電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

樓靜梅 閆茂德 朱禮亞

[摘 要] 以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)軟件資源、信息化設(shè)備、實(shí)驗(yàn)課程資源等的整合，組建了以豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)能力、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的的電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的引入有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上課時(shí)間和場(chǎng)地的限制問題，教學(xué)資源的使用更為便捷，為學(xué)生提供了更為豐富的實(shí)踐內(nèi)容和更為靈活的實(shí)踐形式，推動(dòng)教育資源共享;實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)管理和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新技能等方面都取得了明顯成效。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);電工電子;資源共享

[中圖分類號(hào)] G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）04-0149-04? ? [收稿日期] 2020-06-29

電工電子類課程是工科院校電類和部分非電類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的實(shí)踐性較強(qiáng)，在整個(gè)學(xué)生培養(yǎng)體系中起著承上啟下的作用，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力具有重要意義。

一、傳統(tǒng)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

近年來，招生規(guī)模逐步擴(kuò)大，電子技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電工電子實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)方式和管理模式已不能完全滿足現(xiàn)階段人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，必須對(duì)其進(jìn)行改革。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題如下[1，2]。

1.因?qū)嶒?yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，學(xué)生在預(yù)習(xí)階段通常只能看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，無法提前熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解浮于表面。此外，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備有限，在實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)也無法保證學(xué)生人手一臺(tái)，往往是每次實(shí)驗(yàn)2～3人一組，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式過于單一，基本上還是延續(xù)教師講解原理、演示實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生模仿、記錄數(shù)據(jù)并填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的教學(xué)模式;而實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要參考學(xué)生出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定，無法客觀地反映學(xué)生實(shí)際的工程實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用能力。

3.受場(chǎng)地、儀器、實(shí)驗(yàn)教學(xué)耗材成本、上課時(shí)間等限制，實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排得較少。對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只需機(jī)械性連線，參數(shù)或者結(jié)構(gòu)幾乎不能修改，這就在一定程度上造成理論知識(shí)與實(shí)踐操作的脫節(jié)，不利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)。

二、電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容[3，4]。長(zhǎng)安大學(xué)根據(jù)國(guó)家和教育部有關(guān)文件精神，以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，依托國(guó)家級(jí)“交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，組織開展了電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)工作。電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用正好完善和彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，一方面可以最大限度地共享實(shí)驗(yàn)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本;另一方面可以突破時(shí)空限制，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式[5]。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

本校電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以“驗(yàn)證型—綜合設(shè)計(jì)型—?jiǎng)?chuàng)新型”為主線，由淺入深、循序漸進(jìn)開展分層分類教學(xué)，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，為加強(qiáng)學(xué)生課外科技活動(dòng)指導(dǎo)、開展電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、工程訓(xùn)練等提供良好的平臺(tái)。電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)按訪問方式的不同，可以分為三大模塊，具體包括通過中心網(wǎng)站訪問的實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)和通過客戶端訪問的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其具體功能如圖1所示。

1.遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心部分，主要為師生提供了開放、互動(dòng)、共享的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。大學(xué)生創(chuàng)新管理平臺(tái)主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，目的是通過實(shí)際課題和項(xiàng)目的創(chuàng)新性訓(xùn)練，提高學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。該平臺(tái)與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、飛思卡爾智能車大賽等相結(jié)合，可作為項(xiàng)目競(jìng)賽的前期指導(dǎo)和培訓(xùn)環(huán)節(jié)。

2.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)。提供了實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料的查詢和下載（包括查看實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃、大綱、課件、器件介紹、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)演示等，下載相關(guān)實(shí)驗(yàn)文檔），并可實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)、課程觀摩、精品課程等的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)鏈接。學(xué)生可在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查詢實(shí)驗(yàn)成績(jī)、預(yù)約開放實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果等。教師可以利用該平臺(tái)進(jìn)行輔導(dǎo)、答疑、在線批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

3.實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)。作為信息化管理服務(wù)部分，提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的管理功能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的安排和開課計(jì)劃的編制;實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理主要是將設(shè)備進(jìn)行分類整理、建立電子檔案，記錄設(shè)備借用、維修、報(bào)廢、調(diào)撥等情況;實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地管理主要是登記各實(shí)驗(yàn)室使用情況，并根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和預(yù)約記錄統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。

電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通過各子平臺(tái)間相互整合、補(bǔ)充，充分發(fā)揮了“遠(yuǎn)程教學(xué)、虛擬仿真、開放共享、智能服務(wù)”功能。明確了教師、學(xué)生和管理人員在教學(xué)平臺(tái)中的責(zé)任權(quán)限，加強(qiáng)了彼此之間的互動(dòng)交流，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和效率不斷提高[6]。

（二）硬件方案

電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是將電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材制作成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息上網(wǎng)。電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件由20臺(tái)網(wǎng)絡(luò)型高性能電工實(shí)驗(yàn)裝置DGJ-1、30臺(tái)綜合模擬電子實(shí)驗(yàn)裝置TPE-AG、30臺(tái)綜合數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)裝置TPE-D3II、2臺(tái)HP服務(wù)器、80臺(tái)計(jì)算機(jī)等組成。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況

電工電子虛擬仿真典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是依托長(zhǎng)安大學(xué)電工電子省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)的，依據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”原則，以提升教學(xué)效果、提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本為目的，采用Multisim、Altera Quartus II、電子設(shè)計(jì)仿真軟件等軟件，通過自主研發(fā)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開設(shè)了電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)、EDA綜合實(shí)驗(yàn)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升教學(xué)效果

