模擬電子技術網絡虛擬實驗平臺

摘要：在工科教學要求逐步提升的背景下，以模擬電子技術為代表的工科課程實驗教學也在面臨新的挑戰，優化實驗環境勢在必行。本文首先分析虛擬實驗平臺的開發背景，隨后設計了虛擬實驗平臺結構，并總結應用效果。

關鍵詞：模擬電子技術;虛擬;實驗平臺

引言：困擾高校開展實驗教學的因素有很多，場地因素、安全因素等等均位列其中，優化課程實驗體系勢在必行。因此以模擬電子技術課程為例，有必要建立一種虛擬實驗平臺并說明應用的方式和價值。

一、虛擬實驗平臺背景分析

1.網絡技術發展。網絡技術的大量應用，為教學領域的虛擬實驗平臺構建提供了背景基礎。一方面，互聯網技術的應用與現代信號處理的理念目標相吻合，對于工業自動化控制體系產生深遠影響。工業控制體系中出現的很多新方法與新體系都與互聯網環境關系密切，更加強調人員與設備在互聯網環境中的協調操作效應，推動工業控制體系不斷發展。另一方面，互聯網技術對于工業控制體系中的通信效應具有正面促進作用，與網絡通信技術的深度融合也是工業控制體系發展的重要特征。例如在應用通信網絡的過程中需要充分結合控制理論體系，并完成工業控制體系數據的交換任務。伴隨著工業體系的不斷擴大，數據交換任務逐步增多必然意味著服務器負擔的逐步加重。由此可見構建虛擬實驗平臺的必要性，在充分利用虛擬網絡環境的基礎上開展網絡虛擬實驗，發揮電子技術手段的優勢。

2.實驗需求提升。近年來我國逐步加強工科實踐類人才的培養力度，對于工科實驗教學的要求逐步提升、投入力度也在加大，客觀上存在應用虛擬實驗平臺的大量需求。以模擬電子技術課程為例，作為電子信息工程類專業的重要課程，在工科教學體系中占有重要地位，如何保證模擬電子技術課程的實驗教學質量成為重要課題。根據模擬電子技術的實驗課程特征以及計算機網絡的優勢，將邏輯的理念融入其中，建立一套服務于模擬電子技術的實驗平臺。參與實驗的人員可以通過虛擬實驗平臺進入到仿真實驗環境，在平臺中提供開展模擬技術實驗需要的器材和設備，在仿真實驗環境中選擇提供的設備器材就可以開展實驗，達到與實景實驗相仿的實驗效果。虛擬實驗平臺并行性能良好，為多名實驗者在平臺中同時開展實驗提供技術空間和條件;而且這種實驗方式有效突破空間因素桎梏，在具備計算機和網絡條件的環境中就可以開展實驗，實現實驗課程的遠程教學效果。虛擬實驗平臺本質上是計算機技術與其他軟硬件技術的結合，突出虛擬實驗平臺的仿真價值。即便是操作虛擬實驗平臺，也能夠獲取身臨其境的效果。另外在虛擬實驗平臺中還需要注意輔助軟件的應用設計，進一步提升模擬實驗的實際效果。在模擬電子技術實驗環節中包含很多程序設計任務，應用輔助性軟件則為實驗過程中的編程設計環節提供很多方便，有效促進實驗人員與平臺之間的交互效果。

二、虛擬實驗平臺設計

1.平臺前臺架構

（1）網絡實驗模塊。虛擬實驗平臺的前臺部分面向普通實驗人員，包括網絡實驗、實驗支持等多個模塊。網絡實驗是開展各項模擬電子技術實驗的核心，在網絡實驗模塊中提供了實驗人員可以選擇的實驗類型和實驗內容，實驗人員可以根據自身需求選擇目標實驗。當實驗人員進入到實驗環境后，并不會直接開始實驗，而是獲取有關本次實驗的具體步驟、要求和內容，幫助實驗人員對本次實驗建立初步、全面的認識，為虛擬環境中的實驗奠定堅實基礎。在網絡實驗模塊中提供了很多實用價值較高的實驗器材元件，這些元件與模擬電子技術實驗課程的要求相吻合，基本覆蓋模擬電子技術課程的全部要求。其中以實驗箱和Flash模型為典型代表，在實驗箱中提供了類型豐富的實驗元件以及足夠逼真的實驗面板;選擇實驗內容和實驗面板后，可以在實驗面板中按照實驗步驟選擇實驗元件并執行連線操作，另外可以進行模擬連線處理。例如在“多級放大器設計”網絡實驗環境中，提供了多級放大器設計需要的電子元件和導線，為實驗人員落實實驗任務奠定基礎。

