軟硬結合的模擬電路實驗教學模式探索與實踐

引言：實踐教學是高校人才培養的重要環節，“新工科”建設也對學生的創新意識和實踐能力提出了更高的要求。模擬電路課程是電子信息類相關專業應用性較強的必修課程，實驗實踐是其不可或缺的教學手段。然而該課程受眾廣、內容多，教學實施難度較大。在當前“新工科”建設大背景要求下，以及新型冠狀病毒肺炎疫情的不斷侵擾下，必須對實踐教學模式做出調整，以適應新形勢的需要。

1傳統的實踐教學方式：傳統的實踐教學是依托硬件實驗室完成的。模擬電路實驗涉及的實驗儀器比較多，至少包括直流穩壓電源、示波器、信號源、萬用表、計算機等，學校花費巨額經費采購相應設備建設實驗室，然后每年再投入不菲經費進行設備維護。學生按照教學安排在限定的時間、空間和已有設備的基礎上，根據實驗課程設計的內容依次完成實驗。實驗教師在完成實驗內容講授、實驗輔導、實驗驗收、實驗報告批改的教學工作內容以外，還需要花大量時間對實驗設備進行維護，工作負擔重、工作效率低。這種傳統的實驗教育模式是各大高校常規采用的方式。雖然該方式簡明、直接，有助于學生迅速進入學習狀態，但其學習效率低，受時空影響大，尤其是當前嚴峻的疫情形勢下，線下實驗的實施異常困難，急需有與時代相適應的新的模式來替代。

2 新興的基于EDA工具的虛擬仿真實驗：隨著計算機技術的不斷成熟，近年來逐步發展起來的虛擬仿真實驗可借助計算機營造一個虛擬的實驗環境，特別是與電子信息類相關課程，有多款成熟的仿真軟件可供選擇，如Proteus、Multisim等。相對于傳統實驗方式，基于EDA工具的虛擬仿真實驗方式有諸多優點。首先，該方式比較便捷，無需硬件儀器設備支持，只需一臺計算機就可完成實驗，包括設計和測試。其次，該方式比較靈活，可以突破硬件實驗室的時空限制。在學生已經掌握仿真軟件使用方式的情況下，無需集中實驗。另外該方式比較高效，虛擬仿真實驗電路搭建比較便捷，單位時間內學生可以完成更多的實驗內容。然而，虛擬仿真環境也帶著天生的劣勢。比如，虛擬仿真的電路環境是理想環境，和真實的工作環境還是有很大差異。特別是模擬電路實驗，真實電路受實際輸入信號、元器件誤差、芯片輸出誤差以及線路損耗等影響，產生的系統誤差和隨機誤差相對較大且隨機變化。虛擬仿真環境不可能無差別的再現真實環境。其次，學生理論課上學習的都是抽象概念，本可以在實驗環節加強感性認識，然而，虛擬仿真環境無法提供電路及相關器件的真實感受。能否有另外一種模式既可以保留傳統實驗模式的真實、即視的特點，又能兼顧虛擬仿真實驗便捷、高效的優勢。

3軟硬結合的實驗模式：傳統實驗模式之所以效率低、損耗大，關鍵在于眾多實驗儀器的維護保障工作難度大。硬木課堂推出的模數混合綜合實驗平臺完美解決了這個問題。該平臺提供了模擬電路、數字電路實驗必須的硬件模塊，如電源模組、示波器模組、信號源模組、數字萬用表模組、多功能數字I/O模組，以及面包板和基礎實驗模塊。實驗時，可以基于面包板任意構建電路，也可以直接采用基礎實驗模塊。實驗平臺和上位機連接后，所有實驗儀器都由上位機軟件實現。與虛擬仿真實驗方式不同的是，實驗電路是真實存在、實時搭建的。實驗信號也是真實的，只是信號的發生和測量由上位機軟件控制，在上位機上顯示。如此，該模式既保留了傳統實驗模式的真實、即視的特點，又能像虛擬仿真實驗那樣便捷。甚至該模式可以支持遠程在線實驗。實驗平臺和本地上位機連接，遠程主機再和本地上位機建立連接。這樣，遠程主機就可以實現對實驗平臺的控制、測量和信號觀察。

以模擬電路單管放大電路為例。傳統方式肯定是基于各種實驗箱完成的，如圖1所示。學生需要連線構建電路、調整信號、測量信號，效率低。

虛擬仿真方式如圖2所示。仿真軟件不但可以完成電路構建，也可以完成信號測量。

本方案的實現方式如圖3所示。被測電路是真實的單管放大電路，該電路板依托綜合實驗平臺與上位機連接，信號的生成和測量則由Electronics Pioneer虛擬儀器完成。

4下一步探索的方向：2020年底，距離新冠疫情爆發已經2年，西安又爆發了嚴重疫情，高校所有課程全部改為線上實施。有了前兩年抗擊疫情的經驗，理論課程線上教學比較容易實施，但對實踐課程來說，難度較大。即使我們提出的軟硬結合遠程在線實驗模式可以實施，也無法滿足大規模的并發在線訪問，只適合個別學生遠程實驗。所以，我們下一步探索的一個方向就是如何支持多主機并發訪問，實現大規模軟硬結合在線實驗。其次，結合當前比較主流的理論課SPOC教學模式，可實現實驗班級管理、實驗內容預習、實驗預約、實驗操作和實驗報告提交等課程過程自動化管理，進一步提高教學效率。

結語：綜上，我們在對比了傳統模擬電路實驗教學模式和虛擬仿真實驗模式的基礎上，提出了軟硬結合的實驗教學模式。該模式既保留了傳統實驗模式基于真實電路的特點，又兼容了虛擬仿真實驗方便快捷，便于操作的特點。

參考文獻：

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[3] 王偉，蔡燕等. 虛實結合型嵌入式課程實驗教學設計[J].電子技術

作者簡介：陳勉（1981—），男，陜西周至人，講師、碩士、西安電子科技大學計算機科學與技術學院教師。研究方向：分布式計算、移動智能計算。