電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)室虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

吳笳寧 耿丹

本文從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)出發(fā)，提出了電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)室虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)方案，同時(shí)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，高等教育的教學(xué)模式發(fā)生了巨大的改變。MOOC（Massive open online courses大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程）、翻轉(zhuǎn)課堂、微課等教學(xué)模式的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，不僅使教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式更加豐富多彩，更可以讓學(xué)生自由地選擇課程、選擇學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)進(jìn)程，并能夠選擇到更好地教學(xué)資源。這些新型的教學(xué)模式能更好地提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與自我管控能力。

高等教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也發(fā)生著改變。MOOE（Massive Open Online Experiments大規(guī)模在線開放實(shí)驗(yàn)）、虛擬實(shí)驗(yàn)室、基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)中心的建立，徹底改變了原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：即學(xué)生要根據(jù)課程安排在固定的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的情況。

在線開放實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了真正意義上的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是“全天侯”的全面開放實(shí)驗(yàn)場所，還包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與形式的開放，更多地是為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、開展綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

電子專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程隨著仿真技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)以及測試技術(shù)的數(shù)字化和自動(dòng)化，虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室可以滿足大部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，并能節(jié)約設(shè)備投資，提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2 虛擬化網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

2.1 虛擬仿真軟件的應(yīng)用

隨著EDA（Electronic Design Automation 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)的發(fā)展，電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件等得到了廣泛的普及，不僅使電子電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了徹底的變革，而且為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了強(qiáng)大的工具。

Multisim、SPICE、Matlab、Altium Designer、Proteus等是現(xiàn)今高等院校電子專業(yè)電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用的軟件。這些軟件均提供了豐富的電子元器件庫、常用的儀器設(shè)備庫、完整的函數(shù)庫等，以及強(qiáng)大的仿真功能，可供學(xué)生自行完成配置、連接、調(diào)試及儀器設(shè)備的使用等。現(xiàn)今，這些軟件都不是單一功能的軟件，在功能實(shí)現(xiàn)上會(huì)有交叉，但因其某一功能的強(qiáng)大而被廣泛使用。

比如Proteus軟件是目前比較好的單片機(jī)及外圍器件的仿真工具，它是電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，但在PCB設(shè)計(jì)教學(xué)中我們?nèi)圆捎肁ltium Designer。因?yàn)樗谠韴D設(shè)計(jì)、PCB繪制編輯、自動(dòng)布線方面被應(yīng)用的比較早，且普及率高，所以在PCB設(shè)計(jì)中大家還是習(xí)慣使用Altium Designer。

虛擬化實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢還在于實(shí)驗(yàn)過程中允許學(xué)生出錯(cuò)，甚至出現(xiàn)故障，但卻不會(huì)造成人身與設(shè)備的損害。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化是開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵，只有充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間、空間、設(shè)備等限制的開放實(shí)驗(yàn)室。基于上述軟件再結(jié)合Web技術(shù)就可以構(gòu)建開放式的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，B/S最大的優(yōu)點(diǎn)就是客戶端的零安裝與零維護(hù)，學(xué)生操作簡單。而且只要在實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器上安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫，客戶端瀏覽器使用Internet Explorer，瀏覽器就可通過Web Server同數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室具有用戶管理、網(wǎng)上交流、實(shí)驗(yàn)考核、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、下載實(shí)驗(yàn)資料等功能。

3 虛擬化網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

我校的電子專業(yè)現(xiàn)已開出基于Proteus的微機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，基于Altium Designer的“電子線路CAD”課程及課程設(shè)計(jì)，基于Matlab的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)，基于 Multisim的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

3.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

各虛擬實(shí)驗(yàn)室均配有軟件安裝與基本操作的微課視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義、課件等，供學(xué)生自學(xué)與預(yù)習(xí)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開課前通過自學(xué)微課視頻來掌握各仿真軟件的安裝方法與基本操作，這樣不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)課時(shí)，還能培養(yǎng)和提高學(xué)生的軟件安裝能力，軟件使用能力以及自學(xué)能力。教師通過網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)解答學(xué)生在自學(xué)過程中遇到的問題，同時(shí)學(xué)生之間也可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過下載實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義、課件PPT等相關(guān)資料，進(jìn)行預(yù)習(xí)，并按要求完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，課上按要求完成實(shí)驗(yàn)步驟，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論，課堂上主要完成實(shí)驗(yàn)原理的解析和討論及研討教師提出的問題。最后在網(wǎng)上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

