網絡交互型電子電路虛擬實驗平臺的研究與實現

程思寧

（海口經濟學院信息工程學院 海南 海口 570203）

0 引言

實驗在理工科教學中占有十分重要的地位，而且是教學活動中一個必不可少的環節，很多課程都是以實驗為基礎的。實驗可以加深學生對所學理論知識的理解，增強學習興趣，鍛煉動手能力，及在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力。在大力倡導素質教育的今天，辦好實驗對于培養學生的綜合素質和實踐技能是至關重要的。實驗條件也是反映辦學水平和科研水平的重要標志之一。

隨著高等教育規模呈現跳躍式的擴大，原有教學儀器設備資源相對短缺，無法滿足實驗教學需要；資源分散，缺乏集中規劃和有效管理；儀器設備陳舊老化，不能適應新的教學要求；學校財力物力有限，舊的實驗教學模式越來越不適應時代發展要求。 又由于基礎實驗室是面向所有的工科專業，任務異常繁重，實驗室常常只能應付學生按教學大綱的要求做一些最簡單的驗證性實驗，學生很少有機會去反復熟悉常用儀器儀表的使用，更少有機會做設計性實驗。這對調動學生學習積極性，培養創新精神，加強實踐動手能力十分不利。

1 目前高校教學實驗存在的問題

高校的設備往往比較陳舊，受經費的限制，不能及時更新，從而跟不上教育的飛速發展。傳統實驗室的局限性主要表現在以下幾個方面：

1.1 地域和時間的限制。教師和學生要按照課表的安排，在指定的時間和指定的地點進行實驗教學，否則無法進行正常的實驗，其它的時間可能別的專業、別的班級的學生已安排實驗，不能滿足學生想做實驗時場地、器件及儀器儀表使用的需求。

1.2 教學方式和內容的限制。傳統的實驗教學方式是教師事先確定本次實驗的具體內容，包括實驗原理、實驗步驟、實驗中的所有知識點、注意事項等，不管學生是否已經掌握，是否需要重點強調某部分內容，教師一般都針對全部學生講解一遍，并準備好本次實驗所需的儀器儀表，學生只需要按照相應的實驗步驟一步步操作，記錄相關的數據即可。因此，不能滿足學生的個別需求，學生的主動性是極其受限的。

1.3 教學儀器的數量和質量的限制。隨著高等教育規模呈現跳躍式的擴大，原有教學儀器設備資源相對短缺，學校實驗儀器的采購，往往受自身經費的限制，其數量和質量都不能滿足需求。因此，實驗教學受到很大的限制，從而影響了教育的整體質量，極大的阻礙了學生實踐能力的提高，造成學生的綜合素質下降。

虛擬實驗室的出現是對傳統實驗教學模式的一次變革，打破傳統實驗模式的局限性，提高實驗教學質量，促使實驗教學由實物教學向虛擬實驗教學、向遠程虛擬實驗教學發展，是今后高校實驗教學開放性的具體實現方式之一。

2 虛擬實驗室的構建

網絡交互型電子電路虛擬實驗平臺的是建立一種新型網絡交互型實驗教學模式，在該平臺可以使學生在仿真環境下完成各種電路的搭建，虛擬儀器的測試，通過網絡上傳實驗數據，學生可以通過網格與指導教師進行互動交流，指導教師可以通過網絡對實驗教學進行管理，針對學生設計不同程度的實驗項目，對學生上交的實驗報告進行批改。虛擬實驗平臺組成如圖1所示。

2.1 仿真實驗系統

圖1

仿真實驗系統主要包括電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、綜合設計四大模塊。這部分的主要研究內容：

2.1.1 制作相配套多媒體課件，主要介紹常用元器件的知識，集成電路的結構、特性及使用，儀器儀表的操作及仿真軟件的使用等。

2.1.2 結合多媒體技術完成相應操作的視頻信息，使學生通過自學就能對軟件的使用一目了然。

2.1.3 設計完成包括教學大綱規定的所有實驗。如電路中的基本定理、定律驗證電路，RLC串聯電路及諧振電路等；模擬電路中的二極管應用、三極管放大電路、功率放大電路、信號運算電路、信號產生電路、直流穩壓電路等；數字電子技術中的組合邏輯電路、時序邏輯電路、A/D和D/A轉換電路、555定時器應用等實驗。

2.1.4 設計趣味性項目調動學生學習熱情與興趣。如電子仿聲驅鼠器、多功能智力搶答器、紅外遙控電子娃娃等等，使學生能夠自己愿意去查找資料完成相應的設計，所需哪些器件及知識點，加深理論的理解。很多學生都是迫不及待完成實驗，不必像等待傳統實驗室那樣受開放時間和器件的限制。

