“虛”“實”結合在電子電路類實驗教學中的應用探索

吳元亮 賈永興 石會

[摘 要] 電子電路類實驗的傳統(tǒng)方式存在諸多限制，制約了實驗教學產生的實際效果。緊跟電路仿真、虛擬仿真和實物實驗技術發(fā)展，探索“虛”“實”結合在實驗中的應用模式是一個非常有益的實用課題。首先分析電子電路類實驗教學的現狀，瞄準實驗教學的根本作用，緊抓實驗發(fā)展模式，進行問題分析，進而探索“虛”“實”結合的意義、可行性和實施方案，最后以“數字電子技術”課程實驗教學為例，介紹了“虛”“實”結合的實際應用模式。

[關鍵詞] 電子電路;實驗教學;“虛”“實”結合;應用模式

[課題項目] 2019年度陸軍工程大學教育教學立項課題

[作者簡介] 吳元亮（1983—），男，江蘇徐州人，碩士，陸軍工程大學通信工程學院副教授，主要從事電子技術與嵌入式研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）49-0086-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-29

社會發(fā)展與軍隊改革對高等教育提出了新的要求，畢業(yè)生除了具有足夠深度、廣度的理論知識，還應具備對知識的運用能力和創(chuàng)新能力，這極大地推動了高校教師積極、持續(xù)地開展實踐教學創(chuàng)新。2000—2020年，中國知網收錄電子電路類實驗教學研究文獻數量在1萬篇以上。利用知識圖譜分析文獻，不難發(fā)現，研究熱點主要包括實驗電路設計、實驗案例設計等實驗內容改革，研究高頻詞主要是電路仿真、虛擬仿真、在線實驗、虛擬儀器等;實驗教學模式涌現出BOPPS、SPOC、雨課堂、雷實驗、翻轉課堂、線上教學等，成果豐碩[1]。然而，成果的有效運用并未呈現出相應的繁榮，實驗離遠程、開放、不限時、實時、真實、自主、可創(chuàng)新設計等特點仍然差距很大，而這些特點卻是高等教育發(fā)展的必然趨勢。因此，研究并提出新的實驗模式既是本文論述的重點，也是進一步提高實驗教學效果和人才培養(yǎng)質量的重要任務。

一、電子電路類實驗概述與問題分析

（一）電子電路類實驗的作用

電子電路類實驗是電子技術基本理論學習必不可少的手段，通過實驗揭示電子世界的奧秘，驗證理論，同時發(fā)現理論存在的問題，啟發(fā)新理論的建立，促進電子技術理論的發(fā)展。當前，新的實驗需求是遠程、開放、不限時、實時、真實、自主、可創(chuàng)新設計等，實施難度大，高校實驗教學仍然沒有出色的實驗模式。

（二）電子電路類實驗的發(fā)展

隨著電子、仿真、計算機等技術的發(fā)展，電子電路類實驗教學的形式發(fā)生了很大變化，除傳統(tǒng)實物實驗（實驗室）外，又出現電路仿真、虛擬仿真、虛擬儀器、口袋實驗室、在線電路仿真等實驗方式和平臺。

1.傳統(tǒng)實物實驗。傳統(tǒng)實驗是線下方式，基于實驗室，利用實驗箱、元器件、測試儀器等，搭建真實電路，測試真實信號，獲得真實實驗感受、實驗現象和實驗數據，資源充足的情況下應該是最好的方式。

2.電路仿真實驗。電路仿真實驗是指基于計算機軟件的電子電路仿真實驗，通過使用數學模型對電子電路真實行為進行模擬。基于工業(yè)標準SPICE模型的軟件可進行模擬或數字電路仿真，如Multisim、TINA、LTspice等;數字電路仿真也可以采用Verilog或VHDL方式，如Modelsim等。電路仿真實驗具有諸多優(yōu)勢：（1）逼真模擬電路功能行為，不用搭建實際電路，實驗效率高、實驗風險和錯誤率低、實驗周期短。（2）支持電路創(chuàng)新設計實驗，對提高實驗質量有重要支撐作用。（3）良好的圖形化界面、豐富的仿真分析能力、符合實驗一般流程和實際實驗操作方法等特點，使用戶有身臨其境的實踐體驗感覺。（4）不受時間、人數、場地、設備等諸多條件限制。（5）基于Web瀏覽器和專業(yè)平臺可以遠程實驗。

