虛擬實驗在遠程開放教育中應用研究—以江蘇開放大學電子類專業(yè)為例

孫 雷

（江蘇開放大學，江蘇 南京 210036）

關鍵字：遠程開放；虛擬實驗；建設路徑；模式

一、虛擬實驗與遠程開放教育實踐性教學

遠程開放教育是以現(xiàn)代遠程教育方式，實現(xiàn)終身教育的一種新型人才培養(yǎng)模式，隨著計算機網絡技術、多媒體技術的發(fā)展促進了現(xiàn)代遠程教育的快速發(fā)展，為社會培養(yǎng)了大量的應用型人才。

實驗教學是遠程開放教育中不可缺少的環(huán)節(jié)，尤其是理工科教學中，實驗環(huán)節(jié)對于學生加深理論知識的理解、培養(yǎng)學生動手能力起到十分重要的作用，對于整個教學環(huán)節(jié)具有重要的支撐地位，由于遠程開放教育師生分離，學生不能到直接到學校做實驗，校外實驗場所由于儀器等因素，也很難滿足學生做實驗的需要，實踐性環(huán)節(jié)的教學已成為遠程開放教育的薄弱環(huán)節(jié)，實踐性環(huán)節(jié)的教學也是遠程開放教育的重點和難點。

目前大多數遠程開放教育學校采用網絡課件來進行實驗的演示，但這大都停留在理論知識的演示，并沒有具體到實踐性環(huán)節(jié)的教學。

虛擬實驗的出現(xiàn)，特別是虛擬實驗技術與Internet結合，為遠程開放教育實踐性教學提供一個全新的方案，虛擬實驗是應用虛擬仿真技術、虛擬儀器技術等技術仿真現(xiàn)實世界中真實實驗平臺的計算機系統(tǒng)。構建基于web虛擬實驗室，使得遠程開放教育的學員不受時空的限制，通過瀏覽器在自己的計算機上做虛擬實驗，這樣的虛擬實驗構成開放教育實驗教學系統(tǒng)，用于遠程開放教育的實驗教學，具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 江蘇開放大學電子信息專業(yè)虛擬實驗教學平臺

二、遠程開放教育虛擬實驗室的構建

遠程開放教育虛擬實驗室包括遠程教育虛擬實驗實訓平臺和管理平臺兩個方面，其中虛擬實驗實訓平臺主要功能是學生利用該平臺進行虛擬實驗的操作，管理平臺的主要功能是教學管理，即學生通過管理平臺進行身份的驗證、提交實驗報告，教師通過管理平臺管理實驗和批改實驗，教學管理人員利用管理平臺對人員權限、開設實驗進行管理，如圖1是江蘇開放大學電子類專業(yè)虛擬實驗室，通過虛擬實驗室將學生做、教師教、管理人員管融為一體。

1、遠程開放教育虛擬實驗體系的構建

以江蘇開放大學電子類專業(yè)為例，高等學校電子類專業(yè)的專業(yè)特點之一是實踐性強、實驗要求高，而將虛擬實驗引入實驗教學中，構建電子類專業(yè)虛擬實驗體系對于遠程開放教育實踐性教學的開展顯然具有重大意義，以江蘇開放大學目前電子類虛擬實驗是利用電路仿真軟件、虛擬儀器技術、多媒體技術來構建電子類專業(yè)虛擬實驗平臺，主要包括傳感器虛擬實驗、電工電子技術虛擬實驗、電子產品生產工藝和虛擬儀器虛擬實驗。

2、遠程開放教育虛擬實驗的構建

以江蘇開放大學電子類專業(yè)為例，目前江蘇開放大學電子類專業(yè)虛擬實驗室分為軟件仿真實驗室和虛擬儀器實驗室兩種類型，軟件仿真實驗主要由文字教材、實驗視頻、仿真實驗組成，具有操作簡單、使用方便的特點，但是缺少實際的硬件操作，虛擬儀器是用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板的一種計算機儀器系統(tǒng)，實質上是利用硬件系統(tǒng)完成信號的采集，虛擬儀器的虛擬實驗室包括虛擬儀表系統(tǒng)和虛擬測控系統(tǒng)，目前虛擬儀器的軟件通常是Labview等軟件，在模擬電子應用方面，可構造虛擬多功能信號發(fā)生器、單通道示波器；在數字電子應用方面，可構造編碼器、RS觸發(fā)器等；在控制系統(tǒng)方面有RLC電路傳遞函數模型等；在數字信號處理應用方面，有實時諧波分析儀、小波變換檢測回波等。

3、遠程開放教育虛擬實驗的結構

遠程開放教育虛擬實驗平臺的總體結構如圖2，由用戶、web服務器、labview服務器、數據庫服務器組成，web服務器是用戶訪問的服務器，也就是用戶通過web服務器做虛擬實驗，labview服務器是安裝labview軟件和虛擬儀器的服務器，用戶通過web服務器將相關實驗的數據提交到labview服務器，通過labview處理、運算得到相應的結果，用戶可以及時得到實驗數據，數據庫服務器存放用戶信息、實驗數據，labview虛擬儀器可以調用數據庫服務器的數據，從而保證實驗得以順利實施。

