基于LabVIEW虚拟仿真的《电路分析基础》教学研究

张海燕 吴园燕

摘  要： 利用虚拟仪器技术，基于虚拟仿真软件LabVIEW编程进行教学演示，以“二阶动态电路的阻尼振荡”为例，教学中通过演示不同参数下二阶动态电路的各种震荡现象，有助于加深学生对电路分析理论知识的理解，还有效增加了学生的学习兴趣，提高教学效率，改善教学效果，激发学生的学习积极性、主动性和创新性，同时也勾起学生对后续《虚拟仪器原理及应用》这门课的学习兴趣。

关键词： 虚拟仪器;LabVIEW;电路分析

中图分类号： TP391.9    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.015

本文著录格式：张海燕，吴园燕. 基于LabVIEW虚拟仿真的《电路分析基础》教学研究[J]. 软件，2019，40（6）：6973

【Abstract】： Using virtual instrument technology， based on the LabVIEW virtual simulation software programming for teaching demonstration， to ‘damped oscillation of second-order dynamic circuit as an example， through the demonstration in teaching the second-order dynamic circuit under different parameters of various oscillation phenomenon， help to deepen students' understanding of the theory of circuit analysis knowledge， also increased the students' interest in learning， improve teaching efficiency and the teaching effect， stimulate students' learning enthusiasm， initiative and creativity， but also arouse the learning interest in the following course ‘the principle and application of virtual instrument.

【Key words】： Virtual instrument; LabVIEW; Circuit analysis

0  引言

《電路分析基础》是电工类专业最重要的一门专业基础课。通过该课程的学习，学生掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本方法，并能对一般电阻电路、动态电路和正弦稳态交流电路进行分析计算，为学生继续学习各相关课程如信号与系统、线性电子线路等打下坚实的基础，同时通过与该课程配套的实验，理论与实验并重，可加深对理论的进一步理解[1]。

但是，在实际教学中由于该课程内容复杂，概念和知识点多，而相应的课时安排却非常有限，教师在授课过程中由于兼顾教学进度不能照顾到所有学生，往往使学生在学习过程中难于及时掌握信息，课堂教学效果甚微，一旦有一个环节落下，最终   极有可能造成学生对该课程失去学习兴趣[2-3]，因此，在应用型本科独立院校进行课堂教学改革势在必行。

1  课堂教学手段改革：虚拟仪器仿真技术引入课堂

目前，由于各种软硬件条件限制，电路分析课堂教学完全是填鸭模式，主要侧重于理论教学，完全忽略了学生的接受能力，尤其是在应用型本科独立院校，学生基础弱，专业功底不扎实，很能及时接受枯燥晦涩的专业课教学内容。仅凭有限课时的理论和实验教学，辅以布置大量的课后习题，只能培养应试型教育模式，很难加深学生对知识点的  掌握和理解，举例培养应用型人才的目标更是相去甚远。

经过多年对《电路分析基础》和《虚拟仪器原理及应用》的课程教学摸索后，将基于LabVIEW软件平台的虚拟仪器技术引入《电路分析基础》教学课堂，使教学过程中理论与虚拟仿真相结合，使抽象枯燥的理论教学更加生动形象，从而激发学生的学习兴趣，为后续的专业课学习打下坚实的基础[4]。随着电子技术的发展，新器件、新电路不断涌现，现有条件根本无法满足教学需要[5-7]。如果结合模拟仿真软件教学，既可以增加学生对电路的感性认识，又可以激发学生的学习兴趣。据统计，在电路教学过程中，大部分同学并没有接触过仿真软件在该课程的应用[8]。

《电路分析基础》的选择虚拟仪器技术的原因如下[9]：其一是虚拟仪器技术作为近些年来新兴的一门技术，将现有的计算机技术、软件技术和高性能模块化硬件结合在一起建立了功能强大又灵活运用的仪器。其二是虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，但是结合美国NI公司开发的LabVIEW图形化软件平台[10]，采用该软件图形化编程语言的优点，可以使我们通过操作鼠标和键盘时就像在操作一台真的仪器一样。其三是使用该技术成本低，使用方便，易于携带。其四是将虚拟仪器作为辅助教学手段引入课堂，有助于引起学生学习兴趣，活跃课堂气氛，不仅生动形象的展示课堂内容，加深学生对理论知识的理解，使学生更快地掌握课堂新知识，更能激发学生浓厚的学习兴趣[11]，教学效果明显改善。

1.1  虚拟仪器技术及LabVIEW简介

美国NI公司（National Instrument）最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念。它是利用计算机和标准技术准线为平台，以计算机的硬件资源为基础，以面向用户的计算机软件如LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——实验室虚拟仪器软件平台）为开发平台，实现完整的测试系统开发。该软件是面向用户的图形化编程软件，包含大量标准仪器驱动程序库、软件模块和工具包，它的程序即为虚拟仪器，主要包括两部分，前面板（Front Panel）和程序框图（Block Diagram）。前面板主要是通过添加控件和指示器完成虚拟仪器界面设计，实现数据的输入输出，程序框图包括节点、函数、结构、SubVI等，实现虚拟仪器的程序功能[12]，它不仅具有传统仪器的外观操作界面，并具有数据分析和处理功能，使用户在操作计算机时就像在操作一台真正的仪器。使用虚拟仪器技术具有测量成本低、灵活性好、功能强大、简单易学，教学演示效果直观真实，仿真结果准确可靠等特点，因此本文采用LabVIEW作为电路教学仿真软件作为课堂辅助工具，能更好地配合课堂教学效率和教学效果[13]。