3.虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗是指利用計算機創(chuàng)建的虛擬實驗環(huán)境，在其中進行電子電路類實驗。因為逼真、沉浸感強、實時交互、出入自然等特點，該實驗方式具有很好的實驗感覺[2]。目前，國家虛擬仿真實驗教學項目被譽為國家級金課。虛擬仿真實驗是真實實驗與仿真實驗相互補充、有機結合的一種新的實驗方式，也是探索線上線下結合，打開實驗新局面，提高高等教育實驗教學質量的重要舉措。

4.虛擬儀器實驗。基于虛擬儀器的實驗是指以計算機內虛擬儀器軟件為核心，外置高性能硬件模塊，完成電子電路類實驗的方式。軟硬件集成是實驗的根本，支持虛擬儀器產生激勵信號、采集響應信號，實現實驗中的測試、測量和自動化應用。國內易星標、潤眾等教學設備廠家基本實現了基于硬件實驗環(huán)境、在線遠程操作的虛擬實驗;國外NI公司的LabVIEW中虛擬儀器非常全面，同時研制各種外置硬件板卡，以及針對院校的ELVIS系列平臺，實驗靈活，測試簡單，方便進行電路創(chuàng)新設計實驗，能夠有效解決傳統(tǒng)實驗的諸多限制。

5.口袋實驗室。口袋實驗室是近些年流行的一種實驗方式，主要基于實驗套件，支持模擬、數字電路實驗，其特點是靈活方便，如NI的myDAQ，以及小腳丫FPGA套件等。

6.在線電路仿真實驗。在線電路仿真實驗是采取在線EDA工具的方式，基于Web瀏覽器進行電路仿真實驗，也是目前的一種新趨勢[3]。網絡上出現了眾多電路在線模擬仿真實驗平臺，如Multisim Live、CircuitLab、falstad、Partsim、Dcaclab、EasyEDA、AUTODESK LIBRARY.IO、EveryCircuit、Tina、Simulator.io、Quite Universal Circuit Simulator、PhET等。這些在線平臺在一定程度上滿足了隨時隨地任意進入的實驗需求。

（三）電子電路類實驗的主要問題

從當前高校實驗的實施情況看來，單一實驗的模式弊端日益顯現。傳統(tǒng)實驗受限于時間、場地、設備、師資、元器件、管理等因素，很難滿足實驗教學新的目標。此外，采取傳統(tǒng)方法研究復雜電路的行為往往比較困難;電路仿真基于電路符號，因為缺乏直接操作體驗，無法真實感受實驗過程，實驗數據的真實性也廣受質疑;虛擬仿真投入成本高，立項多用于解決高危、長周期、微觀等實驗問題，電子電路類實驗立項少，并且實驗數據的真實性同樣受質疑;基于虛擬儀器的遠程實物實驗仍需研究;口袋實驗室與在線電路仿真一定程度上可以解決以上問題，但是存在系統(tǒng)性設計和科學有效管理等問題。因此，僅從單一模式的選用來看，教師仍然最青睞傳統(tǒng)方式，因其方便實施、管理和考核，而其他模式采用比例相對較低。

二、“虛”“實”結合的實驗模式探索

（一）“虛”與“實”的結合

電子電路類實驗中，“虛”是指計算機軟件仿真、虛擬仿真、在線仿真等;“實”則是指采用真實電子元器件，搭建電路的實驗。教學研究初步發(fā)現，虛實結合實驗具有以下優(yōu)勢。

1.大幅提升實驗教學的層次和水準。高階實驗是實驗教學的重要目標[4，5]。但是實驗課普遍學時緊張，時間對傳統(tǒng)實驗限制很大，兩節(jié)實驗課，教師講實驗目標、原理、內容，學生思考、消化后開始實驗，時間運用效率極低，很難在有限的時間內完成高階性實驗，導致教師設計的實驗往往層次低、內容簡單、驗證為主。而若課前先進行電路仿真、虛擬仿真，熟悉了實驗內容和流程，則可以將實驗室時間完全用于關鍵性和創(chuàng)新性的實驗。

2.有效提高不同層次學生的實驗水平。不同專業(yè)、不同層次學生有明顯的學習差異。實驗教學時，學生在理解、專注度、動手能力等方面表現不同，理解和動手快的學生能夠很快得到教師預期的數據結果，慢的學生則往往無法在有限的時間內充分實驗，最慢的學生甚至無法完成實驗。虛實結合使得慢的學生可以先飛，在實驗室里的時間同樣可以獲得能力提升，增強獲得感，虛實結合的意義可能更大。

3.極大增強學生的學習興趣。在信息化環(huán)境下，電路仿真和虛擬仿真實驗因靈活、豐富、真實體驗等特點，能夠吸引學生，并滿足學生不同的實驗訴求;再結合實物實驗，從理論到仿真再到實物，最后回到理論，可以形成不錯的閉環(huán)學習體驗。