（2）在線交流模塊。實驗人員在虛擬實驗平臺提供的空間中并不是獨立的，可以通過在線交流模塊根據實驗內容進行交流。為增強實驗人員相互之間的聊天效果，在虛擬實驗平臺中整合了常用的聊天方式，事實上形成了虛擬實驗平臺范圍內的聊天室。這種在線交流模式不僅限于兩人之間的交流，同時滿足多人交流、群組交流的效果。在部分模擬電子實驗中需要采取多人分組方式，在虛擬實驗平臺中也可以完成與現實場景相吻合的人員分組任務;在構建小組的基礎上開展群組交流活動，針對模擬電子技術實驗中發現的問題進行互動，群策群力共同解決問題。通過在線交流模塊還可以實現問題解答、實驗問題發布等功能，同時為模擬電子技術實驗中的學術問題開展研討。

（3）實驗輔助模塊。在模擬電子技術實驗過程中可能會需要輔助支持，通過實驗輔助模塊為實驗人員的實驗活動提供必要的支持。該模塊中可以提供多種表現類型的支持，例如通過文字資料為實驗提供可以借鑒的內容。與此同時還可以為模擬電子技術實驗提供視頻、動畫、音頻等多方面的材料支持;同樣以“多級放大器設計”為例，在開展正式實驗前需要預習有關本次實驗的內容，對實驗步驟、流程和目標建立基礎認識。實驗人員通過播放實驗視頻的方式，對“多級放大器設計”實驗的基本過程進行梳理，從而做到對實驗內容心中有數。在虛擬實驗平臺開發中充分整合Flash、短視頻等技術，增強實驗內容的展示效果。與此同時提供關于本次實驗的語音介紹內容，豐富實驗輔助模塊的體驗效果。

（4）實驗學習模塊。任何實驗課程都不能完全脫離實際，對于模擬電子技術實驗同樣如此。因此在前臺架構中設計了實驗學習模塊，為開展與模擬電子技術實驗相關的理論學習提供便捷渠道。另外各個學校針對模擬電子技術實驗課程編寫了實驗教材，在虛擬實驗平臺中可以閱覽與實驗教材同步的內容。這些內容以pdf、word等多種格式體現在實驗學習模塊中，實驗人員在執行實驗的過程中可以隨時查閱編撰的實驗材料，為開展實驗學習提供了自由空間。在實驗學習模塊中提供了學習成果檢驗的路徑，通過問答題、試卷等方式為實驗人員自我檢測學習成果提供了有效渠道。

2.平臺后臺架構

（1）信息維護模塊。在該模塊中主要維護關于虛擬實驗平臺的各項信息，后臺管理員可以管理參與模擬電子技術實驗的人員信息。由于虛擬實驗平臺在學校或者單位范圍內進行，因此要做好虛擬實驗平臺操作人員的權限管理工作。例如實驗人員在使用平臺前需要注冊賬號信息，并提供證明本人身份的信息;這部分信息提交后需要后臺管理員的審核驗證，在確定注冊人員身份后方可允許實驗人員操作平臺。通常情況下需要驗證人員的姓名、院系、專業等信息，進而建立虛擬實驗平臺的人員信息體系。

虛擬實驗平臺的大量信息內容與實驗課程、實驗步驟有關，在信息維護模塊中構建完整的數據信息體系。例如在實驗內容信息管理功能中，實現對實驗電路圖、實驗人員、時間等信息的管理功能，妥善保存某次實驗的結果。對于實驗課程信息的管理同樣如此，操作信息維護模塊可以建立有關模擬電子技術實驗課程的臺賬，體現每次實驗課程的標題、描述內容、實驗要求等信息。

總體來講，信息維護模塊是虛擬實驗平臺與數據庫體系交互的重要模塊，上述信息最終都會保存在虛擬實驗平臺數據庫中。后臺管理人員操作的全部信息都來自數據庫，在數據庫中設計了有關模擬電子技術信息的數據表，為信息維護模塊提供充足的信息支撐。

（2）實驗報告管理模塊。每次模擬電子技術實驗后，實驗人員都應當根據此次實驗情況編寫實驗報告，關于這部分實驗報告信息的管理則由管理人員在后臺完成。一份完整的實驗報告，應當清晰體現一次模擬技術實驗的目的、過程和結果。后臺管理員可以對全部實驗報告信息進行全面管理，教師用戶可以對個人負責學生的實驗報告進行批閱并給出成績，建立成績與實驗報告之間的對應關系。由于實驗報告涵蓋內容較多，因此在實驗報告管理環節需要設計批閱、查詢、修改等多項功能，確保實驗報告信息能夠貫穿模擬電子技術實驗過程。

