基于Proteus 的智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)研究與設(shè)計

盧彪，談成訪，邱慧麗，梁楠楠，高銘悅

（宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽宿州 234000）

傳統(tǒng)本科高校電子電工類的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師理論講授和實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，學(xué)生不能主動吸收理論知識和快速提高動手操作能力，課程的教學(xué)效率、教師和學(xué)生的積極能動性相對較差[1]。為了提高教學(xué)效果，將傳統(tǒng)的電子電工類的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室改造為智慧型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為課堂理論轉(zhuǎn)換為實(shí)踐操作提供便利，能多方位解決師生課堂教學(xué)的主觀能動性和效率[2]。

基于Proteus 的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)搭建了智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提供了教學(xué)系統(tǒng)方案、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能等設(shè)計。該教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用，能大大提升實(shí)驗(yàn)資源的性價比、實(shí)驗(yàn)空間和教學(xué)資源的利用率，為智慧校園實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)提供了良好的支撐[3]。

1 Proteus 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)平臺

1.1 Proteus 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計

基于Proteus 的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺系統(tǒng)主要包含了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、教學(xué)相關(guān)軟件和Proteus 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)三部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)/模電實(shí)驗(yàn)、電路實(shí)驗(yàn)、DSP 實(shí)驗(yàn)、ARM 實(shí)驗(yàn)、8086 實(shí)驗(yàn)、PCB 布線實(shí)驗(yàn)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。軟件平臺主要實(shí)現(xiàn)了ASF/VSM/ARES、Proteus ISIS 和Proteus Prospice 軟件教學(xué)平臺[4]?；趐roteus 虛擬教學(xué)平臺的綜合設(shè)計與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 基于proteus 的綜合設(shè)計與創(chuàng)新平臺總體設(shè)計

1.2 硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計

Proteus 硬件仿真教學(xué)平臺內(nèi)容主要包括了（1）混合仿真實(shí)驗(yàn)：電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路、信號系統(tǒng)、通信原理和傳感器原理等實(shí)驗(yàn)；（2）嵌入式仿真實(shí)驗(yàn)：微機(jī)原理、單片機(jī)原理、自動控制、數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)；（3）流程圖編程：電子導(dǎo)論、數(shù)字系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)；（4）PCB 設(shè)計：電子工藝制作、CAD 制圖和電子產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計等實(shí)驗(yàn)[5]?；赑roteus 的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計圖如2 所示。

圖2 基于Proteus 的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

2 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體方案設(shè)計

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計

本方案可以實(shí)現(xiàn)在線仿真實(shí)驗(yàn)、軟硬結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)面授與在線實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，將課前實(shí)驗(yàn)任務(wù)預(yù)習(xí)、課中考核與交互、課后復(fù)習(xí)與評估等環(huán)節(jié)無縫銜接，從而呈現(xiàn)了一個“時時，處處、人人”開放共享型的數(shù)字化學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課堂，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與質(zhì)量[6]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計

系統(tǒng)內(nèi)容包括：課程管理、資源建設(shè)與管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)資源、在線互動、學(xué)情分析、成績管理，課外學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)、課后作業(yè)、小組管理、在線簽到點(diǎn)名、在線儀器測量監(jiān)控、在線仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/圖像采集、電子實(shí)驗(yàn)報告、報告智能化在線批閱、智能考核、交流答疑、評估評價等功能，為師生在課堂內(nèi)實(shí)現(xiàn)一對多的智能在線互動實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核體系。同時為翻轉(zhuǎn)課堂、一體化課堂、MOOC 課等教學(xué)形式提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)輔助支撐[7]。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 專業(yè)課程群共建共享設(shè)計

該功能覆蓋整個實(shí)驗(yàn)教與學(xué)全過程，集課程內(nèi)容、課程實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)資源、課堂考核、作業(yè)、通知公告實(shí)現(xiàn)課程專業(yè)的深度融合，促進(jìn)學(xué)習(xí)生態(tài)良性循環(huán)。學(xué)生可以跟隨老師同步學(xué)習(xí)，也可以課下自主學(xué)習(xí)。

