构—电路级虚拟仿真

单元电路讲授的第二步是具体的电路结构形式，在电路结构的讲解过程中，需要首先介绍电路的基本组成原理，但是在理论讲授时缺乏电路的实际工作过程介绍，而引入基本的电路级仿真，不仅能直观上观测电路的组成和各关键点的信号形式，而且可以很方便地调节电路参数，直观地观察到输出信号与电路的具体参数之间的直接关系，是理论分析教学的一个很好补充和验证方式，同时也能加强学生对具体电路的理解和掌握。例如在高频功率放大器实际电路的讲解中，可以利用Multisim设计相应的实际电路图，如图2所示，通过设置相应的观察点可以直接查看集电极电流形式，通过设置示波器可以直接观察输入信号和输出信号的具体形式，如图3所示。

三、结束语

经过近几年对高频电子线路课程的实践教学，逐渐发现了目前教学中存在的一些问题，并试图通过引入立体虚拟技术以丰富传统的教学方法，经过上述改进后的授课模式得到了学生的普遍认可和广泛好评，学生的学习兴趣显著增加，对理论基础知识的掌握更加牢固，分析问题和解决问题的能力也有了大幅度提升，通过这种系统地教学改革，形成立体仿真实验—理论教学—实际实验相结合的立体化教学方法，可获得良好的教学效果，提高教学质量。

本文受西北农林科技大学教学改革研究项目资助（编号：JY1504043）

作者简介：郭交，男，博士，西北农林科技大学机械与电子工程学院副教授。研究方向：高频电子线路、信息与信号处理、智能计算等领域的研究与教学；秦立峰，男，博士，西北农林科技大学机械与电子工程学院讲师。研究方向：信息处理与模式识别方面的教学与科研。