基于電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐*

◆吳羽 龍曉莉 陳新兵 張倩

基于電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐*

◆吳羽 龍曉莉 陳新兵 張倩

介紹基于電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能特點(diǎn)，以數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)為例，將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合并發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自主學(xué)習(xí)；電工電子

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是幫助學(xué)生理解課堂知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際工作能力的重要手段。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是在實(shí)驗(yàn)室中利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行的，在時(shí)間和空間上對學(xué)生有所限制，并且存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)過程損耗較大、教師指導(dǎo)時(shí)間有限等問題。這些都限制了學(xué)生動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)能力的提高。需要打破這種限制，拓展延伸實(shí)驗(yàn)課堂。近年來，虛擬實(shí)驗(yàn)這一新興技術(shù)正逐漸得到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。

電工學(xué)、模擬電路和數(shù)字電路等電工電子類課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，做好該類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。在廣東省教改工程項(xiàng)目基金的支持下，結(jié)合電工電子實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，項(xiàng)目組成員進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)探索，將實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象通過虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)來進(jìn)行演示和仿真，從以教師為主體到以學(xué)生為主體進(jìn)行轉(zhuǎn)變，提供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的機(jī)會(huì)，建立并逐步完善學(xué)生自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式[3]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能特點(diǎn)

開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)依托校園網(wǎng)絡(luò)，以虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心界面如圖1所示。平臺(tái)用戶角色包括學(xué)生、教師、教務(wù)員、實(shí)驗(yàn)室管理員、校領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員等。平臺(tái)功能主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)庫維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)成績統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)字化資源管理、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)。該虛擬實(shí)驗(yàn)室中課程的虛擬實(shí)驗(yàn)均可以反復(fù)配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬儀器設(shè)備進(jìn)行操作，也可依平臺(tái)提供的儀器設(shè)備自由搭建合理的新穎實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心界面

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的主要功能有：教師根據(jù)教務(wù)處的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃維護(hù)典型實(shí)驗(yàn)庫，安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，批改實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績。學(xué)生根據(jù)任課教師的要求，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、做實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)提供了交互式練習(xí)、自我測驗(yàn)、課件瀏覽等功能，并能實(shí)現(xiàn)師生實(shí)時(shí)交互；豐富的學(xué)習(xí)資源和交流工具，讓學(xué)生提前對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)步驟有直觀的認(rèn)識(shí)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，減輕教師的負(fù)擔(dān)。

實(shí)驗(yàn)過程智能指導(dǎo) 虛擬實(shí)驗(yàn)過程智能指導(dǎo)通過對學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，提供智能和人性化的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)“在線教師”的功能。在實(shí)驗(yàn)過程中提供有針對性的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程智能化，學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)過程受到智能指導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)測。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到疑問時(shí)可以尋求幫助指導(dǎo)，系統(tǒng)亦能主動(dòng)對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的不當(dāng)操作進(jìn)行提示，避免發(fā)生錯(cuò)誤。學(xué)習(xí)者或教師可以直接對系統(tǒng)提問，系統(tǒng)搜索出對應(yīng)的知識(shí)信息，反饋給用戶。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改 學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)提交結(jié)果后，自動(dòng)批改子系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中獲取學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)利用知識(shí)庫中預(yù)先錄入的批改規(guī)則對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息進(jìn)行推理分析并得出結(jié)論。評價(jià)結(jié)果反饋給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，評價(jià)結(jié)論呈現(xiàn)給學(xué)生，并把成績和相關(guān)信息匯總到成績管理模塊。

虛擬實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)資源管理 Flash、Java或其他編程語言實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)資源。本平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)模塊提供了相應(yīng)的集成接口，用來將現(xiàn)有的仿真教學(xué)資源集成到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中。

師生互動(dòng)交流 提供用戶互動(dòng)交流模塊，包括實(shí)驗(yàn)答疑和在線留言功能，實(shí)驗(yàn)答疑支持多人語音、文字交流。

系統(tǒng)管理 系統(tǒng)管理員對參加者進(jìn)行分組管理，提供導(dǎo)入/導(dǎo)出、增加、刪除、查看、修改功能，并維護(hù)實(shí)驗(yàn)參與者的權(quán)限，同時(shí)還可以查看在線人數(shù)、用戶訪問、用戶登錄記錄。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

