針對(duì)中職電類(lèi)課程的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究

張海峰

摘 要： 目前，隨著虛擬仿真軟件的普及，電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境已成為可能。虛擬電子實(shí)驗(yàn)通過(guò)在線仿真，使學(xué)生自由地根據(jù)自己的能力和課程設(shè)置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)室 仿真軟件 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

一、引言

本文針對(duì)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)室的功能定位及基本要求，制訂了基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案，使開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬的電類(lèi)線路的搭建、參數(shù)調(diào)整、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存與數(shù)據(jù)恢復(fù)及多個(gè)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方案的比較與分析。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)為中職教育的電類(lèi)課程教學(xué)提供豐富的拓展空間。在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以自由地選擇適合的時(shí)間、地點(diǎn)、進(jìn)度進(jìn)行與課程內(nèi)容相匹配的實(shí)驗(yàn)，可以個(gè)人單獨(dú)或小組協(xié)同工作，并根據(jù)課程內(nèi)容的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)由學(xué)生自行安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)就是把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇權(quán)、主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。教師提供實(shí)驗(yàn)建議和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，讓學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)，選擇適合自己的并與課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，從而掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以更好地培養(yǎng)學(xué)生自我評(píng)估和獨(dú)立或團(tuán)隊(duì)合作的能力。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成

依靠虛擬儀器構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛擬儀器是虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬硬件模塊的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即利用計(jì)算機(jī)軟件模擬傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)裝置，以完成實(shí)驗(yàn)。因此虛擬儀器構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有成本低、可重復(fù)使用、數(shù)據(jù)不易丟失等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法比擬的。

如圖1所示，虛擬實(shí)驗(yàn)室包括虛擬儀器系統(tǒng)，該虛擬儀器系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程用戶端、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)進(jìn)行連接并訪問(wèn)。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成原理圖

在具體實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程登錄到虛擬實(shí)驗(yàn)室的客戶端，通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生選擇合適的課程項(xiàng)目后進(jìn)入虛擬儀器的控制臺(tái)，虛擬儀器的控制面板發(fā)出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作指令，包括設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，例如電阻、電容、三極管參數(shù)和型號(hào)，虛擬儀器接收到上述操作指令和實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，學(xué)生通過(guò)虛擬儀器的仿真模塊構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)電路，并將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)返回給位于客戶端的學(xué)生。教師可以通過(guò)學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，教師和學(xué)生可以同時(shí)或分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、自評(píng)或互評(píng)。

三、網(wǎng)上虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)上虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。利用Java的Applet技術(shù)設(shè)計(jì)前端的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，利用Java的Servlet技術(shù)處理前端用戶的請(qǐng)求。先對(duì)學(xué)生的操作請(qǐng)求做預(yù)處理電路分析指令，在Java代碼中調(diào)用PPSpice軟件對(duì)前端發(fā)送來(lái)的PSpice分析指令進(jìn)行電路分析。學(xué)生只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)此框架內(nèi)的虛擬器件進(jìn)行模塊拖拽和線路連接及屬性編輯等動(dòng)作搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有可視化、交互性、資源共享、安全性等特點(diǎn)。它符合遠(yuǎn)程教育對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，通過(guò)強(qiáng)大的交互功能營(yíng)造了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，并且更趨向理論計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖2為電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖，主要包括五個(gè)模塊：電路設(shè)計(jì)模塊、儀器模塊、實(shí)驗(yàn)電路存取模塊、實(shí)驗(yàn)面板控制模塊、實(shí)驗(yàn)仿真模塊。

電路設(shè)計(jì)模塊、儀器模塊、實(shí)驗(yàn)電路存取模塊、實(shí)驗(yàn)面板控制模塊直接面向客戶端，接收客戶端的指令。電路設(shè)計(jì)模塊包括：交互模塊、元器件模塊和電路連接模塊；儀器模塊包括：交互模塊、參數(shù)模塊和顯示模塊；實(shí)驗(yàn)電路存取模塊包括：保持模塊和讀取模塊；實(shí)驗(yàn)面板控制模塊包括：各電路模塊仿真單元，例如，供電模塊（內(nèi)含交、直流電壓和電流模塊）、電路案例模塊，如由555搭建的各種時(shí)基電路、簡(jiǎn)單三極管測(cè)試電路。

