基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開發(fā)

（遼寧省鞍山市信息工程學(xué)校，遼寧 鞍山 114000）

[摘 要] 在新課改的背景下，各界對素質(zhì)教育的呼聲越來越高，當(dāng)今教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著舉足輕重的作用，它既能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，也能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。但實(shí)驗(yàn)教育課程存在一定的缺陷，比如實(shí)驗(yàn)條件包括場地設(shè)備器材的不足制約學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，阻礙學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)，所以如何運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上用計(jì)算機(jī)電路模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真成為現(xiàn)如今我們面臨的一大難題。概述了基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路模擬實(shí)驗(yàn)室，對基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行分析研究。

[關(guān) 鍵 詞] 計(jì)算機(jī)；電路虛擬；實(shí)驗(yàn)室

[中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）14-0186-02

一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬“實(shí)驗(yàn)室”

（一）基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室及其作用

“虛擬實(shí)驗(yàn)室”是指在計(jì)算機(jī)上借助硬件和軟件相結(jié)合采用仿真、建模以及多媒體技術(shù)，建立可以用來代替實(shí)驗(yàn)操作或者代替部分實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且運(yùn)用計(jì)算機(jī)的軟件來模擬控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，這樣我們即便是沒有實(shí)驗(yàn)儀器，也能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬操作，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備成本，因?yàn)樗墙柚W(wǎng)絡(luò)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室，它可以完成各種各樣的虛擬實(shí)驗(yàn)的操作，方便又快捷。

基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和投入使用對我們提出了更高的要求，第一我們必須正確對待和處理好計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)并不是真正意義上的實(shí)驗(yàn)，只是對實(shí)物實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和完善。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們是相輔相成的，不管計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)過程以及現(xiàn)象有多么的形象逼真，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境多么的相似，它也不能完全取代現(xiàn)實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，但是虛擬實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到一些現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中所不能達(dá)到的效果，看到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中不能看到的現(xiàn)象，減少對實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。另外，要正確認(rèn)識和對待網(wǎng)上教學(xué)和網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，網(wǎng)上教學(xué)是借用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)，它包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的整個(gè)階段。網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)只是網(wǎng)上教學(xué)的一個(gè)重要組成部分。

（二）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的要求

由上述對虛擬實(shí)驗(yàn)室的闡述可以得知，基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室主要功能是進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，而且還應(yīng)具有輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，并能借助網(wǎng)絡(luò)合理地利用遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備以下幾個(gè)方面的要求：首先就是一定要能創(chuàng)造足夠形象逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以供實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員也可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對所用的任何一個(gè)元器件以及儀器等都能方便查找并熟練運(yùn)用，還有就是對實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程能夠做到全方位的仿真模擬，不能因?yàn)槟骋辉骷娜笔Ф荒苓_(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，還可以在其中增加一些和教學(xué)相輔助的教學(xué)功能，比如對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)的演示，以及實(shí)驗(yàn)的評價(jià)考核等功能。

二、基于網(wǎng)絡(luò)的“計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室”的設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)組成

實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)是采用C/S技術(shù)和借助Web的三層結(jié)構(gòu)技術(shù)相互結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，C/S技術(shù)將主要的應(yīng)用邏輯在客戶端給予實(shí)現(xiàn)，可采用可視化開發(fā)工具開發(fā)客戶端應(yīng)用程序，如VB，Delphi等。在基于Web的三層結(jié)構(gòu)中，我們只需對應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行維修即可，減少了對客戶端的維修，這樣可以大大提高工作效率。

（二）系統(tǒng)組成

本計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電路虛擬實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)是一個(gè)可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)站。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用，之所以能夠進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，還要靠其他眾多輔助模塊的相互配合，從而構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這些模塊可以幫助實(shí)驗(yàn)人員更好地使用虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，是他們之間聯(lián)系的紐帶，既能幫助學(xué)生方便快捷地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，又能幫助老師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可謂一舉多得。我們根據(jù)教學(xué)的需要將系統(tǒng)劃分為虛擬、交流、資料、下載中心四個(gè)部分。