以下以“二阶动态电路的阻尼振荡”为例介绍虚拟仪器仿真技术在《电路分析基础》课堂教学   应用。

1.2  二阶动态电路零输入响应介绍[14]

包含两个动态元件的电路称为二阶电路，这类电路可以用一个二阶微分方程或者两个联立的一阶微分方程描述。一阶电路中储能只有电场能或者磁场能，但是二阶电路既存储电场能又储存磁场能，这样的电路具有怎样的特点？以只含一个电阻（R）一个电感（L）和一个电容（C）串联的二阶动态电路（RLC）零输入响应为例，电路如图1所示。

2.2  虚拟仪器技术在电路分析课程的应用教学效果分析

以上采用LabVIEW软件平台，以二阶RLC串联电路为例实现了虚拟仪器技术在电路分析教学中的应用。在应用过程中发现，当伴随理论课程的教学中采用虚拟仪器技术在电脑操作，通过运行程序过程中不断改变电路参数，使学生能够更加生动形象而且直观的看到不同情况下的电路响应，明显看出有振荡和无振荡以及有阻尼和无阻尼之间的差别，与仅仅是在黑板手绘图形或者课件播放死板的图形相比更加生动，不但使学生对课程内容印象深刻，同时也使学生能够在程序运行状态下看到调节参数时响应的逐渐变化过程， 更能吸引学生对枯燥晦涩的电路分析课程浓厚的学习兴趣。

综上所述，利用虚拟仪器技术应用在电路分析教学中有以下几个优点：

利用虚拟仪器技术，主要依靠软件平台，同时还可以用LabVIEW自带的工具包或者函数库代替硬件仪器信号源或者示波器等，在不断提高教学效果的同时还大大降低了教学成本。

携带方便，在上课前只要在电脑上安装好LabVIEW软件，将事先备好的VI程序拷贝到电脑里就可以在教学过程中方便地演示，同時也引起学生对后续课程《虚拟仪器原理及应用》的兴趣。

通过在理论教学中引入虚拟仪器技术，生动形象的展示理论结果，为电路分析课程相应的实践课程打下了基础，使学生在实验过程中不再盲目的动手，而是可以在不断思考中分析实验结果，比较示波器显示结果与课堂教学结果是否一致，不会像以前的实验过程中需要依靠实验老师去判断数据的正确性与可靠性。

通过直观的教学演示，清晰地展示出不同条件下二阶动态电路的响应特点，使理论与实践相结合，加深学生对理论知识的理解，启发学生思维，激发了学生的学习兴趣，在有限的时间内取得了良好的教学效果。

3  结论

在电路分析课程教学过程中，采用虚拟仪器技术，利用LabVIEW软件，通过实时动态的显示电路理论结果，不仅使学生能够直观的看到理论内容演示，加深学生对课堂内容的理解，启发学生思维，激发学生学习兴趣， 提高教学效率和教学效果，也为该课程相应实验课程打下基础，而且能够激发学生学习的积极性、主动性和创造性，在有限的教学课时内实现学习的理论与实践相结合，为培养新时代创新性人才做出贡献。

参考文献

[1] 刘俊霞， 王静. 电路分析课程教学改革探讨[J]. 教育教学论坛， 201 6（25）： 94-95.

[2] 胡建. 基于数字变频器与SPLC控制的电梯门机信号接口电路的设计[J]. 软件， 2018， 39（2）： 179-183.

[3] 彭光含， 刘长青. 基于虚拟仿真的《电路分析》相位关系教学研究[J]. 大众科技， 2016， 18（208）： 85-88.

[4] 宋舒， 杨武钢， 肖梅. 将虚拟仪器技术融入《电工》课堂， 强化实践教学效果[J]. 陕西教育高教， 2014： 1-2.

[5] 李啸剑， 王智立. 虚拟化环境中服务监控调度系统的设计与实现[J]. 软件， 2016， 37（02）： 103-106.

[6] 任元超， 吴许俊， 董奇， 等. 基于Web 的虚拟网络实验室的设计[J]. 软件， 2015， 36（7）： 26-30.

[7] 唐实， 任淑霞， 王佳欣， 等. 基于虚拟VR技术的心脏医疗辅助系统的设计与应用[J]. 软件， 2018， 39（6）： 23-25.

[8] 于海平. “电路分析”课程教学情况的调查及对策[J]. 教学实践研究， 2016， 33： 36-39.

[9] 田武刚， 潘孟春， 陈棣湘.虚拟仪器技术在电工演示性教学中的应用[J]. 电气电子教学学报， 2012， 34（4）： 82-83.

[10] 胡武扬， 段富海， 董科锐. 基于LabVIEW 的舵机自动加载测试系统软件设计[J]. 软件， 2015， 36（5）： 24-29.

[11] 王文婷， 刘金宁， 谷志锋， 曾春花. 电路分析课程趣味性演示实验设计[J]. 实验室研究与探索， 2017， 36（5）： 199-203.

[12] 王磊. 精通LabVIEW8.0[M]. 北京： 电子工业出版社， 2007.

[13] 韩钢， 郗莹， 虚拟仪器综述[J]. 火控雷达技术， 2000，29： 41-44.

[14] 李瀚荪， 电路分析基础（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.