圖2 遠程開放教育虛擬實驗平臺總體結構

4、遠程開放教育仿真實驗的設計

遠程開放教育仿真虛擬實驗主要是利用軟件來模擬實驗的全過程，因此也稱之為仿真虛擬實驗室，該類虛擬實驗可以通過網絡進行發(fā)布，內容都集中在服務器上，用戶無需安裝軟件，仿真虛擬實驗室大都采用flash開發(fā)，可以逼真的模擬出學習者進行實驗操作的整個過程，該類型的虛擬實驗有虛擬教學、交互操作、練習測試等功能，下面以江蘇開放大學“傳感器技術仿真實驗——光電傳感器測速實驗”為例來說明遠程開放教育電子類軟件仿真實驗：

（1）實驗原理

“傳感器技術仿真實驗——光電傳感器測速實驗”首先進行實驗原理的說明，實驗原理包括：a實驗原理和實驗目的的概述；b實驗步驟的提升。

（2）連接設備

交互性是衡量虛擬實驗課件質量的一個重要的指標，“傳感器技術仿真實驗——光電傳感器測速實驗”，采用連接設備來進行交互，連接設備操作有實驗步驟提示和操作提示，用戶根據操作提示進行操作，使用鼠標像實際做實驗一樣自行選擇實驗儀器，實現(xiàn)交互性。

（3）原理實驗

“傳感器技術仿真實驗——光電傳感器測速實驗”采用了“將電源電壓從2V調到15V馬達轉速由低到高，記錄下馬達電壓與頻率的讀數”，其原理圖采用動畫的方式計算出初始狀態(tài)和增加電壓狀態(tài)下的數據。

（4）數據分析

“數據分析”描述電機轉速與馬達之間的關系，并用圖表表示，通過數據分析得出實驗結論。

5、遠程開放教育基于Labview虛擬實驗的設計

以遠程開放教育電子類實驗為例，電子類實驗往往需要大量的儀器設備，虛擬儀器的出現(xiàn)，使得利用基于虛擬儀器搭建該專業(yè)的實驗平臺成為可能，基于虛擬儀器的實驗平臺具有功能容易增強和擴展、實驗過程準確、直觀等特點。

遠程開放教育基于虛擬儀器的電子實驗平臺的硬件部分主要由PC機、數據采集卡、電路實驗裝置組成，電路實驗裝置是指實驗所指的硬件電路，可以搭建多種功能的實驗電路，數字采集卡一般通過PCI插槽或者USB口與PC機相連，位于PC機中的軟件部分可以使用各種虛擬儀器的開發(fā)，其中以Labview最為常用。

以江蘇開放大學構造電壓的采集虛擬實驗為例進行說明，本實驗用來監(jiān)控服務器端的電壓信號，當服務器端的電壓信號大于特定值時，服務器端的燈就會閃亮，本實驗采用虛擬示波器進行數據分析，用戶只需要在客戶端測得的數據上傳保存，點顯示，就可以把自己測得數據在labview虛擬示波器中顯示出來，其中數據是通過波形的振幅來表示，該實驗對于實際生活中對電壓靈敏度要求較高的企業(yè)有著較強的現(xiàn)實意義，對于遠程開放教育實驗的開展提高學生動手能力有著很強的現(xiàn)實意義。

6、虛擬實驗在遠程開放教育的教學應用

（1）遠程開放教育電子類虛擬實驗教學原則

遠程開放教育虛擬實驗應遵循以下原則：a開放性，在確定課程教學計劃以后，編寫出實驗教學計劃，設計虛擬實驗教學的策略；b交互性，遠程開放的學生通過虛擬實驗進行實驗操作，教師通過后臺對學生的操作進行同步指導，對學生的實驗數據實時進行反饋；c有教學評價，通過實驗報告、數據分析等手段對其實驗操作進行評價。

（2）虛擬實驗在遠程開放教育中的教學過程

遠程開放教育電子類專業(yè)虛擬實驗分為軟件仿真實驗和虛擬儀器實驗，軟件仿真實驗主要有實驗要求、仿真連線等，虛擬儀器實驗主要是將虛擬儀器應用到傳感器實驗教學中，將傳感器實驗儀與計算機結合起來，在實驗儀上連接電路，在計算機上顯示出來。虛擬實驗教學過程是首先進行仿真實驗，教師提出實驗要求和實驗目的，學生學習實驗幫助和實驗指導，再進行仿真實驗，學生通過仿真實驗了解了實驗的操作和儀器的使用，在完成了仿真實驗以后，再進行虛擬儀器的操作，操作完以后，學生寫實驗報告并提交，老師修改實驗報告并將結果反饋給學生，這種實驗的教學模式更有利于學生的動手能力的提高和實踐性教學環(huán)節(jié)的開展。

三、小結

實驗教學一直是遠程開放教育的難點，本文圍繞遠程開放教育虛擬實驗實訓的特點，以江蘇開放大學“電子信息”專業(yè)為實例，對該專業(yè)實驗實訓項目進行梳理，探索構建遠程開放教育電子信息專業(yè)虛擬實驗的路徑，提出了構建遠程開放教育虛擬實驗的模式，即采用虛擬仿真實驗和虛擬儀器實驗的混合模式，兩種模式相輔相成綜合使用，構建出完整的遠程開放教育虛擬實驗室，在此基礎上利用虛擬實驗平臺在遠程開放教育中開展實驗教學，對于遠程開放教育實踐性教學環(huán)節(jié)的實施具有很強的推廣價值。