基于Multisim和LabVIEW的“高频电子线路”课程实验教学改革与实践

李瑜庆 田娟

摘  要：“高频电子线路”课程是电子信息工程专业学生的一门专业必修课，具有难学、难教的特点。文章在总结多年教学实践经验的基础上，从培养学生工程化实践能力入手，采用虚实结合的方法，构建基于Multisim和LabVIEW的仿真实验，制定工程化教学模式。结合工程实例，采用专业仿真软件辅助教学，改进教学方法，提高了教学质量，降低了课程学习难度，加强了对学生工程实践能力的培养。

关键词：工程化;Multisim和LabVIEW;实践能力

中图分类号：TP391.9;G434             文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0183-04

Reform and Practice of Experimental Teaching of “High Frequency Electronic Circuit” Course Based on Multisim and LabVIEW

LI Yuqing， TIAN Juan

（School of Electronics and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu  233030， China）

Abstract： “High-frequency Electronic Circuit” course is a compulsory course for students majoring in electronic information engineering， which is difficult to learn and teach. On the basis of summarizing many years of practical teaching experience， this paper starts from cultivating students’ engineering practice ability， adopts the method of combining virtual with real， constructs simulation experiment based on Multisim and LabVIEW， and formulates the engineering teaching mode. Combined with engineering examples， professional simulation software is used to assist teaching， improve teaching methods， improve teaching quality， reduce the difficulty of course learning， and strengthen the cultivation of students’ engineering practice ability.

Keywords： engineering; Multisim and LabVIEW; practice ability

0  引  言

對普通高校电子信息类学生而言，“高频电子线路”课程是一门重要的专业基础课。该课程是“电路分析”“模拟电子技术”的后续课程，具有一定的深度与难度，实践性强，该课程的学习效果将对后续“通信原理”“传感器与检测技术”等课程的学习以及大学生电子竞赛等学科专业竞赛产生较大的影响。在新的“三中心”教学范式（以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心）中强调了学生学习成果或获得能力的中心地位，这也是OBE教育理念的核心思想;当前，通信技术相关产业发展迅猛，迫切需要大量既有理论基础又有实践经验的科技人才，所以提高学生对本门课程的学习效果迫在眉睫。

在许多普通高校，该课程的实验通常是在实验箱上完成验证性实验，学生只是参照实验指导书进行相关的操作，完成相关实验结果的记录、现象等的验证，不利于学生对相关高频知识的掌握及其实践应用能力的培养与提高。长期的教学实践使我们认识到在该课程的教学过程中要以基本理论为基础，结合当今社会的实践应用提高学生的学习兴趣，引导学生自主学习，扎实掌握重要知识点及其具体应用，这对改进实验教学方法、提高学生的学习效果、培养学生的综合能力具有十分重要的意义[1]。

1  实验仿真教学的必要性

传统形式的课程实验主要包括小信号调谐放大、高频功率放大、振荡电路、幅度调制与解调、角度调制与解调以及锁相环路等实验内容，主要存在以下几个方面的不足。

1.1  学生对传统实验兴趣不高

教师在传统的验证性实验授课中，普遍采用先讲解实验原理和要求，再演示具体的操作步骤，最后学生按照实验指导书来完成实验操作，实验学习完全属于手把手教学模式。在整个实验过程中学生只是机械地参照老师的实验过程及实验指导开展实验，学生的学习积极性、主动性以及对实验的兴趣都没有被调动起来。对于多数的验证性实验项目，实验电路原理是已知的，元器件也是焊接好的，不宜调整，在实验过程中，由于学生对原理知识掌握不牢，容易出现各种各样的问题（如元器件损坏、出现非理想波形等），学生对相关电路本质原理的理解不透彻、对该电路的学习深度不够，往往不知道从何处下手解决问题，使学生在两个课时的时间都不能完成实验，这将会使学生做实验的积极性和主动性严重受挫。

1.2  对实验设备要求比较高

该课程的实验多采用实验箱，并借助示波器、信号发生器、扫频仪等辅助设备来完成。通常，实验箱由小信号调谐放大、晶体振荡器、幅度调制与解调、二极管包络检波、频率调制与解调、锁相环路等模块构成，一般需要一个或多个模块电路配合完成每一个实验项目的验证性实验[2]。示波器、扫频仪等设备显示实验结果，学生可直接或经过简单的计算来记录实验结果。相较于模拟电子线路，该课程实验处理的信号频率要高很多，信道、各种元器件等容易引入噪声干扰，导致实验波形不够理想，影响学生对实验结果的观察分析[3]。

1.3  实验多为验证性实验

在一般的高校中，该课程的实验以验证类为主，操作这种实验的目的是为了让学生比较直观、快速地理解抽象难懂的理论，但事实上取得的效果往往也是十分有限的。单纯的验证性实验是在现成的、固定的电路板上开展的，学生很难通过实验获得实际的工程经验，学生的实践能力也得不到提高。此类实验在电路分析、模拟电子技术等课程中开展了很多，基本的电源、信号发生器、示波器等仪器仪表学生已能较熟练地使用，学生在这方面的技能也不会得到明显的提高。验证性实验线路连接简单，学生按照实验指导书上的步骤和方法操作，很容易观察到实验现象以及得到测量结果[4]。这种实验的过程是固定的，不能引起学生的兴趣，激发学生想象力、创造力这种深层次的目标更是无从谈起，不利于学生综合素质的提高，实现不了实验教学的目标。

