基于雨課堂和雷實驗的智能實驗系統(tǒng)設(shè)計

吳 平， 閆正兵， 陳小林， 蔣小洛， 吳澤平

（溫州大學電氣與電子工程學院，浙江溫州325035）

0 引 言

電子電氣類工科專業(yè)學生不僅需要掌握專業(yè)理論知識，更要會用專業(yè)理論知識解決實際工程問題，即工程教育專業(yè)認證強調(diào)的培養(yǎng)學生“解決復(fù)雜工程問題”的能力［1-4］。專業(yè)課程的實驗教學效果和能力培養(yǎng)尤為重要，傳統(tǒng)的電子電氣基礎(chǔ)專業(yè)課程（如電路分析、模擬電路、數(shù)字電路）實驗大多是采用分立器件搭建或在綜合實驗臺上完成，基于分立器件的實驗學生可以對實際元器件有直觀的了解和認識，符合實際工程情況，測試和調(diào)換比較方便，但集成度低，實驗時受器件種類限制；基于實驗臺的實驗系統(tǒng)可靠性高，但隱藏了元器件之間的連接關(guān)系，不直觀，不方便擴展［5-6］。這二種實驗方式一般都需要到固定的實驗室進行，受時間、地點限制較多。近年來，隨著計算機和EDA軟件的發(fā)展，很多實驗可以在軟件支持下進行仿真和通過虛擬儀器測試、分析，不受時間、空間和器件種類的限制，但缺少對實際元器件的認知，與實際電路也存在差異。以上3種實驗方式各有優(yōu)缺點，但都不方便對實驗過程進行精準掌控，不利于實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和處理，也不方便了解學生的實驗進程，實驗數(shù)據(jù)和實驗報告也容易出現(xiàn)雷同，不方便考核［7-10］。鑒于以上情況，運用雨課堂、雷實驗和便攜硬件建立了一種新的智能實驗教學系統(tǒng)，學生可以完成搭建實際器件電路、實驗數(shù)據(jù)管理、實驗報告上傳等功能。

1 智能實驗系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由雨課堂智慧教學工具、雷實驗軟件、A＋D Lab便攜式硬件構(gòu)成。

1.1 雨課堂智慧教學工具

雨課堂由學堂在線于2016年4月推出，它科學地將教學PPT和日常交流工具“微信”結(jié)合，通過雨課堂教師可以將視頻、習題、學習內(nèi)容、實驗任務(wù)等推送到學生手機微信；教師可以通過手機微信或電腦雨課堂網(wǎng)站，實時了解學生學習情況、進行數(shù)據(jù)分析、在線考核，覆蓋課前-課上-課后的每一個教學環(huán)節(jié)，為師生提供完整的立體數(shù)據(jù)支持、個性化報表、自動任務(wù)提醒等，讓教與學更加方便互動交流和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于調(diào)動學生學習積極性、提高學習效率十分有效［11-13］。

1.2 雷實驗管理軟件

雷實驗（Lab of Electronics Intelligence）是“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”在實踐課程教學中的創(chuàng)新性工具軟件，該軟件發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢，強化學生創(chuàng)新和學習行為互動，兼顧課堂監(jiān)督、任務(wù)部署和設(shè)備管理等功能，如圖1所示。

圖1 雷實驗管理軟件

雷實驗依托微信平臺，通過掃碼登錄，包含教師管理、學生實驗、硬件激活和系統(tǒng)訓練等入口。其中，教師實驗管理入口包含實驗項目管理、實驗進度查詢、實驗課程資源、學生數(shù)據(jù)分析和設(shè)備資源管理；學生實驗入口包含實驗準備、實驗仿真、搭建實驗、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯和報告整理。

1.3 便攜式實驗硬件

實驗硬件全稱為“A＋D Lab理工實驗室”，如圖2所示，可以輸出5 V和12 V直流電源，有2路模擬輸入／輸出、8路數(shù)字輸入／輸出；包含示波器、信號源、邏輯分析儀、程控電源、網(wǎng)絡(luò)分析儀和萬用表等虛擬儀器。支持電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、單片機、通信原理等課程實驗（通過更換模塊和實驗器件實現(xiàn)）；可擴展嵌入式系統(tǒng)相關(guān)板卡，支持70多種相關(guān)Pmod傳感器。