虛擬中心是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，虛擬實(shí)驗(yàn)部分是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，主要由三部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成：基本、模擬以及數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)部分。各個(gè)部分又包括不同的電路模塊。儀器介紹包括了對整個(gè)儀器的介紹，以及實(shí)驗(yàn)的操作步驟介紹，其中也有實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，還有拓展的自評自測模塊。儀器介紹是對整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的儀器的使用方法用動(dòng)畫的方式進(jìn)行介紹以及電子元器件的使用方法。其中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后上傳到遠(yuǎn)程端，最后讓老師進(jìn)行查閱。自學(xué)自測板塊可以讓學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后評測，也有利于老師了解學(xué)生的掌握情況，并做出針對性的教學(xué)。另外，還有一個(gè)開放實(shí)驗(yàn)?zāi)K，這樣學(xué)生就可以自己設(shè)計(jì)并進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，擺脫以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的限制，讓學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)手實(shí)踐能力得到充分的發(fā)揮。

三、對網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)研究

（一）實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)原理和背景

我們采用多媒體技術(shù)對實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)的描述，以及實(shí)驗(yàn)器材的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的原理講解等，并借助圖形、文本、圖像等各種多媒體軟件爭取讓實(shí)驗(yàn)達(dá)到最完美的效果。同時(shí)我們也將一些實(shí)驗(yàn)過程錄成視頻，經(jīng)過后期制作也可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立

1.現(xiàn)如今大部分的仿真軟件功能都比較強(qiáng)大，可以對電路原理圖進(jìn)行仿真，但是缺乏實(shí)物感，計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是由仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)相輔相成，有機(jī)結(jié)合組成的。電路仿真就是以數(shù)學(xué)模型表示電子元器件或電路模塊，并且經(jīng)過準(zhǔn)確的計(jì)算分析以實(shí)現(xiàn)對電路的模擬以及功能分析。如果采用的模型足以和現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物相媲美，則最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)完美地展示電路特征，真正達(dá)到仿真的效果，實(shí)現(xiàn)電路最優(yōu)設(shè)計(jì)。

2.其次就是對數(shù)字電路的仿真。由于在數(shù)字電路中沒有像模擬電路中的SPICE軟件可以隨意使用，所以我們要開展兩個(gè)方面的工作：首先，是把常用數(shù)字邏輯芯片打包成邏輯運(yùn)算模型以便以后在仿真實(shí)驗(yàn)中的調(diào)用；其次，是對實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作的仿真，用發(fā)光二極管和數(shù)字開關(guān)，脈沖開關(guān)組成數(shù)字仿真平臺(tái)，這樣就可以逼真的顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（三）電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成與管理

實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫也是一個(gè)十分關(guān)鍵的工作，要對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，寫出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，并在實(shí)驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)波形、使用的元器件進(jìn)行記錄，并給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可以借助計(jì)算機(jī)方便地記錄示波器的波形，在完成實(shí)驗(yàn)后對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提問，老師可以借助這一平臺(tái)進(jìn)行答疑，學(xué)生上交報(bào)告后，老師在系統(tǒng)上即可對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作出評價(jià)，還能幫助老師了解并掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，以及課堂中的難易點(diǎn)。

（四）界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)注重的是情景教學(xué)，情景教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，比老師的單一講授更加生動(dòng)形象，知識依賴于具體情境，脫離具體情境的抽象枯燥的知識只會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩心理。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中十分關(guān)鍵，界面的好壞將影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的整體效果。為此，我們借助3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖像處理技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)近似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生如若身臨其境一般，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

基于網(wǎng)絡(luò)的“計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的教學(xué)效果。通過計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，還可以幫助老師提高教學(xué)效果，有利于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠享受高科技帶給我們的便利，讓高科技為教育事業(yè)作出新的貢獻(xiàn)。

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