電子專業實驗室虛擬化與網絡化教學平臺的建設

吳笳寧 耿丹

本文從實驗室建設出發，提出了電子專業實驗室虛擬化與網絡化的建設方案，同時對虛擬實驗室在教學中的應用進行了探討。

【關鍵詞】實驗教學；虛擬實驗室；網絡化實驗室

1 引言

隨著計算機技術與網絡技術的發展，高等教育的教學模式發生了巨大的改變。MOOC（Massive open online courses大型開放式網絡課程）、翻轉課堂、微課等教學模式的應用，改變了傳統的課堂教學，不僅使教學內容、教學形式更加豐富多彩，更可以讓學生自由地選擇課程、選擇學習方式及學習進程，并能夠選擇到更好地教學資源。這些新型的教學模式能更好地提高學生的自主學習能力與自我管控能力。

高等教育中的實驗教學模式借助于先進的計算機技術與網絡技術也發生著改變。MOOE（Massive Open Online Experiments大規模在線開放實驗）、虛擬實驗室、基于虛擬儀器的網絡化實驗室等實驗室與實驗中心的建立，徹底改變了原有的實驗教學模式：即學生要根據課程安排在固定的時間和實驗室內完成同一個實驗的情況。

在線開放實驗、虛擬實驗室、網絡化實驗室實現了真正意義上的開放式實驗教學。開放式的實驗教學不僅是“全天侯”的全面開放實驗場所，還包括實驗教學內容與形式的開放，更多地是為學生提供自主學習、自主實踐、開展綜合性實驗、創新性實驗的平臺，從而調動學生的積極性與主動性，提高學生的實踐能力與創新能力。

電子專業的實驗課程隨著仿真技術、設計技術以及測試技術的數字化和自動化，虛擬化、網絡化實驗室可以滿足大部分的實驗教學要求，并能節約設備投資，提高實驗的教學效果。

2 虛擬化網絡化實驗室的建設

虛擬實驗室是基于Web技術、VR虛擬現實技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統。

2.1 虛擬仿真軟件的應用

隨著EDA（Electronic Design Automation 電子設計自動化）技術的發展，電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件等得到了廣泛的普及，不僅使電子電路設計方法發生了徹底的變革，而且為實驗教學的改革提供了強大的工具。

Multisim、SPICE、Matlab、Altium Designer、Proteus等是現今高等院校電子專業電路設計、PCB設計中普遍應用的軟件。這些軟件均提供了豐富的電子元器件庫、常用的儀器設備庫、完整的函數庫等，以及強大的仿真功能，可供學生自行完成配置、連接、調試及儀器設備的使用等。現今，這些軟件都不是單一功能的軟件，在功能實現上會有交叉，但因其某一功能的強大而被廣泛使用。

比如Proteus軟件是目前比較好的單片機及外圍器件的仿真工具，它是電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，但在PCB設計教學中我們仍采用Altium Designer。因為它在原理圖設計、PCB繪制編輯、自動布線方面被應用的比較早，且普及率高，所以在PCB設計中大家還是習慣使用Altium Designer。

虛擬化實驗室的優勢還在于實驗過程中允許學生出錯，甚至出現故障，但卻不會造成人身與設備的損害。

2.2 網絡化實驗室的實現

虛擬實驗室的網絡化是開放式實驗教學的關鍵，只有充分利用網絡技術才能真正實現不受時間、空間、設備等限制的開放實驗室。基于上述軟件再結合Web技術就可以構建開放式的網絡化虛擬實驗室。

實驗室的網絡化采用B/S結構（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）網絡結構模式，B/S最大的優點就是客戶端的零安裝與零維護，學生操作簡單。而且只要在實驗室的服務器上安裝SQL Server數據庫，客戶端瀏覽器使用Internet Explorer，瀏覽器就可通過Web Server同數據庫實現數據交互。

網絡化實驗室具有用戶管理、網上交流、實驗考核、提交實驗報告、下載實驗資料等功能。

3 虛擬化網絡化實驗室的應用

我校的電子專業現已開出基于Proteus的微機原理與應用實驗、單片機原理與應用實驗、單片機課程設計，基于Altium Designer的“電子線路CAD”課程及課程設計，基于Matlab的信號與系統實驗、數字信號處理實驗，基于 Multisim的模擬電子技術實驗、數字電子技術實驗。

3.1 基礎性實驗

各虛擬實驗室均配有軟件安裝與基本操作的微課視頻、實驗指導講義、課件等，供學生自學與預習。學生在實驗開課前通過自學微課視頻來掌握各仿真軟件的安裝方法與基本操作，這樣不僅可以節省實驗課時，還能培養和提高學生的軟件安裝能力，軟件使用能力以及自學能力。教師通過網絡交流平臺解答學生在自學過程中遇到的問題，同時學生之間也可以通過網絡進行交流。