（3）統計評價模塊。對于實驗人員的具體表現以及實驗成績需要綜合評價，與此同時模擬電子技術實驗的評分項目較多，因此在統計評價模塊中設計了分步驟打分、成績計算等功能。教師根據實驗人員在各個流程步驟的表現給出合理的分數，虛擬實驗平臺執行成績計算功能確定實驗人員的最終分數。教師在掌握實驗人員最終分數和操作過程的基礎上，確定對本次模擬電子技術實驗內容的掌握程度。在此基礎上給出相對客觀公正的評價。參與模擬電子技術實驗的人員信息、成績信息乃至課程內容信息是一筆龐大的數據資源，因此在整合大數據技術的前提下，建立了成績數據評價體系。后臺用戶可以實驗人員、院系、實驗課程等信息為維度，檢索模擬電子技術實驗信息并深入分析，確定院系內不同班級、或者班級內不同實驗人員的總體表現，為教師優化教學方案提供重要的依據。平臺功能架構如圖1所示。

三、虛擬實驗平臺應用優勢

1.擴展實驗空間。傳統模擬電子技術實驗體系主要在實驗室現場進行，由于實驗教學資源終究有限，實驗中心通常要容納全部工科學科的實驗教學任務，具體到每一類實驗課程僅能分到2～3間實驗室，需要教務人員根據學生規模制定實驗方案并開展分批實驗，間接延長實驗周期并降低一學期內可以開展的模擬電子技術實驗課程內容。應用虛擬實驗平臺則有效突破空間層面的桎梏，由于平臺中包含全部實驗課程，教師可以根據實驗課程的簡繁難易程度進行甄選;對于基礎性較強、對現場依賴度較低的實驗課程則可以完全在虛擬實驗平臺環境中完成，對于相對復雜的課程則可以采用“平臺+現場”的實驗教學模式，通過虛擬實驗平臺達到預習效果，隨后在現場環境中實地操作。由此可見虛擬實驗平臺的優化效應非常顯著，實驗中心實驗室資源的利用效率也會顯著提升，模擬電子技術實驗體系中的全部課程都可以在規定教學學時內完成，保證實驗教學全面鋪開。

2.有助于培養創新意識。虛擬實驗平臺有效拓寬了實驗環境，實驗人員可以充分利用平臺提供的各種資源進行拓展實驗，很多傳統實驗環境中的束縛因素被徹底去除。實驗人員在積極開展實驗的同時不斷探索模擬電子技術課程的未知領域，真正體現工科教學“基于課程高于課程”的理念。虛擬實驗平臺真正利用互聯網資源，為開展試驗開拓空間。

3.降低實驗成本。虛擬實驗平臺本質上是將現場實驗環境搬移到網絡環境中，在很多領域起到與現場實驗同等的作用。一直以來實驗環境建造和實驗設備配置是學校開展實驗活動的難題，很多實驗設備歷經多年使用，已經出現明顯的損耗或者計數不清的現象，利用這種設備開展模擬電子技術實驗的意義已經不大;另一方面，學校需要在實驗中心建設以及實驗設備更換方面投入較多經費，提升了學校運營成本。虛擬實驗平臺的應用顯著降低對實體實驗設備的依賴程度，學校在制定實驗中心建設方案時更有針對性，諸多設備元件通過網絡環境就可以實現，實體設備元件的使用頻率明顯降低，提升實驗設備的使用壽命并延長周轉周期，很多成本由此被節省。

4.提升容錯性。模擬電子技術雖然主要在弱電環境中進行，但是潛在的傷害因素不容忽視，有可能會對實驗人員造成人身傷害。應用虛擬實驗平臺則會提升模擬電子技術實驗環境的安全性，實驗過程完全在網絡環境中進行，實驗人員無需要擔心由于實驗帶來的安全隱患，能夠更好地投入實驗過程。另一方面，模擬實驗操作出現失誤，可能會對設備本身造成難以挽回的損害，存在容錯度較低的特征;應用虛擬實驗平臺，對于實驗設備起到顯著的保護作用，即便實驗人員在實驗中出現錯誤，也有很大的挽回余地，實驗行為的容錯性明顯提升。

結束語：虛擬實驗平臺的應用，對于傳統實驗教學體系是一次徹底新的突破，也為模擬電子技術實驗教學的發展開辟新的空間。在應用虛擬實驗平臺的過程中要注意積累經驗和方法，力爭獲得更好的教學效果。

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作者簡介：楊秀峻，男，1998年8月，本科生，黑龍江工業學院，電氣工程及其自動化，專業學生。

黑龍江工業學院 ?黑龍江 ?雞西 ?158100