江苏省连云港灌云县第一中学高中信息技术教学论文 网络教学与虚拟仪器的应用 新人教版.doc

江苏省连云港灌云县第一中学高中信息技术教学论文 网络教学与虚拟仪器的应用摘 要：随着教育科学的发展以及人们对教育要求的不断提高，课堂教学逐渐暴露出许多弱点，这样网络教学将日臻成熟。基于物理实验在教育中的地位，利用计算机的电子设计自动化软件ewb在计算机上进行基础验证模拟实验和电路设计，作为教学的补充，可以取得良好的教学效果。它可以使学生增强对电路的感性认识，掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。为学生提供了一个宽松和谐的自主学习环境，介绍了网络教学和虚拟仪器的基本原理，以及在物理实验教学的应用分析。关键词：网络教学、虚拟仪器 21世纪，人类全面进入信息化社会，而信息化社会的重要特征就是网络化。今天，我们已经可以十分明确地感受到，网络正在改变着人们的工作、学习和生活方式，其在物理实验教学中的应用，体现的更是淋漓尽致。物理实验的成功很大程度上依赖于测量仪器，由于物理实验内容广泛，涉及声、力、热、光、电各种信号的测量，仪器较为复杂；有些甚至还有一定的安全风险，又由于物理实验相应的仪器数量和维护费用也在不断的增加，因此将虚拟仪器技术用于物理实验教学，在降低实验室建设费用的同时，能够为学生提供一种图文并茂，资源丰富、反馈及时的交互式学习环境，它能提供一个有效的沟通渠道和相互交流的操作平台，使学生身临其境，充分调动学生的兴趣和感受知识的能力，形成教学双向互动，使学生更好地发挥创造性思维。利用多媒体技术辅助常规教学，势必改进现有的弊端，提高教学质量。所以虚拟仪器技术和网络技术的发展，使得构建虚拟物理实验室已经成为一种可能。 1网络教学与虚拟仪器 所谓网络教学，就是利用网络进行教学。从学生学习的角度来说，就是在线学习，即在教学领域建立网络平台，学生通过计算机上网，通过网络进行学习的一种学习方式。从教师教的角度来说，就是教师利用网络平台，引导、组织学生进行学习。网络教学需要有自己的网络教学环境，网络教学环境由多媒体网络教学资源、网上教学社区及网络技术平台构成。在网络教学环境中，汇集了与教学有关的数据、档案资料、程序、教学软件、兴趣讨论组、新闻组等教学资源，形成一个高度综合集成的教学资源库。这些教学资源对所有学生都是开放的，一方面，这些资源可以为成千上万的学习者同时使用，没有任何限制 ；另一方面，所有学生都可以发表自己的看法，将自己的资源加入到网络资源库中，让大家共享。教学的个别化由于种种主客观的原因，学生的差异是客观存在的，面对有差异的学生，必须实施有差异的教学，因材施教是指导我们教学的一条原则，但在传统的课堂教学条件下，因材施教只是一个理想化的追求，一个教师面对三四十个学生，要充分照顾到每一个学生的差异，尽管有主观愿望，但无客观可能。所谓网络教学的个别化特征，是指在网络教学的环境下，学生的学习变成一个各取所需的过程，使因材施教成为可能，个性化的学习得以真正实现。例如，在小学生学习时、分、秒这一内容时，可以做一个教学软件，美国国家仪器公司定义的“软件就是仪器”，这样就产生一个虚拟仪器。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，利用软件在平台上生成各种仪器面板，通过接口电路配合计算机完成数据的采集、处理、传送、储存、显示和打印，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能，这样我们就可以通过网络建立一个近代网络虚拟实验室， 近代物理虚拟实验室是在校园网上建立起实验教学环境，无论是学生还是教师，都可以随时进入虚拟实验室，不仅可以用来预习、模拟训练，还可以直接通过鼠标点击来做实验，在空间和时间上均得到了有效延伸，是传统实验方式的有效补充和完善，虚拟实验室优化教学资源，特别有利于多地点、多人数统一组织教学。物理虚拟实验室实现的是物理知识、虚拟现实技术、网络技术与实验技术的结合。系统提供虚拟的元器件、仪器和工作环境，有一定的真实感，这是一种全新的教学方式，它打破了时空的限制，同时也解决了目前远程网络教学中缺乏实验教学环节的不足。 2网络教学与虚拟仪器的应用 由于前面我们已经提到了物理实验要受到各方面的限制，所以网络教学和虚拟仪器在这方面就有了很大的优势，给我们提供了一个很好的操作平台，为了要完成某个实验，可以通过网络在电脑上下载软件，例如ewb软件，ewb软件是加拿大 interactive image technologies公司推出的专用于电子线路仿真的软件工具，能满足中小规模模拟、数字逻辑及混合电路的仿真分析需要。2.1 该软件具有如下几个特点：(1)界面友好该软件在windows平台上使用，其界面与其它windows应用软件相似，因此学生学习非常容易上手，另外，该软件采用直观的图形界面创建电路，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，简单直观。