虛擬仿真軟件具有理想化的模擬環(huán)境，可以提升實(shí)驗(yàn)效果。例如，差動(dòng)放大電路實(shí)驗(yàn)，由于元件之間差異性，完全對(duì)稱的電路在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到，而虛擬仿真完全可以滿足要求，因而可以有效減小誤差，加深學(xué)生對(duì)差動(dòng)放大電路作用的認(rèn)識(shí)。再比如，利用仿真軟件模擬串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，通過設(shè)置多個(gè)參數(shù)檢測(cè)端子，可以觀測(cè)到交流電轉(zhuǎn)化為直流電的整個(gè)過程，給學(xué)生留下直觀而深刻的印象，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高實(shí)驗(yàn)效率

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升課前預(yù)習(xí)階段效率。教師提前將實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)PPT、實(shí)驗(yàn)視頻等內(nèi)容提前發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)。學(xué)生可以提前在電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)習(xí)，以便提前了解實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的預(yù)期效果。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升實(shí)驗(yàn)階段效率。虛擬仿真軟件提供簡(jiǎn)潔高效的設(shè)計(jì)過程，可以提高實(shí)驗(yàn)效率。例如，數(shù)字電子技術(shù)中的電子秒表實(shí)驗(yàn)，在虛擬環(huán)境中完成元器件的選取、連接、功能仿真等過程，避免了實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜的連線過程和可能出現(xiàn)的偶發(fā)性故障，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果審核效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師可以根據(jù)平臺(tái)中記錄的虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的完成情況、學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更加客觀、多方面地綜合評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升創(chuàng)新能力

電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)形成了一套強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課外自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用和建設(shè)軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，開展了“學(xué)生個(gè)人終端、虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)”三位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升管理效率

實(shí)驗(yàn)室管理人員在教學(xué)平臺(tái)上建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的電子檔案。管理人員可以通過實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、預(yù)約的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)籌安排，既可以提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率，也可以合理調(diào)配實(shí)驗(yàn)資源。

（五）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，有力地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，為實(shí)驗(yàn)類課程的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”提供了有效手段。教學(xué)資源共享分以下三部分實(shí)現(xiàn)。

1.校內(nèi)共享。電工電子虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立了良好的資源共享機(jī)制，全校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)都可進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，或者以該平臺(tái)為硬件依托，開發(fā)與其教學(xué)更為相近的虛擬仿真環(huán)境，進(jìn)而開展相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。目前，在學(xué)校校園網(wǎng)范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程的查詢、預(yù)約、實(shí)驗(yàn)課程介紹及部分講義共享。利用中心專用網(wǎng)站（http：//tvm.chd.edu.cn），學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)查閱教學(xué)大綱、課件、儀器使用、實(shí)驗(yàn)成績(jī)等教學(xué)信息，預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)室，并與教師直接就仿真等問題進(jìn)行交流。后續(xù)將進(jìn)一步在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)內(nèi)部開放自主預(yù)約、自主安排上機(jī)時(shí)間、預(yù)約到機(jī)位服務(wù)，減少管理員介入。

2.校際共享。電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)每年為西安建筑科技大學(xué)、西安科技大學(xué)、西華大學(xué)、聊城大學(xué)、青海警察學(xué)院、陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院、四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院、浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院等相關(guān)課程提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)。后續(xù)將逐步實(shí)現(xiàn)與國(guó)內(nèi)外高校、科研院所在系統(tǒng)研發(fā)和軟件制作等方面的合作共享，校外的資源開放共享，也可為企業(yè)提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)。

3.社會(huì)化共享。對(duì)社會(huì)化需求，本平臺(tái)目前僅提供了預(yù)約接口、共享了部分參考資料。相關(guān)從業(yè)人員或自學(xué)人員可通過網(wǎng)絡(luò)提出預(yù)約申請(qǐng)，平臺(tái)管理員將視內(nèi)部時(shí)間予以安排。后續(xù)將逐步放開對(duì)社會(huì)化的共享端口，推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的社會(huì)化進(jìn)程。值得注意的是，虛擬仿真只是一種實(shí)驗(yàn)方式，不應(yīng)該也不可能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，二者應(yīng)當(dāng)取長(zhǎng)補(bǔ)短、有機(jī)結(jié)合，方能達(dá)到事半功倍的效果。開展虛擬仿真教學(xué)，一是有利于學(xué)生盡早掌握和了解各種仿真軟件的使用方法;二是學(xué)生利用仿真軟件，可以在實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材等，這樣可以減少因?qū)?shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器不熟悉和操作不當(dāng)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞;三是學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將實(shí)測(cè)值和虛擬仿真得到的理論值進(jìn)行比對(duì)，真正做到虛實(shí)結(jié)合，形成了一套循序漸進(jìn)的“理論—仿真—實(shí)踐”的教學(xué)體系，逐步將抽象的理論概念通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，加深了理解并轉(zhuǎn)化為實(shí)際電路，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)束語

電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心負(fù)責(zé)全校的電路理論、電工學(xué)、模擬電路及數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，面向全校科研探索和技術(shù)開發(fā)的優(yōu)秀學(xué)生開放，承擔(dān)學(xué)校大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、飛斯卡爾智能汽車競(jìng)賽等重要賽事的組織和指導(dǎo)工作，2005年獲批陜西省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

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