虛擬實(shí)驗(yàn)方式在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

黃春媚

【摘 要】當(dāng)前電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳統(tǒng)模式已不能滿足教育信息化和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)研究的需要，電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，使教學(xué)形式更加生動(dòng)，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)更加靈活。

【關(guān)鍵詞】電子技術(shù)課程 虛擬實(shí)驗(yàn) 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2016）03C-0181-03

教育信息化迎來(lái)了教育理念和模式改革的深刻革命，為更好地培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的實(shí)踐創(chuàng)新人才，全國(guó)高校紛紛進(jìn)行了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，傳統(tǒng)的以元器件操作、紙質(zhì)記錄的實(shí)體性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭巡荒軡M足開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)研究的需要。開(kāi)放性大學(xué)的日益發(fā)展，越來(lái)越多的人加入了終身學(xué)習(xí)的行列。電子技術(shù)是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論研究的學(xué)科，其內(nèi)容較多，實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限，課程內(nèi)容較抽象。隨著虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，仿真實(shí)驗(yàn)室在電子技術(shù)教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯。2014年3月，教育部發(fā)出了批準(zhǔn)建設(shè)全國(guó)首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的通知。虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充和延伸，已經(jīng)成為電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是電子技術(shù)課程教學(xué)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新。

一、電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自21世紀(jì)以來(lái)，教育數(shù)字化已經(jīng)成為世界教育活動(dòng)發(fā)展的一種新潮流。最早提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的Willaim Wolf教授形象的把虛擬實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)為“沒(méi)有圍墻的研究中心”。目前，國(guó)外在電子學(xué)方面，麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室早在13年前就開(kāi)發(fā)并使用在電路設(shè)計(jì)課程和微電子學(xué)的實(shí)驗(yàn)。西班牙大學(xué)的電子儀器虛擬工作平臺(tái)，意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室都是世界上一流的電子虛擬實(shí)驗(yàn)室。還有LAA Physics（Lean Any time Any where Physics）物理實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)北卡羅來(lái)那大學(xué)研制的，它提出了“隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)物理”的口號(hào)，其目的就是建立一個(gè)自由、開(kāi)放的物理課程實(shí)驗(yàn)室。

從知網(wǎng)查詢(xún)對(duì)于電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究，從中可以看出學(xué)術(shù)界對(duì)于電子技術(shù)的學(xué)術(shù)關(guān)注度呈逐年上升的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在這幾年也得到了快速的發(fā)展。國(guó)家開(kāi)放大學(xué)的物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，北京郵電大學(xué)的開(kāi)放式網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，電子科技大學(xué)的電子與通信系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，西安電子科技大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)的電子信息與通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等都逐步建成并投入使用。

電子電路以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷調(diào)試、糾錯(cuò)而呈螺旋式上升的過(guò)程，它需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，這使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)愈加適合電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)教育。

二、電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)方式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的區(qū)別

教育的信息化使電子線路課程體系隨著信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，電子器件從電子管、晶體管到集成電路的發(fā)展，也在高校電子技術(shù)課程的教學(xué)領(lǐng)域引起相應(yīng)的變化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)立，能很好地化解實(shí)驗(yàn)硬件的不足，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，仿真技術(shù)能更充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程主要強(qiáng)調(diào)硬件知識(shí)和技能的獲取。其包括元器件、單元電路以及由此組成的電路與系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握這些硬件電路的結(jié)構(gòu)原理以及分析設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要設(shè)計(jì)、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)、分析四個(gè)階段，但如果對(duì)自己的制作工藝沒(méi)有充分的把握，都不敢通電實(shí)驗(yàn)，擔(dān)心存在的危險(xiǎn)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集。隨著電子元件的增多，比如手機(jī)電路板的尺寸很小，電路的層數(shù)也多，布線就有了相當(dāng)?shù)碾y度，導(dǎo)致無(wú)法用手工設(shè)計(jì)。再者，隨著元件數(shù)量的增多，各元件之間的相互干擾，使耦合也變得越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)體感強(qiáng)，進(jìn)行小型電路設(shè)計(jì)時(shí)，布線明了，操作完成后更有成就感。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫(kù)和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開(kāi)設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)類(lèi)似。學(xué)生可利用虛擬器材庫(kù)中的器材，自由搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識(shí)、科學(xué)的指導(dǎo)和及時(shí)的反饋。而且采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本低、功能全、易糾錯(cuò)。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：學(xué)生可隨時(shí)隨地動(dòng)手配置、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，縮短了設(shè)計(jì)周期。虛擬教學(xué)使實(shí)驗(yàn)的安全系數(shù)提高，在教學(xué)中更便于教師監(jiān)控，減少實(shí)驗(yàn)報(bào)告的抄襲情況。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）基于軟件的虛擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