(2)元器件库强大，功能丰富绘制电路图需要的元器件，电路仿真需要的测试仪器均可从软件屏幕直接获得，而且仪器的操作开关、按键与实际仪器仪表极为相似，可以实时显示测量结果。(3)测试仪器齐全提供了示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器、万用表等仪器、仪表。(4)分析手段齐全、实用不仅可完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析，器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析，而且提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等14种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。2.2 电路的设计、调试步骤(1)元器件的调用与布局。打开相应元器件库，将所需元器件拖曳到电路工作区中即可完成元器件的调用，通过移动和旋转元器件进行布局调整。(2)线路连接。元器件布局结束以后就可进行线路连接，注意在必要的位置放置连接点。 (3)设置元器件标识和数值。双击所需设置参数的元器件，在对话框中设置好标识和数值。(4)连接仪器、电路存盘。电路图设计完毕就可将仪器接入，以供实验使用，为了便于仪器的波形识别与读数，通常将仪器的输入连线和输出连线设置为不同的颜色，选择好路径，输入电路图的文件名并存盘。(5)运行ewb仿真。打开文件，用鼠标左键单击主窗口右上角的开关图标，软件自动开始运行ewb仿真软件，系统将自动把分析结果显示在各仪器仪表上和分析图上，如果要暂停仿真操作，用鼠标单击主窗口右上角的暂停图标，实现暂停、恢复操作。如果电路中有错误，屏幕将提示错误信息。(6)查看分析结果。ewb中查看分析结果有两种方法：接通电源，打开仪器仪表的面板，观察指定点的波形或数值的变化。接通电源，用鼠标左键单击工具栏上的分析图图标，屏幕出现要显示的波形，单击该波形即可对该波形进行读数。显示图中除了可以显示仪器上的波形外，还可以显示各种分析中的曲线或数值。 2.3应用ewb软件举例说明下面我们就举个例子，应用ewb软件来学习rc正弦波振荡器，我们首先应该打开ewb软件，按图1所示连成电路图，并设置好标识和数值，之后运行此软件，这个被连接的rc振荡器可以像真实的仪器一样进行数据记录，效果更加形象生动，这样我们就可以在网上给同学们演示此正弦波振荡器的原理，而且能让同学们能了解仪器的内部原理。拿下图来说，能让同学们了解这个rc串并式正弦波振荡器是由rc串并联组成的反馈网络和由集成运放组成的放大器两部分组成，其中反馈网络的主要作用就是保证反馈电压=替代输入电压，它与放大电路共同满足振荡条件，而放大器的作用就是将输入的信号放大，要使振荡器能产生等振幅正弦波振荡，没有放大电路是不可能实现的。 图1rc正弦波振荡器此rc串并联正弦波振荡器的振荡平衡条件是使反馈电压与原来的输入电压大小相等，相位相同，即=，则放大器的输出电压=将保持不变，那么就根据=可以推出= ，即=1，又可以写成|=1和+=2n，n=0，1，2，3其中，和分别为和的相角。式|=1称为自激振荡的振幅平衡条件，式+=2n则称为自激振荡的相位平衡条件，这两个条件是在电路进入稳定的持续振荡后得出的，一个反馈式振荡器只有同时满足这两个条件，电路才能维持自激振荡，最终形成振幅稳定的波形，如下图所示。 图2 示波器振荡波形图 2.4 分析波形图像如图2所示，我们可以通过图2分析为什么会得到此图像？当电路刚接通电源时，出现在电路中很小的扰动电压或噪声电压，如我们的说话声等等，它们有很宽的频率成分，其频谱中必包含振荡频率的正弦分量，为了获得频率为的正弦波振荡，并使其余的频率成分衰减下去，满足相位平衡条件的频率只有，为此就要求在振荡电路中设置一个具有选频特性的选频网络。选频网络的作用就是把需要的频率选择出来，只允许某一频率的正弦电压满足振荡条件，使振荡实现某一频率的正弦振荡，常见的正弦波振荡电路中，反馈网络兼作选频网络，其中的rc串、并联反馈网络具有选频特性，因此，兼作选频网络。由于在=时，rc串、并联反馈网络=0、=13。根据振荡器的相位平衡条件，应为2n( n=0，1，2，3) ，因此，要求放大器的输出电压与输入电压同相。这个频率为的微弱成分经过反馈网络和基本放大器，将输入信号放大，只要反馈信号的振幅大于原始输入信号的振幅，即，输出信号就会由小逐渐变大，自激振荡便建立起来，因此，起振的幅值条件是|1，振荡建立以后，频率为的信号必然愈来愈大，当它的幅值大到一定程度后，放大器件就会接近甚至进入饱和区(或截止区)，输出波形就会失真。为了克服这种现象，把振荡最终稳定在一定的幅度上，还需要在放大器或反馈网络中引入一个由非线性元件组成的稳幅环节。它能自动地调整振荡的环路放大倍数|，使|随着振幅的增大而减小，当|由大