1.4  传统实验教学不符合教改发展方向

传统单纯性的实验室教学模式是被动的实验教学，实验步骤固定，操作方式单一，大部分学生秉持“老师教什么，学生学什么，老师怎么教，学生就怎么样做”的心态，不能激发学生学习的积极性、主动性，不利于创新型人才的培养。教学模式单一，学生没有学习热情，对学生实验技能和科研能力的培养均有限。综上，传统的实验教学模式已无法满足当今实验教学的需要[5，6]。

2  基于 Multisim和LabVIEW的实验教学改革措施

2.1  虚实结合提高教学效果

将传统实验模式与借助虚拟仿真软件Multisim和LabVIEW的实验教学相结合，利用Multisim和LabVIEW搭建高频电子线路仿真实验实例，学生可进行高频电子实验过程验证，可开展相关电路的仿真设计等，还可以利用LabVIEW与Multisim的交互仿真功能，实现仿真设计，培养学生的自学能力。利用软件中提供的各种仪器仪表、分析方法等，学生可以快速高效地掌握教学计划中的基本概念、原理知识等，熟悉各种仪器设备的使用方法，开拓学生思维，提高其学习效率和学习兴趣。

例如在二极管峰值包络检波内容的讲解过程中，学生不容易理解理论课中所涉及的惰性失真和负峰切割失真的缘由，利用Multisim仿真峰值包络检波就能使学生直观地观察到检波电路中电阻改变时对检波输出的影响，在软件上的操作也比较简单，能很好地解决上述问题。其仿真电路如图1所示，电路中模拟乘法器A1产生AM条幅波，送入二极管检波电路中，并且输入信号大于0.5 V。分别利用示波器CH1、CH2观察AM及检波输出波形。双击示波器图标即可得到如图2所示的AM及检波输出波形。当增加R2到70%（14 kΩ）时，可以看出检波器输出波形已经有较明显的惰性失真出现;当R2增大到90%（18 kΩ）时，失真波形如图3（a）所示。当R2减小到50%，输出将恢复正弦波;当R3减小到8%左右时，输出呈现较明显的负峰切割失真;当R3减小到2%时，其负峰切割失真如图3（b）所示。

在相位调制解调讲解的过程中，学生不容易理解其调制解调中波形、频谱等的具体形式是怎樣的，利用LabVIEW就能较好地解决上述问题，也便于学生从模块级理解调制解调的过程及具体内涵。图4为相位调制解调前面板，图5为相位调制解调后面板程序。

2.2  拓展综合设计性实验内容

“高频电子线路”是一门实践性非常强的课程，现实生活中常用的对讲机、收音机、广播、电视等设备都是该课程所涉及内容的具体应用，如无线电信号的传播、小信号调谐放大、功率放大、调制与解调、混频器、振荡器等。而“幅度、角度信号的调制”“幅度、角度信号的解调”“高频功率放大器”“高频振荡器”“混频器”等内容则是本门课程的主要内容，同时也是实验中的重点内容，在学生的学科专业竞赛、大学生创新创业项目中多有涉及，如“功率放大器的设计”“遥控小车（飞机）的制作”“刷卡系统设计”“调幅信号处理实验电路”“远程幅频特性测试装置”等。利用Multisim和LabVIEW软件搭建相关功能电路，强化对相关功能电路的设计、调试等，进一步验证相关电路的功能和效果，并拓展“简易调频发射机设计”“简易调频接收机设计”“小功率调幅发射机设计”“超外差调幅接收机设计”“宽带高频功率放大器设计”“窄带高频功率放大器设计”等设计性、综合性及创新型实验，具体实验项目如表1所示。确定验证性实验为基础、设计性实验为主体、综合设计性实验为延伸的实验方案，着力提高学生的实验兴趣、培养学生的实践动手能力，切实加强对学生学习能力的培养。通过本门课程的实验提高学生的实际操作、工程应用和创新能力。

3  结  论

“高频电子线路”课程既难教更难学，而掌握该课程相关理论知识，提高相关的技能、工程应用和创新能力对学生后续课程的学习及专业方向的发展至关重要。在课程教学过程中引入工程实例和仿真软件等辅助教学，开展设计性、综合性及创新型实验内容，激发学生的学习兴趣，提升学生学习的积极性、主动性，提高学生的实践能力和创新意识。同时不断探索新的教学方法，以提高教学质量，培养创新型人才。

参考文献：

[1] 张子砚.应用型本科中高频电子线路课程教学方法改革探索 [J].课程教育研究，2016（1）：220-221.

[2] 郑艳华.“高频电子线路实验”课程中综合性实验项目改革探索 [J].课程教育研究，2019（6）：36-37.

[3] 周莹莲.“高频电子线路”课程教学改革的探索与实践 [J].教育教学论坛，2016（7）：126-127.

[4] 李士军.电子技术实验与课程设计 [M].长春：吉林大学出版社，2008.

[5] 刘玉龙，李晓辉，刘乃安，等.“高频电子线路”可视化教学方法研究 [J].电气电子教学学报，2016，38（2）：102-105.

[6] 谢晶.《高频电子线路》课程教学改革的研究与探索 [J].教育教学论坛，2016（5）：62-63.

作者简介：李瑜庆（1985—），男，汉族，河南周口人，讲师，硕士研究生，研究方向：光纤光栅传感、测控技术。

收稿日期：2022-02-06

基金项目：安徽省教育厅一般教学研究项目（2017jyxm0552，2019jyxm0477）;教育部协同育人项目（202102371035）;大学生创新创业训练项目（S202011305014）