4.高度實現理論和實驗的貫通。通過虛實結合將實驗室、實驗過程搬入理論課堂是課程教學一直以來追求的目標。這樣一方面可以強化理論教學的深度和知識應用的真實感，另一方面極大地方便了教師在課堂上開展教學模式創(chuàng)新，有效地推進了線上線下混合教學，邊學邊做勝過枯燥的理論灌輸，能夠吸引學生。

（二）虛實結合的可行性分析

1.實驗技術及應用比較成熟。在真實實驗目標的牽引下，電路仿真、虛擬儀器、虛擬仿真等技術發(fā)展迅速。仿真元件模型越來越精確，仿真實驗環(huán)境越來越逼真，在線遠程實驗已完成從演示性體驗，到在線仿真，再到在線真實硬件電路操作的轉變。虛擬實驗從實驗數據真實性到實驗感覺逐漸被師生們接受，融入實驗教學已經水到渠成。

2.虛實結合實驗的產品研制碩果累累。美國NI公司的ELVIS、myDAQ等硬件電路能夠和計算機虛擬儀器結合;深圳易星標公司的ELF-BOX實現在線遠程操作硬件實驗平臺;南京潤眾公司采用硬件電路構建實現虛擬仿真實驗在線平臺。虛實結合已經將實驗搬上互聯(lián)網，以在線方式遠程隨時隨地實物實驗已成為現實。

3.虛實結合的實驗改革探索很熱。知網、維

普、萬方等知名數據庫中收錄文獻的數量表明，近20年里，針對實驗改革、電路仿真、虛擬仿真等內容的研究、探索和應用文章很多，參與研究的高校和研究人員廣泛，產生了大量的初步探索成果，可為虛實結合實驗模式及應用提供借鑒。

（三）虛實結合實驗的應用模式探索

1.簡單組合，各自運用。虛是虛，實是實，各自安排，組合使用。引入電路仿真或虛擬仿真，作為學生課外驗證理論、開拓實驗的補充，方便教師靈活開展各種第二課堂學習活動，實驗教學采取傳統(tǒng)方式，全部安排在實驗室。這種實驗模式設計和實施比較簡單，缺點是結合比較松散，不能做到優(yōu)缺互補。

2.深度結合，綜合實踐。實驗內容虛實綜合設計并統(tǒng)一組織實施，設計內容覆蓋課程全部知識點。實驗室實驗主要針對課程經典電路和學生創(chuàng)新電路進行設計和實施，將實驗預習和實驗拓展留給電路仿真或是虛擬仿真。這種模式有效支持學生驗證典型電路，或搭建、仿真、實物驗證自主創(chuàng)新設計的電路，實現仿真和實驗數據比分析。這樣在有效解決傳統(tǒng)實驗限制的同時，也使得課程教學和考核有了多樣化的選擇。

3.理實融合，貫通設計。理論知識、電路仿真、虛擬仿真和實物實驗聯(lián)合打造、一體化貫通設計，實現教學設計虛中有實、實中有虛。通過實驗元素融入理論課堂、融入理論作業(yè)、課程設計等，加強理論教學深度。課程教學從課堂，到作業(yè)，再到實驗（電路仿真、虛擬仿真、實物實驗），采取貫通性設計，理論指導實驗，實驗反哺理論，虛實貫穿始終，理實高度融合。

未來，在線、虛擬儀器、虛擬仿真和實物實驗的結合還會更緊密，而教學上也會迎來全新的模式，學生隨時、隨地、在線、真實場景、實際設備進行實驗并不遙遠，教師應當為此做好充足準備。

三、虛實結合在我校實驗教學中的應用

以我校“數字電子技術”課程為例，探索虛實結合的實驗教學與考核模式。課程總實驗學時10學時，學生人數200左右。學生特點是基礎差異較大、學習能力不均衡。

（一）實驗方案與應用實施

整體方案以實體實驗為主、電路仿真和口袋實驗為輔，同時采取在線仿真作為必要補充，構建一核兩翼一拓展的實驗模式。

1.以實物實驗為核心和基石。10學時全部設計為實驗室實驗，目標是在有限實驗教學學時內高效、高質量地完成重要理論、創(chuàng)新電路的驗證，通過觀察實驗現象獲得啟示，鞏固和加深理論的理解和應用。針對學生差異，實驗內容分層設計，從傳統(tǒng)固定實驗，發(fā)展為：“必做實驗+實驗庫項目選做實驗”，形式包括基本型、設計型和綜合型;實驗時間安排在電路仿真和虛擬仿真之后。