實(shí)驗(yàn)仿真模塊作為本電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的核心模塊，包括仿真控制模塊、數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

本電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為四層：

（1）界面層：①學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)仿真電路圖，并進(jìn)行相關(guān)元器件的參數(shù)設(shè)置，該數(shù)據(jù)用.gra文件形式進(jìn)行封裝。②通過(guò)解析傳輸層反饋的實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)同樣采用.gra文件的形式，發(fā)送至計(jì)算機(jī)界面上，供學(xué)生檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理層：其主要作用是通過(guò)電路仿真軟件PSpice將接收到的.gra文件進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換為.cir文件，然后進(jìn)行電路仿真，獲得電路仿真結(jié)果，并生成含有結(jié)果數(shù)據(jù)的.out文件。

（3）仿真層：實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)處理層的主要步驟，即解析學(xué)生通過(guò)客戶端傳輸?shù)碾娐贩抡鎸?shí)驗(yàn)操作的數(shù)據(jù).gra文件，并轉(zhuǎn)換為.cir文件，為后續(xù)仿真做準(zhǔn)備；再調(diào)用PSpice進(jìn)行仿真，獲得仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（4）服務(wù)層：存儲(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，臨時(shí)保存實(shí)驗(yàn)及與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)置和仿真數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件框架

3.系統(tǒng)組成及功能

如圖4所示，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)保存和恢復(fù)子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交管理子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)相似度分析程序四大模塊組成。

圖4 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

各模塊的功能如下：

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)：用于虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭接實(shí)驗(yàn)電路，選擇合適的電路參數(shù)，仿真得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)狀態(tài)保存和恢復(fù)子系統(tǒng)：學(xué)生可以建立個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)，將實(shí)驗(yàn)中已完成的或未完成的虛擬實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行封裝保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以隨時(shí)調(diào)用，并繼續(xù)未完成的虛擬實(shí)驗(yàn)，而且完成的虛擬實(shí)驗(yàn)電路可以作為作業(yè)提交到教師主機(jī)，便于老師檢查實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、數(shù)據(jù)結(jié)果。

（3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交管理子系統(tǒng)：系統(tǒng)自動(dòng)將實(shí)驗(yàn)報(bào)告模版發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將報(bào)告填寫(xiě)完成后再將其提交給系統(tǒng)。教師可以對(duì)報(bào)告進(jìn)行批閱和管理。學(xué)生可以下載閱讀批改后的報(bào)告，查看自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于總結(jié)自己實(shí)驗(yàn)的得失。

（4）實(shí)驗(yàn)相似度分析程序：因?yàn)樵撎摂M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要依靠學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而實(shí)驗(yàn)主要在課堂外自主完成，且課程針對(duì)的是中職的學(xué)生，其自學(xué)能力和自我控制能力較差，所以學(xué)生很有可能會(huì)拷貝其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)電路及數(shù)據(jù)，造成整個(gè)班僅兩三種版本，這顯然違背本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想。

教師可通過(guò)實(shí)驗(yàn)相似度分析程序分析學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)涉及元器件、參數(shù)，得出分析結(jié)果，根據(jù)該分析結(jié)果可以判斷學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)時(shí)是否抄襲。

四、結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以PSpice為電路仿真分析軟件的基礎(chǔ)，并結(jié)合Java技術(shù)作為后臺(tái)服務(wù)器的仿真核心模塊，利用可視化技術(shù)與客戶端的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，實(shí)現(xiàn)電路實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在逼真的網(wǎng)絡(luò)“虛擬環(huán)境”中利用各種“虛擬元件或虛擬電路模塊”任意搭接各種電子線路，并通過(guò)各種“虛擬儀器”的仿真測(cè)試實(shí)時(shí)得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，特別適合中職院校的教學(xué)改革，它不僅能保障學(xué)生有充足的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且能一定程度地解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足、元器件損壞等問(wèn)題。

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