基于ELVIS II的虛實互動實驗模式

吳蘇　胡秋月　馬知遠

摘 要 本文基于以學員為中心的教學理念，培養學生自主學習能力，提高實踐能力，實現教學資源共享，利用ELVIS 多功能教學實驗平臺，提出了虛實互動的實驗模式，設計了教學案例，驗證了其可行性，在節約教育投資、共享教育資源等方面具有重要的意義。

關鍵詞 教學改革 虛實結合 口袋實驗 理實一體

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.015

Abstract Based on the concept of student-centered teaching， this paper cultivates students' ability of independent learning， improves their practical ability， and realizes the sharing of teaching resources. Using Elvis multi-functional teaching experiment platform， this paper puts forward the experiment mode of virtual reality interaction， designs teaching cases， and verifies its feasibility， which is of great significance in saving educational investment and sharing educational resources.

Keywords teaching reform; selective focus; pocket experiment; integration of theory and Practice

0 引言

近年來，伴隨著科技的突飛猛進，社會對于人才的要求不再是單純知識型，而是從知識、技能、素質三個方面提出要求，不僅要強調學生的理論基礎，更加強學生動手能力和創新能力的培養。關于大學課堂教學方法和模式的研究已成為現代教育教學改革的核心問題，傳統的教學模式已不能滿足現在信息化時代的要求，現階段高教工作模式正進入一個數字化、信息化的時代。

電子技術系列課程作為學科基礎必修課，是一類實踐性很強的課程，倡導學生在掌握基礎理論知識的同時，在課下開展實驗，培養發現問題，解決問題的能力，而傳統的電子技術實驗需要實驗設備的配合，在實驗室進行，如果開課班級較多，則實驗室的容納人數有限，使得實驗課程的開展受到時間和地點的限制，不利于學員隨時隨地開展自主探索，影響學員對知識的理解程度，導致理論和實踐脫節 。

本課題針對這一問題，提出了一種“虛實結合的實驗教學模式”，其核心是基于NI ELVIS多功能教學實驗平臺構建，通過在面板上搭建電路，利用ELlVIS II 上的數據采集卡采集實驗平臺上的測試信號，通過平臺上集成的虛擬儀器分析處理，通過計算機處理并顯示輸出。對于教師，能夠及時展示實驗結果，輔助知識的遷移，對于學生可以利用該便攜的實驗平臺在任何時間、任何地點進行自主實驗，極大地提高學生的學習熱情。

1實驗平臺

1.1 硬件環境

ELVIS II是NI公司推出的教學平臺，實現了教學儀器、數據采集和實驗設計一體化的功能。該教學平臺插入一塊原型實驗面板，并集成了包括萬用表、示波器、信號源、直流電壓源、波特儀等12種實驗室常用儀器。ELVIS非常適合教學實驗和電子電路原型設計與測試，為電子技術類課程提供了動手實踐的實驗室體驗。

1.2 軟件環境

ELVIS II是基于圖形化編程語言LabVIEW與原型創建環境，該平臺嵌入Multisim 仿真軟件，采用虛實結合的方式，通過先仿真后實現的工程設計思路，所見即所得，進一步培養了學生工程實踐能力，提升了電路設計的效率，教學效果明顯提高。具體在有個電路設計中，先進行Multisim電路仿真，利用虛擬仿真環境搭建3D電路，并嘗試不同布線，以便實物連接時選擇最優方案;用LabVIEW 軟件通過計算機與NI ELVIS II 教學平臺聯接，通過軟件編程測試環境，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，便于學生可視化理解頻帶、頻譜、I-V曲線等各種電路特性。

2虛實結合教學模式

“模擬電子技術”課程普遍被學生反映較難學習，被稱為“魔電”，其魔性主要因為其知識點較多、內容比較抽象、工程實踐性強，通過與學生的調查和交往發現，他們的厭學情緒主要來源于理論教學過程中的理論授課模式，各種理論知識抽象，學習成績一般的學生難以快速理解，進而越來越難跟上課程的進度。

虛實結合的教學模式極大活躍了課堂氣氛，教師在課上根據相關知識點，通過NI ELVIS II教學實驗平臺上，為學生創設了模擬實際的環境模型，采用虛實結合的形式使學生加深對基本概念和基礎原理的理解，較快建立起模擬電子技術的基本理論構架，在課下，通過布置課堂DIY實驗，使學生了解到本節課程知識的應用，激發了學生的學習興趣，提高教與學之間的交互性。

2.1課堂教學設計

“濾波器的設計和應用”是工程上常用的電路，同樣也是模擬電路課程教學中的難點。傳統的教學方式是通過多媒體課件展示直流濾波電路的原理和結構，對于電路性能指標、幅頻響應等工程實際應用卻無法在課堂中即學即現地展示出來。利用NI ELVIS II 教學平臺和各種基本半導體元器件，我們設計實現了“低通濾波器電路”，實驗包括硬件電路和軟件仿真兩個部分。

（1）按照圖1、圖2對濾波電路的信號源和電源電壓進行設置。經過Multisim仿真，觀察輸出信號，發現輸出信號與輸入信號反相。進一步調整信號源的輸入信號頻率，電源的電壓值，觀察電路輸出有無變化，與理論結果是否一致。

（2）進入3D ELVIS II，學生可嘗試不同的布局布線，比如圖3所示。

2.2課下實驗探究

為幫助學員能夠即時觀察復雜理論知識的實驗展示效果，并且親自動手實踐，鞏固理論知識學習，設計實現了濾波電路測試系統，可變電源輸出電壓12V～0V，通過實際調整輸入信號頻率、電路參數，觀察濾波電路輸出信號波形，FFT頻譜，鞏固和理解濾波器截止頻率、帶寬和波形失真等理論知識，實驗測試界面如圖4所示。

3結語

本文采用的虛實結合的教學模式，將理論與實踐相結合，大大改善傳統的純理論傳授教學模式的弊端， 讓學生所見即所學，另一方面，基于虛實結合硬件環境的高集成性，易測量性，不僅可以緩解實驗室資源的緊張情況，以便學生課下隨時隨地自主實踐，從而使學生較快的將知識的理解內化遷移為技能的掌握，使學員被動學習逐漸轉變為主動學習， 將句號課堂逐漸轉變為問號課堂，大大提高教與學之間的交互性。

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