（1）優(yōu)質(zhì)課程：一體化系統(tǒng)資源庫與教師資源庫的共同搭建，系統(tǒng)自帶多種優(yōu)質(zhì)電子基礎(chǔ)課程資源（實(shí)驗(yàn)庫、考核庫、作業(yè)庫），支持教師一鍵導(dǎo)入文檔，可上傳視頻、課件、實(shí)驗(yàn)設(shè)計模版等資源。

（2）課程教學(xué)管理：該系統(tǒng)支持一位教師建設(shè)多課程教學(xué)管理，或者單課程由多位教師共同管理與維護(hù)、增刪查改、參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、布置作業(yè)、交流協(xié)作、統(tǒng)計評測、教學(xué)協(xié)作及成果評測、課程動態(tài)、課程鏈接管理等功能；

（3）資源建設(shè)與管理：支持多個課程資源課件同時上傳，支持多種文件格式在線轉(zhuǎn)碼和預(yù)覽，統(tǒng)計分析每個資源的使用情況，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源種類至少包含：實(shí)驗(yàn)案例、微視頻，工程或源代碼，實(shí)驗(yàn)教學(xué)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)等。

3.2 學(xué)習(xí)報告智能教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

（1）課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)流程設(shè)計

支持學(xué)生在線便捷快速撰寫實(shí)驗(yàn)/考核/作業(yè)報告，除了標(biāo)準(zhǔn)的文本，一件導(dǎo)入word 文本、圖像自動快速生成報告，任意截取仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及手機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)結(jié)果即刻上傳，內(nèi)置強(qiáng)大的計算公式庫，隨時隨地編輯保存實(shí)驗(yàn)報告，解決學(xué)生繁瑣的實(shí)驗(yàn)報告過程，告別傳統(tǒng)厚重的紙質(zhì)報告，提高報告完成效率[8]。課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)流程如圖4 所示。

圖4 課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)流程

（2）課程作業(yè)環(huán)節(jié)

系統(tǒng)支持作業(yè)模式：課下作業(yè)和課堂作業(yè)。課下作業(yè)由個人作業(yè)和小組作業(yè)構(gòu)成，課堂作業(yè)只針對課堂老師臨時發(fā)布的作業(yè)，系統(tǒng)提供給學(xué)生兩種應(yīng)用場景下的作業(yè)提交方式。

課下作業(yè)模式：教師可以根據(jù)教學(xué)需求發(fā)布個人作業(yè)，也可以發(fā)布小組作業(yè)，將所任課程班級下的學(xué)生劃分成幾個學(xué)習(xí)小組，設(shè)立組長一名，小組成員共同完成報告編輯，對組員評分后，組長統(tǒng)一提交。

課堂作業(yè)環(huán)節(jié)：老師可以隨堂發(fā)布小作業(yè)，即時批改作業(yè)，以一種高效、便捷、直觀的方式了解學(xué)生對本堂課程知識的掌握情況。特定教學(xué)場景只需教師電腦端發(fā)起課堂作業(yè)，學(xué)生不僅可以借助PC 端上傳作業(yè)，還可以手機(jī)掃碼拍照上傳作業(yè)，最終形成智能化電子報告。

課程考核環(huán)節(jié)：多題型考核，自由組卷，配合隨機(jī)考核和整班考核方式，讓考核更具靈活性；技術(shù)防偽，保證考核真實(shí)性；課程考核環(huán)節(jié)流程設(shè)計如圖5 所示。

圖5 課程考核環(huán)節(jié)流程設(shè)計

3.3 智能評估評價體系

多種模式評判方式：實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改功能：支持學(xué)生提取后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在線注入或填寫到實(shí)驗(yàn)表格中，包括測量的實(shí)驗(yàn)區(qū)間數(shù)如：0.2～0.5V、中文等字符，提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果后系統(tǒng)自動評判，給出對錯，提高批改效率；