基于信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)可以幫助我們?cè)谶M(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候進(jìn)行計(jì)算、信息存儲(chǔ)和制圖等多項(xiàng)工作。比如，EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)的應(yīng)用，它是在電子輔助教學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)軟件，其以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能化技術(shù)的最新成果，主要能進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)、IC設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)將先進(jìn)、豐富生動(dòng)的教學(xué)方式引入到電子技術(shù)的教學(xué)之中，使復(fù)雜抽象、不易理解的電子技術(shù)變得生動(dòng)形象、簡(jiǎn)單易學(xué)。

EDA工具層出不窮，目前進(jìn)入我國(guó)并具有廣泛影響的EDA軟件主要有加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、美國(guó)Cadence公司的OrCAD、澳大利亞Altium公司的PROTEL、美國(guó)Mentor Graphics公司的PADS等。

各類(lèi)基于應(yīng)用軟件的EDA軟件的設(shè)計(jì)都大體相同，以電子電路工作平臺(tái)EWB（Electronic Workbench）軟件為例，如圖2所示，其界面操作簡(jiǎn)單，工作桌面上裝有進(jìn)行電子實(shí)驗(yàn)的若干元器件以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備，像傳統(tǒng)操作一樣在計(jì)算機(jī)上完成接線，然后在指定按鈕（計(jì)算機(jī)窗口中）上按一下鼠標(biāo) ，計(jì)算機(jī)將顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其儀器儀表庫(kù)中還提供了信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、電壓表、掃頻儀、雙蹤示波器、邏輯分析儀等儀器儀表。面板上也提供了各種建模精確的元器件，電阻、電感、電容、二極管、三極管、繼電器等。模擬集成電路方面有各種運(yùn)算放大器、其他常用集成電路。它完全基于電腦中的軟件進(jìn)行電子電路實(shí)驗(yàn)，電路的設(shè)計(jì)可以與實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，邊實(shí)驗(yàn)邊通過(guò)電腦進(jìn)行分析并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

利用軟件式的虛擬平臺(tái)輔助教學(xué)，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，從而提高教師的教學(xué)效率。也可對(duì)仿真電路進(jìn)行破壞性連接，方便地檢測(cè)不同故障情況下的電路工作狀況。但它的特點(diǎn)是要事先對(duì)軟件進(jìn)行了解，學(xué)習(xí)軟件的操作方式，此類(lèi)軟件也適合比較復(fù)雜的電路安裝調(diào)試或者電路的設(shè)計(jì)。

（二）基于網(wǎng)頁(yè)的虛擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

基于網(wǎng)頁(yè)（web）的虛擬實(shí)驗(yàn)室利用多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。有的是采用交互式Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。基于Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)界面美觀、視覺(jué)沖擊效果強(qiáng)、體積小、簡(jiǎn)單易學(xué)，可直接在瀏覽器中進(jìn)行操作，不需要安裝。學(xué)習(xí)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的鼠標(biāo)操作，就可以像操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備一樣，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這種模式比較適用于在電子技術(shù)的基礎(chǔ)教學(xué)中，一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)鼠標(biāo)的操作完成。