圖2 A＋D Lab便攜式硬件

2 智能實驗系統(tǒng)運行

該系統(tǒng)采用線上線下相結(jié)合的新型教學模式，教師首先通過微信在雨課堂建立課程和班級，設(shè)置實驗任務(wù)并通過雷實驗軟件推送給學生，學生在手機微信上收到實驗任務(wù)后，可隨時隨地啟動電腦端雷實驗主程序，微信登陸并通過USB將雷實驗軟件與A＋D Lab硬件平臺互聯(lián)，開始實驗；此時教師可以實時收到班級學生實驗信息和狀態(tài)，并可以隨時通過微信雨課堂了解學生的實驗進展；學生在實驗時首先用內(nèi)置的仿真軟件（TINA或Multisim）進行電路仿真、搭建實際電路、用虛擬儀器測量實驗結(jié)果、保存實驗數(shù)據(jù)，期間需要多角度拍照電路、截圖仿真結(jié)果、測量數(shù)據(jù)，最終與學生撰寫的數(shù)據(jù)分析、實驗體會、總結(jié)一起由系統(tǒng)自動生成實驗報告并上傳；教師收到實驗報告后可在手機或電腦端進行批閱、評分、反饋結(jié)果，學生可以在手機端實時收到實驗評價。

智能實驗系統(tǒng)特點：教師可以不受空間和時間限制隨時準確掌握學生的實驗狀態(tài)，準確評判實驗結(jié)果；A＋D Lab硬件B5紙大小，方便攜帶和運行實驗，并可以在實驗中間歇保存至云端；雷實驗學生通過個人微信登陸且每個A＋D Lab硬件擁有獨立的序列號，學生上傳的數(shù)據(jù)和圖像與其使用硬件平臺的序列號相對應(yīng)，保證實驗過程和實驗結(jié)果的真實性；課程教學期間，A＋D Lab硬件由學生保管，可以隨時進行創(chuàng)新性電路設(shè)計和實驗；在雨課堂討論區(qū)，師生可以就實驗問題進行討論、發(fā)表看法，提高實驗效果和學生解決問題的能力；教師可通過雨課堂將課程的理論教學、實踐教學過程考試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析等集成為一體，對學生進行綜合評價。

3 實驗案例

本智能實驗系統(tǒng)已于2018年春季學期在電氣工程及其自動化專業(yè)本科生“電路分析”課程實際運行，至今已經(jīng)運行了2屆學生4個班級，獲得了學生的支持和好評。

“電路分析”是電子電氣類專業(yè)的第一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程學習的效果直接影響學生對專業(yè)的興趣和后續(xù)課程學習的質(zhì)量。本實驗系統(tǒng)支持“電路分析”的驗證基爾霍夫定律、戴維南／諾頓定理、疊加定理、一階RC電路的響應(yīng)、濾波器的研究與設(shè)計等實驗項目。下面以驗證疊加定理為例介紹實驗運行過程。

教師首先在雷實驗管理軟件上微信掃碼登陸，選擇教師管理入口，在實驗項目管理模塊里選擇雨課堂上已經(jīng)建立的課程和班級，在實驗項目欄新建實驗項目，設(shè)定實驗題目、目的、內(nèi)容、要求、同組人數(shù)等，選擇需要添加的文本文件、實驗提示和實驗截止時間后進行發(fā)布，如圖3所示。

圖3 教師進行實驗項目管理

教師發(fā)布實驗任務(wù)后，學生微信上立即會收到任務(wù)提示，學生可以在實驗截止時間前隨時隨地在電腦端打開雷實驗軟件，微信掃碼登陸，并連接A＋D Lab硬件，進行仿真和硬件電路實驗，學生的實驗進展情況會在雨課堂上及時反饋給教師，如圖4所示。

圖4 通過雨課堂教師實時了解學生實驗進展

學生在實驗過程中需要首先對電路進行軟件仿真，并截圖保存原理圖和仿真結(jié)果；然后進行硬件電路連接，并用虛擬儀器測量，對硬件電路多角度拍照上傳，截圖電路測量結(jié)果，最后對實驗進行分析和總結(jié)，如圖5所示。

4 結(jié) 語

大學實驗課是培養(yǎng)工科專業(yè)學生工程應(yīng)用能力的重要教學環(huán)節(jié)，“雨課堂與雷實驗”智能實驗系統(tǒng)將學生從傳統(tǒng)的實驗室中解放出來，將老師從固化的教學環(huán)節(jié)中解救出來，與傳統(tǒng)授課相比教學優(yōu)勢非常突出，學生可以隨時隨地進行驗證性、綜合性和創(chuàng)新性實驗，大大激發(fā)了同學們的學習欲望，強化了學生創(chuàng)新和行為互動。這種線上線下結(jié)合非常緊密的新型教學模式，順應(yīng)當今時代的潮流，體現(xiàn)了以學生為中心的教學理念［14-16］，隨著學生學習的不斷深入，更多的實驗內(nèi)容可以通過“雨課堂＋雷實驗”完成，進一步推進課堂教學手段和教學方法的改革，提升課堂教學效果，實現(xiàn)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標。

圖5 學生的實驗報告