基于雨課堂和雷實驗的智能實驗系統設計

吳 平， 閆正兵， 陳小林， 蔣小洛， 吳澤平

（溫州大學電氣與電子工程學院，浙江溫州325035）

0 引 言

電子電氣類工科專業學生不僅需要掌握專業理論知識，更要會用專業理論知識解決實際工程問題，即工程教育專業認證強調的培養學生“解決復雜工程問題”的能力［1-4］。專業課程的實驗教學效果和能力培養尤為重要，傳統的電子電氣基礎專業課程（如電路分析、模擬電路、數字電路）實驗大多是采用分立器件搭建或在綜合實驗臺上完成，基于分立器件的實驗學生可以對實際元器件有直觀的了解和認識，符合實際工程情況，測試和調換比較方便，但集成度低，實驗時受器件種類限制；基于實驗臺的實驗系統可靠性高，但隱藏了元器件之間的連接關系，不直觀，不方便擴展［5-6］。這二種實驗方式一般都需要到固定的實驗室進行，受時間、地點限制較多。近年來，隨著計算機和EDA軟件的發展，很多實驗可以在軟件支持下進行仿真和通過虛擬儀器測試、分析，不受時間、空間和器件種類的限制，但缺少對實際元器件的認知，與實際電路也存在差異。以上3種實驗方式各有優缺點，但都不方便對實驗過程進行精準掌控，不利于實驗數據的統計和處理，也不方便了解學生的實驗進程，實驗數據和實驗報告也容易出現雷同，不方便考核［7-10］。鑒于以上情況，運用雨課堂、雷實驗和便攜硬件建立了一種新的智能實驗教學系統，學生可以完成搭建實際器件電路、實驗數據管理、實驗報告上傳等功能。

1 智能實驗系統構成

系統主要由雨課堂智慧教學工具、雷實驗軟件、A＋D Lab便攜式硬件構成。

1.1 雨課堂智慧教學工具

雨課堂由學堂在線于2016年4月推出，它科學地將教學PPT和日常交流工具“微信”結合，通過雨課堂教師可以將視頻、習題、學習內容、實驗任務等推送到學生手機微信；教師可以通過手機微信或電腦雨課堂網站，實時了解學生學習情況、進行數據分析、在線考核，覆蓋課前-課上-課后的每一個教學環節，為師生提供完整的立體數據支持、個性化報表、自動任務提醒等，讓教與學更加方便互動交流和數據統計，對于調動學生學習積極性、提高學習效率十分有效［11-13］。

1.2 雷實驗管理軟件

雷實驗（Lab of Electronics Intelligence）是“互聯網＋教育”在實踐課程教學中的創新性工具軟件，該軟件發揮互聯網技術優勢，強化學生創新和學習行為互動，兼顧課堂監督、任務部署和設備管理等功能，如圖1所示。

圖1 雷實驗管理軟件

雷實驗依托微信平臺，通過掃碼登錄，包含教師管理、學生實驗、硬件激活和系統訓練等入口。其中，教師實驗管理入口包含實驗項目管理、實驗進度查詢、實驗課程資源、學生數據分析和設備資源管理；學生實驗入口包含實驗準備、實驗仿真、搭建實驗、數據獲取、數據編輯和報告整理。

1.3 便攜式實驗硬件

實驗硬件全稱為“A＋D Lab理工實驗室”，如圖2所示，可以輸出5 V和12 V直流電源，有2路模擬輸入／輸出、8路數字輸入／輸出；包含示波器、信號源、邏輯分析儀、程控電源、網絡分析儀和萬用表等虛擬儀器。支持電路分析、模擬電路、數字電路、單片機、通信原理等課程實驗（通過更換模塊和實驗器件實現）；可擴展嵌入式系統相關板卡，支持70多種相關Pmod傳感器。