之前在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生急于完成實(shí)驗(yàn)步驟，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不注重探究實(shí)驗(yàn)原理、理解電路原理、掌握常用儀器的使用，不能積極思考解決出現(xiàn)的問題。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)要達(dá)到通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原理及掌握常用儀器使用的效果不明顯。

在虛擬化網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，增加了學(xué)生自學(xué)與預(yù)習(xí)的內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須按要求做好充足的準(zhǔn)備，課堂上教師可以有充足的時(shí)間與學(xué)生解析實(shí)驗(yàn)的原理并糾正學(xué)生們出現(xiàn)的問題與錯(cuò)誤。同時(shí)，學(xué)生可以利用課余時(shí)間在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的練習(xí)常用儀器設(shè)備的使用，因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備與現(xiàn)實(shí)設(shè)備的使用方法是一致的。

3.2 綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

在網(wǎng)上提供的實(shí)驗(yàn)資料中還包括往屆學(xué)生優(yōu)秀的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，供學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以充分借助軟件的設(shè)計(jì)與仿真功能完成自己的設(shè)計(jì)，并通過反復(fù)地仿真測試與修改，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)并符合實(shí)際要求。設(shè)計(jì)滿意后再制作成品，最后對(duì)成品進(jìn)行測試與修正，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。這樣的設(shè)計(jì)方法與流程也符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。

3.3 實(shí)踐技能訓(xùn)練

對(duì)于需要熟練掌握的應(yīng)用軟件，虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了大量的訓(xùn)練實(shí)例，供學(xué)生進(jìn)行練習(xí)。

例如Altium Designer軟件的應(yīng)用，網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)資料中有很多校外實(shí)踐基地提供的電路原理圖與PCB板圖的實(shí)例供學(xué)生練習(xí)。同時(shí)在電子線路CAD課程設(shè)計(jì)中，由校外實(shí)踐基地的企業(yè)工程師為學(xué)生授課，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)、與學(xué)生交流、評(píng)定學(xué)生成績等。

圖1中所示為校外實(shí)踐基地企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的電路，課程設(shè)計(jì)時(shí)由企業(yè)工程師講解電路的原理及原理圖、PCB板圖設(shè)計(jì)的規(guī)范與規(guī)則等，然后要求學(xué)生按照制板的規(guī)范來完成此電路原理圖的繪制及PCB板的設(shè)計(jì)，同時(shí)要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)一個(gè)給定參數(shù)的大功率穩(wěn)壓電源電路。設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生要完成電路原理的分析與計(jì)算，元器件的選擇，原理圖的繪制及PCB板圖的設(shè)計(jì)。之后依據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)圖紙由企業(yè)加工出PCB板，再經(jīng)過學(xué)生焊接制成成品，進(jìn)行最后測試。

此課程設(shè)計(jì)將模擬電子技術(shù)與PCB板設(shè)計(jì)相結(jié)合，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更加深入，同時(shí)學(xué)生對(duì)于自己設(shè)計(jì)成果的實(shí)現(xiàn)非常有成就感，如圖2所示。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)踐相結(jié)合

虛擬實(shí)驗(yàn)室雖然具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)與仿真功能，但虛擬實(shí)驗(yàn)仍不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以在虛擬仿真軟件上輕松的繪制出電路圖，但可能在實(shí)驗(yàn)箱上卻搭建不出實(shí)際的電路。而且在綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，只有實(shí)際的產(chǎn)品通過了測試才是真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

比如單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中完成的無線遙控小車，要實(shí)現(xiàn)小車在行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎時(shí)的適宜速度、實(shí)現(xiàn)無線遙控的功能等，就必須要經(jīng)過成品的反復(fù)調(diào)試與修改過程。

所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)踐相結(jié)合，處理好虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的環(huán)節(jié)不能省略，否則就會(huì)培養(yǎng)出只能“紙上談兵”的理論型人才。

5 結(jié)束語

如今，我校的電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)正在推進(jìn)專業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)踐教學(xué)的改革刻不容緩，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，更需要不斷地加強(qiáng)與創(chuàng)新。建設(shè)適合我校特點(diǎn)的電子專業(yè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，有利于學(xué)生自主的學(xué)習(xí)，有利于提高教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.鞍山師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 遼寧省鞍山市 114007

2.鞍山師范學(xué)院科技處 遼寧省鞍山市 114007