2.高度融合電路仿真實驗環(huán)節(jié)。目標是實現學生在自由時間、地點完成指定的電路仿真，以及自選課題的創(chuàng)新電路設計、驗證和仿真優(yōu)化。指定任務包含兩方面：一是在作業(yè)中。在原電路分析、設計要求的理論基礎上，進一步將電路仿真融入。二是期終考核。自主選擇電路綜合設計課題，完成電路設計、仿真、驗證、優(yōu)化后提交課題報告。

3.充分利用口袋實驗套件。針對我校互聯(lián)網限制、學生基數大、學習時間集中等特點，購置200套小腳丫（Step FPGA）實驗套件，與指導手冊一起在開課之前為學生配發(fā)。學生從范例開始，學習并逐步進入自主設計階段，完成指定實驗項目。

4.合理利用虛擬仿真在線實驗平臺。目前我校通信工程專業(yè)已在建四間支持虛擬仿真（基于實驗平臺的虛擬在線實驗）的實驗室，可面向所有在校學生，目標是通過虛擬仿真實驗，使學生能夠預習實驗，熟悉實驗的規(guī)范流程，體驗實驗環(huán)境，觀察實驗現象，掌握實驗的關鍵數據和實驗報告的撰寫格式等。

（二）總結與啟示

1.科學體現學為主體，實驗教學既要針對共性，又要高度關注差異。固定的實驗內容、單一的實驗模式很難兼顧學生差異性，而虛實結合進一步提高了實驗的多元化，對解決由學生差異造成的實驗教學困難有很大幫助。

2.合理設計考核模式，實驗考核需要統(tǒng)一標準，同時需要科學體現公平。我們的教學班中既有戰(zhàn)士，也有青年。不加區(qū)分、絕對相同的考核方式未必對所有學生公平，多元化的實驗意味著多元化的考核，可以改善學生存在差異時的考核公平性。比如數字電子技術實驗考核成績組成中，10學時實驗的必做實驗分數占比15%，選做實驗占比5%;電路綜合仿真設計占比5%，報告撰寫占比5%，作業(yè)中的電路仿真設計同樣設置分數占比。

3.資源建設應當走在教學改革的前面。俗話說，巧婦難為無米之炊。資源建設是教學改革及應用的根本，在實驗教學中實現虛實結合，需要做大量的建設工作。如選做實驗項目庫、電路仿真庫、綜合仿真課題庫、虛擬仿真在線實驗案例庫等。

4.教師應當與時俱進，更新觀念，及時學習和運用新技術，始終站在信息技術的前沿。當下信息技術發(fā)展迅速，高等教育改革持續(xù)升溫，不斷涌現教育新理念、新方式、新技能，知識學習的方式不斷發(fā)生變化。高校教師應當及時學習國務院、教育部下達的教育指示精神、教育文件和印發(fā)的通知，積極參與教學培訓、教學觀摩、教學報告、教學研討等活動，主動多渠道探索新理念、新知識、教學新技能，及時學習和運用必要的信息化教學手段，才能跟上新時代教育目標，及時改革教學模式，契合新的教學觀念，提高教學的智慧含量。教與學對高校教師來說同等重要，相互依托。

電子、計算機、網絡、虛擬仿真等技術的快速發(fā)展，為電子電路類實驗的實現方式和有效實施提供了強大助力。相信虛實結合的實驗教學模式通過科學的設計，能夠打破傳統(tǒng)實驗的桎梏，突破學生實驗學習的時間與空間限制，在一定程度上達到實驗教學的目標。

參考文獻

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Exploration on the Application of Virtual-actual Experiment Combination in the Teaching of Electronic Circuit Experiment

WU Yuan-liang， JIA Yong-xing， SHI Hui

（Institute of Communication Engineering， Army Engineering University of PLA， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： There are many limitations in the traditional way of electronic circuit experiment， which restricts the practical effect of experimental teaching. To follow the development of circuit simulation， virtual simulation and physical experiment technology and to explore the application model of virtual-actual experiment combination is a very useful and practical topic. This paper first analyzes the current situation of electronic circuit experimental teaching， aiming at the fundamental role of experimental teaching， focusing on the experimental development model， carries out problem analysis， and then explores the significance， feasibility and implementation plan of the combination of virtual and actual experiments. Finally， taking the experimental teaching of Digital Electronic Technology course in our school as an example， the practical application cases of virtual-actual experiment combination are introduced.

Key words： electronic circuit; experimental teaching; combination of virtual-actual experiments; application model

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