圖2 A＋D Lab便攜式硬件

2 智能實驗系統運行

該系統采用線上線下相結合的新型教學模式，教師首先通過微信在雨課堂建立課程和班級，設置實驗任務并通過雷實驗軟件推送給學生，學生在手機微信上收到實驗任務后，可隨時隨地啟動電腦端雷實驗主程序，微信登陸并通過USB將雷實驗軟件與A＋D Lab硬件平臺互聯，開始實驗；此時教師可以實時收到班級學生實驗信息和狀態，并可以隨時通過微信雨課堂了解學生的實驗進展；學生在實驗時首先用內置的仿真軟件（TINA或Multisim）進行電路仿真、搭建實際電路、用虛擬儀器測量實驗結果、保存實驗數據，期間需要多角度拍照電路、截圖仿真結果、測量數據，最終與學生撰寫的數據分析、實驗體會、總結一起由系統自動生成實驗報告并上傳；教師收到實驗報告后可在手機或電腦端進行批閱、評分、反饋結果，學生可以在手機端實時收到實驗評價。

智能實驗系統特點：教師可以不受空間和時間限制隨時準確掌握學生的實驗狀態，準確評判實驗結果；A＋D Lab硬件B5紙大小，方便攜帶和運行實驗，并可以在實驗中間歇保存至云端；雷實驗學生通過個人微信登陸且每個A＋D Lab硬件擁有獨立的序列號，學生上傳的數據和圖像與其使用硬件平臺的序列號相對應，保證實驗過程和實驗結果的真實性；課程教學期間，A＋D Lab硬件由學生保管，可以隨時進行創新性電路設計和實驗；在雨課堂討論區，師生可以就實驗問題進行討論、發表看法，提高實驗效果和學生解決問題的能力；教師可通過雨課堂將課程的理論教學、實踐教學過程考試、數據統計與分析等集成為一體，對學生進行綜合評價。

3 實驗案例

本智能實驗系統已于2018年春季學期在電氣工程及其自動化專業本科生“電路分析”課程實際運行，至今已經運行了2屆學生4個班級，獲得了學生的支持和好評。

“電路分析”是電子電氣類專業的第一門重要專業基礎課，該課程學習的效果直接影響學生對專業的興趣和后續課程學習的質量。本實驗系統支持“電路分析”的驗證基爾霍夫定律、戴維南／諾頓定理、疊加定理、一階RC電路的響應、濾波器的研究與設計等實驗項目。下面以驗證疊加定理為例介紹實驗運行過程。

教師首先在雷實驗管理軟件上微信掃碼登陸，選擇教師管理入口，在實驗項目管理模塊里選擇雨課堂上已經建立的課程和班級，在實驗項目欄新建實驗項目，設定實驗題目、目的、內容、要求、同組人數等，選擇需要添加的文本文件、實驗提示和實驗截止時間后進行發布，如圖3所示。

圖3 教師進行實驗項目管理

教師發布實驗任務后，學生微信上立即會收到任務提示，學生可以在實驗截止時間前隨時隨地在電腦端打開雷實驗軟件，微信掃碼登陸，并連接A＋D Lab硬件，進行仿真和硬件電路實驗，學生的實驗進展情況會在雨課堂上及時反饋給教師，如圖4所示。

圖4 通過雨課堂教師實時了解學生實驗進展

學生在實驗過程中需要首先對電路進行軟件仿真，并截圖保存原理圖和仿真結果；然后進行硬件電路連接，并用虛擬儀器測量，對硬件電路多角度拍照上傳，截圖電路測量結果，最后對實驗進行分析和總結，如圖5所示。

4 結 語

大學實驗課是培養工科專業學生工程應用能力的重要教學環節，“雨課堂與雷實驗”智能實驗系統將學生從傳統的實驗室中解放出來，將老師從固化的教學環節中解救出來，與傳統授課相比教學優勢非常突出，學生可以隨時隨地進行驗證性、綜合性和創新性實驗，大大激發了同學們的學習欲望，強化了學生創新和行為互動。這種線上線下結合非常緊密的新型教學模式，順應當今時代的潮流，體現了以學生為中心的教學理念［14-16］，隨著學生學習的不斷深入，更多的實驗內容可以通過“雨課堂＋雷實驗”完成，進一步推進課堂教學手段和教學方法的改革，提升課堂教學效果，實現提高人才培養質量的目標。

圖5 學生的實驗報告