學生在實驗前通過下載實驗指導講義、課件PPT等相關資料，進行預習，并按要求完成實驗前的準備工作，課上按要求完成實驗步驟，獲得實驗結果與結論，課堂上主要完成實驗原理的解析和討論及研討教師提出的問題。最后在網上提交實驗報告。

之前在傳統實驗室完成基礎性實驗時，實驗過程中學生急于完成實驗步驟，得出實驗結果，而不注重探究實驗原理、理解電路原理、掌握常用儀器的使用，不能積極思考解決出現的問題。所以實驗教學要達到通過實驗驗證原理及掌握常用儀器使用的效果不明顯。

在虛擬化網絡化實驗室完成基礎性實驗時，增加了學生自學與預習的內容，學生在實驗前必須按要求做好充足的準備，課堂上教師可以有充足的時間與學生解析實驗的原理并糾正學生們出現的問題與錯誤。同時，學生可以利用課余時間在虛擬實驗室中的練習常用儀器設備的使用，因為虛擬實驗室中的設備與現實設備的使用方法是一致的。

3.2 綜合性、設計性實驗。

在網上提供的實驗資料中還包括往屆學生優秀的綜合性、設計性實驗的實例，供學生在完成課程設計與畢業設計時參考。

在虛擬實驗室中，學生可以充分借助軟件的設計與仿真功能完成自己的設計，并通過反復地仿真測試與修改，達到設計目標并符合實際要求。設計滿意后再制作成品，最后對成品進行測試與修正，以實現設計目標。這樣的設計方法與流程也符合現代電子產品的設計與開發過程。

3.3 實踐技能訓練

對于需要熟練掌握的應用軟件，虛擬實驗室提供了大量的訓練實例，供學生進行練習。

例如Altium Designer軟件的應用，網上的實驗資料中有很多校外實踐基地提供的電路原理圖與PCB板圖的實例供學生練習。同時在電子線路CAD課程設計中，由校外實踐基地的企業工程師為學生授課，并通過網絡對學生進行指導、與學生交流、評定學生成績等。

圖1中所示為校外實踐基地企業實際生產中的電路，課程設計時由企業工程師講解電路的原理及原理圖、PCB板圖設計的規范與規則等，然后要求學生按照制板的規范來完成此電路原理圖的繪制及PCB板的設計，同時要求學生自行設計一個給定參數的大功率穩壓電源電路。設計過程中，學生要完成電路原理的分析與計算，元器件的選擇，原理圖的繪制及PCB板圖的設計。之后依據學生的設計圖紙由企業加工出PCB板，再經過學生焊接制成成品，進行最后測試。

此課程設計將模擬電子技術與PCB板設計相結合，使學生對理論知識的理解更加深入，同時學生對于自己設計成果的實現非常有成就感，如圖2所示。

4 虛擬實驗室與實踐相結合

虛擬實驗室雖然具有強大的設計與仿真功能，但虛擬實驗仍不能完全替代實物實驗。學生可以在虛擬仿真軟件上輕松的繪制出電路圖，但可能在實驗箱上卻搭建不出實際的電路。而且在綜合性、設計性實驗中，只有實際的產品通過了測試才是真正實現了設計目標。

比如單片機課程設計中完成的無線遙控小車，要實現小車在行進、轉彎時的適宜速度、實現無線遙控的功能等，就必須要經過成品的反復調試與修改過程。

所以在實驗教學中將虛擬實驗室與實踐相結合，處理好虛擬實驗與實物實驗的關系。學生動手實踐的環節不能省略，否則就會培養出只能“紙上談兵”的理論型人才。

5 結束語

如今，我校的電子信息科學與技術專業正在推進專業轉型，實踐教學的改革刻不容緩，實驗教學作為實踐教學的重要環節，更需要不斷地加強與創新。建設適合我校特點的電子專業虛擬化網絡化實驗室，有利于實驗教學的改革，有利于學生自主的學習，有利于提高教學水平。

參考文獻

[1]楊蕊，王曉燕，楊婷.基于multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室建設[J].實驗技術與管理，2015（10）.

[2]姜莉，馬遠新.基于仿真軟件的虛擬電工電子實驗室的建設[J].福建電腦，2010（06）.

[3]陳福彬，付曉輝. 虛擬化、網絡化電工電子實驗教學平臺的構建[J].中國現代教育裝備，2015（04）.

作者單位

1.鞍山師范學院物理科學與技術學院 遼寧省鞍山市 114007

2.鞍山師范學院科技處 遼寧省鞍山市 114007