虛實(shí)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力 在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生掌握如何使用儀器設(shè)備，通過實(shí)際操作，解決實(shí)際問題的能力得到有效的提高。而在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供接近真實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生能進(jìn)一步掌握儀器設(shè)備的使用方法，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行演示和仿真，使學(xué)生能主動(dòng)地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備階段，參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程，為學(xué)生提供充足的自主學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)、良好的自主學(xué)習(xí)條件。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)讓學(xué)生能主動(dòng)嘗試各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生知識(shí)的深度和拓展學(xué)生知識(shí)的廣度，使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)變得更加靈活和有創(chuàng)造性。因此，采取虛實(shí)結(jié)合的方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢，提高學(xué)生解決問題的能力 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備、師資等條件，有選擇地在一定的時(shí)間空間內(nèi)開設(shè)典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)課之前，學(xué)生只能依據(jù)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟來進(jìn)行抽象的理解，而不可以動(dòng)手先試做一次，建立直觀的認(rèn)識(shí)。在課后學(xué)生如果想復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，或者對于書本上的某個(gè)原理有疑問，想自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，卻受到實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制而不能隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間也缺乏一個(gè)有效的交流平臺(tái)。

現(xiàn)在，虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備供學(xué)生自己動(dòng)手連接、調(diào)節(jié)，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與試做，實(shí)驗(yàn)的安排更加靈活方便。學(xué)生還能利用平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)儀器自主搭建任意合理的實(shí)驗(yàn)，自主學(xué)習(xí)的能力得到有效的提高，教師能掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，進(jìn)行教學(xué)演示，或者將實(shí)驗(yàn)中的不足提出來，師生共同探討，從而增強(qiáng)教學(xué)效果。

如在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開設(shè)有9個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：TTL集成邏輯門的邏輯功能與參數(shù)測試、組合邏輯電路的設(shè)計(jì)、MSI譯碼器邏輯功能測試、MSI數(shù)據(jù)選擇器邏輯功能測試、觸發(fā)器功能測試及其應(yīng)用、計(jì)數(shù)器邏輯功能測試、移位寄存器邏輯功能測試和應(yīng)用、555時(shí)基電路及其應(yīng)用、智力競賽搶答裝置。以組合邏輯電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，使用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)組合電路是最基本的邏輯電路設(shè)計(jì)方法，可以較為系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和綜合設(shè)計(jì)能力。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)掌握邏輯電路的設(shè)計(jì)原則、基本方法、步驟及其測試方法。如設(shè)計(jì)一個(gè)用與非門組成的四人表決電路，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，根據(jù)題意列出真值表，再填入卡諾圖，由卡諾圖得出邏輯表達(dá)式，并演化成“與非”的邏輯表達(dá)式，據(jù)此畫出用“與非門”組成的邏輯電路。然后按照實(shí)物連接線路并進(jìn)行仿真分析，直至所設(shè)計(jì)電路符合設(shè)計(jì)要求，最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電路的連接，大大縮短了調(diào)試時(shí)間，降低了器材的損耗。

另外，為了在兩節(jié)課內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，通常把四人表決電路和檢視交通信號燈工作狀態(tài)的邏輯電路列為必做內(nèi)容，而把一位全加器和燈的多開關(guān)控制電路等其他項(xiàng)目列為選做內(nèi)容。若將其中的拓展內(nèi)容在虛擬實(shí)驗(yàn)中完成，則不但能在課內(nèi)完成典型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中新增任意新穎項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上的延伸，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)建立起直觀的感性認(rèn)識(shí)，利用虛擬技術(shù)提供仿真性的探索情境，從而讓學(xué)生解決真實(shí)性的問題。

3 結(jié)語

廣州大學(xué)電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)，為電工電子類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，平臺(tái)集合實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果批改、師生互動(dòng)交流等功能，為培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力搭建出一個(gè)有效的實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生提供了廣闊的思維空間，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間的延伸，完善了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了有效的提高。

[1]李升源,劉宏,周克良,等.電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)性[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(4):74-76.

[2]劉婷婷,孫志婷.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010(6).8660-8661.

[3]梁海燕,梁鴻東.利用虛擬技術(shù)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)探索[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2008(34):56-57.

G642.423

B

1671-489X(2014)08-0123-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.08.123

2013年廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目“基于能力培養(yǎng)的電工電子類實(shí)踐課程教學(xué)改革與實(shí)踐”。

作者：吳羽、龍曉莉、陳新兵、張倩，廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心（510006）。