報告智能化批閱：對于學(xué)生提交的報告系統(tǒng)自動生成規(guī)范的文本，教師在線批注、畫圈、批閱，同時對學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果在線預(yù)覽，無需下載學(xué)生提交的工程文件，節(jié)約教師時間，報告批改結(jié)束給出評語意見總結(jié)，添加積分鼓勵評價，對象多樣化：系統(tǒng)除支持個人單獨(dú)提交報告批閱外，還支持小組提交，由組長對小組成員評分后，教師再給整組評分。

3.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時交互

Proteus 仿真數(shù)據(jù)實(shí)時采集：可以截取仿真軟件的動態(tài)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象插入報告，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、模擬實(shí)驗(yàn)操作；通過系統(tǒng)可以獲取Proteus 的實(shí)時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果生成圖片，并加上時間戳以保證報告的真實(shí)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時交互如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時交互

實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時交互主要包括：（1）主流儀器數(shù)據(jù)截?。簝x器連接電腦后，可以采集主流廠家的儀器設(shè)備數(shù)據(jù)，智能實(shí)時數(shù)據(jù)測量，詳實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/圖像在線保存，為實(shí)驗(yàn)過程評價和實(shí)驗(yàn)報告評價提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。（2）動態(tài)儀器監(jiān)測：學(xué)生可以通過系統(tǒng)智能提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/圖像，教師對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與管控，在線設(shè)置學(xué)生設(shè)備儀器初始化，實(shí)時掌控學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的理念，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更為高效、便捷的支持。（3）在線互動跟蹤與指導(dǎo)：支持課程下的師生在線交流互動答疑、可自定義選擇開放交流時間和一鍵關(guān)閉禁言功能，支持學(xué)生私密教師留言，同時課程教師可以隨時刪除學(xué)生的不正言論和系統(tǒng)自動屏蔽敏感詞匯，詳實(shí)有效記錄學(xué)生學(xué)習(xí)過程、討論過程。

3.5 教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與反饋：教學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，通過平臺挖掘提取教師日常教學(xué)任務(wù)計劃，課程建設(shè)情況，報告評語批改情況、資源使用率情況，高發(fā)錯誤問題點(diǎn)及學(xué)生的日常預(yù)習(xí)，學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果等多維度數(shù)據(jù)，快速生成直觀精準(zhǔn)的統(tǒng)計圖表。

在線簽到點(diǎn)名：支持教師手機(jī)或PC 在線發(fā)起點(diǎn)名，學(xué)生手機(jī)簽到或掃描系統(tǒng)隨機(jī)生成的一分鐘有效二維碼進(jìn)行簽到、同時記錄學(xué)生手機(jī)型號與簽到IP 智能判決代簽到異常行為，支持一鍵簽到，缺勤、請假，并生成統(tǒng)計圖表批量導(dǎo)出考勤數(shù)據(jù)；

問卷調(diào)查：支持針對課程實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建問卷，對課前情況統(tǒng)計、課中知識點(diǎn)提問、課后掌握程度調(diào)查，對于學(xué)生提交問卷內(nèi)容自動批改，結(jié)果統(tǒng)計、對比、分析。

4 結(jié)語

基于Proteus 的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)通過Proteus 仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、測驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)的功能。學(xué)生在線獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并生成實(shí)驗(yàn)報告，老師可在線批注與評價。滿足多個電子基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，通過網(wǎng)絡(luò)提交或獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)考核。構(gòu)建相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和學(xué)習(xí)空間，對實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)驗(yàn)考核實(shí)現(xiàn)智能診斷。根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)、測試或?qū)嶒?yàn)考核情況生成統(tǒng)計分析圖表。該教學(xué)系統(tǒng)適應(yīng)更多用戶需求，多要素實(shí)現(xiàn)時間上的統(tǒng)一調(diào)配管理，避免時間沖突，為教育教學(xué)精細(xì)化管理提供了教學(xué)基礎(chǔ)。