在基于網(wǎng)頁(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)者也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約、交互性虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交等?；赪EB的方式，學(xué)習(xí)者無(wú)需學(xué)習(xí)軟件，完全是“所見(jiàn)即所得”，看到的是真實(shí)的儀器而不是符號(hào)，比較適合完成電子技術(shù)課程中一些入門(mén)式的實(shí)驗(yàn)及初學(xué)者。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室就是一個(gè)無(wú)墻的實(shí)驗(yàn)中心，是終身學(xué)習(xí)、社區(qū)教育的一個(gè)強(qiáng)大的教學(xué)后盾。比如要測(cè)量變化的磁場(chǎng)是不是形成電流，就可以直接用鼠標(biāo)拖動(dòng)磁鐵上下移動(dòng)，看一下電表的變化就可以清楚地看到形成的電流變化，如圖3。

（三）基于傳感器的虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

傳感器技術(shù)的內(nèi)容涵蓋了電磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、微電子學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉。它通過(guò)感受物理量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置，利用某些材料自身所具有的內(nèi)在特性去感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，因?yàn)槠鋵?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終結(jié)果是通過(guò)輸入電腦去進(jìn)行記錄、整理、計(jì)算、作圖、分析，所以，我們也把它歸為虛擬實(shí)驗(yàn)方式的一類(lèi)。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖4。

四、云計(jì)算時(shí)代電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的展望

（一）改變教育方式

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室使遠(yuǎn)程教育更趨完善，它向人們展示了信息時(shí)代一種全新的教育方式。其打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，師生不受時(shí)空限制，共享數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，減少重復(fù)投資。

（二）節(jié)省經(jīng)費(fèi)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為提高學(xué)生的動(dòng)手能力，需要配置大量的元件和電子儀器，存在投資大、維護(hù)難的問(wèn)題。造成科研活動(dòng)耗資大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，儀器和元件不存在損壞，當(dāng)整個(gè)電路系統(tǒng)先虛擬仿真成功再投入實(shí)際運(yùn)作，可以降低科研成本。

（三）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云同步

云時(shí)代增強(qiáng)了師生交互、協(xié)作和資源共享的能力，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)通過(guò)Internet服務(wù)為個(gè)人用戶(hù)提供海量甚至無(wú)限量的個(gè)人存儲(chǔ)空間。多個(gè)個(gè)人設(shè)備中的數(shù)據(jù)可以與云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)同步。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，把實(shí)驗(yàn)室放到“云”上，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有開(kāi)放性，大眾化，學(xué)生們利用各種網(wǎng)絡(luò)終端自由地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，方便地操作儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是，電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)方式的改革還必須與實(shí)體實(shí)踐相結(jié)合。畢竟網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)不是實(shí)體操作，電路工藝、線路長(zhǎng)短、儀器的精密都會(huì)存在差異，其只能作為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)延伸和補(bǔ)充。

學(xué)生通過(guò)電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的人機(jī)交互界面來(lái)完成所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)，可以接受更大量、更具體、更完整的信息。不同層次的實(shí)驗(yàn)，不同的人群選擇不一樣的虛擬實(shí)驗(yàn)方式，更好地契合了開(kāi)放性學(xué)習(xí)“以學(xué)生和學(xué)習(xí)為中心”的學(xué)習(xí)模式。采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室裝備，進(jìn)行多種形式的實(shí)驗(yàn)方式，可以促使我們與最先進(jìn)的電子實(shí)驗(yàn)同步，更好地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙順喜.網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010（3）

[2]冼凱儀，潘松.應(yīng)用電子電路仿真軟件改革電路實(shí)驗(yàn)[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（2）

[3]方振漢，嚴(yán)萍.構(gòu)建電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，14（2）

[4]段國(guó)艷.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D].西南交通大學(xué)，2013

[5]蔣燕妮，吳蘇.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究[J].電子技術(shù)，2012（07）

[6]劉云芳.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].教育教學(xué)論壇，2012（37）

[7]袁建春.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)淺探[J].中國(guó)電力教育，2008（5）