2.1.5 根據不同專業、不同年級和不同能力學生的學習需求，建立分層次、模塊化、開放式的實驗體系。每個模塊設計基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和研究創新性實驗，為學生提供自行設計實驗的平臺。

2.2 實驗管理系統的實現

目前，虛擬實驗室的體系結構主要有兩種：一個是C/S（Client/Server）結構，一個是 B/S（Browser/Server）結構。 C/S 結構是大家熟知的客戶機和服務器結構，它是軟件系統體系結構，通過它可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現，C/S結構采用二層體系結構，主要應用于專用網絡或高速局域網中，整體性強，但開發及維護較困難。B/S結構是瀏覽器和服務器結構，是對C/S的改進。在B/S結構下，用戶工作界面是通過瀏覽器來實現，極少部分事務邏輯在前端實現，主要事務邏輯在服務器端實現，形成所謂三層結構。在客戶端可以直接使用瀏覽器進行數據的輸入和輸出，適用于廣域網，靈活方便，升級容易，而且軟件重用性好；用戶的數據及相應處理操作都集中于服務器，安全性較高。因此，管理系統采用瀏覽器和服務器B/S結構。實現以下功能：

2.2.1 學生端

學生可從學生端登錄查看學習課件及相關視頻內容，自學常用器件、軟件使用等基礎知識，并提供相應的軟件下載鏈接，方便學生下載安裝；設置留言板功能，方便學生在實驗過程及學習過程中遇見問題給指導教師留言；在交流討論區，學生與教師之間，學生與學生之間可以自由的發表言論和觀點，也可以資源共享，帶動學生更多的學習熱情。

2.2.2 教師端

對學生進行注冊管理，學生的信息主要包括姓名，學號，院系，班級，性別等。對實驗課程進行相應的設置與管理，提供相應實驗的預習資料，僅給出實驗所需完成要求，充分發揮學生的自我能動性，并定期根據學生的反饋情況調整創新實驗中的實驗項目；對學生上交的實驗報告進行評閱。

2.2.3 管理員

管理員的主要工作是管理教師注冊情況，以及對網絡平臺進行日常維護。

3 實驗平臺的應用

網絡交互式虛擬實驗平臺可以使學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的收獲，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解；可以實現從輔助教學、自主實驗到實驗報告的網上提交與批閱的全程操作與管理，完成實驗教學的基本內容，具有開放、安全、經濟、更新快等優點，使實驗教學方法和手段得到突破與創新。因此，本項目提出的網絡交互式虛擬實驗平臺研究有著重要的實用價值和創新意義。

3.1 實驗時間、地點的開放。學生可以自己選擇時間和地點，只要在自己想學習的時候就可以登錄到實驗平臺，強調學生學習的主動性和研究性。徹底打破了傳統實驗由老師設計、學生操作的模式，給了學生一個充分發揮自己能力和想象力的空間。學生對電子制作的興趣更濃，自愿遠離網絡游戲來完成自己的作品。

3.2 實驗資源的開放性和共享性。資源的可重復利用率提高，系統組建時間縮短，功能易于擴展和管理，使學生的實驗操作機會得以增加，實驗范圍和科目得以擴大，高新技術在教育領域內的優勢可以充分發揮出來。

3.3 虛擬實驗室可以降低經費成本，提高教學科研效益。通過網絡虛擬實驗室，有效降低耐用品的消耗量，學生不必擔心沒有所需的實驗器件或是儀器而不能對自己的想法進行驗證，通過網絡中的虛擬實驗環境，同樣能夠“身臨其境”的觀察實驗現象和獲得測試數據。

3.4 虛擬實驗室更新快捷，易于操作與維護。實驗操作和信號的分析、處理、存儲、分析和其它管理集中交由網絡和本地計算機來處理。由于充分利用計算機技術，完善了數據的傳輸、交換等性能，使得實驗系統變得更加靈活、簡單。

4 結束語

在傳統實驗、實訓已無法滿足人們對實踐技能需求的今天，尋找一條有效的途徑來彌補傳統實踐手段的不足，是擺在我們面前亟待解決的課題。而在計算機軟硬件迅猛發展的今天，虛擬實踐環境以其先進的理念和得天獨厚的優點，為實踐教學提供了全新的教學手段，并正在成為傳統實踐教學的重要補充。

虛擬實驗是教師輔助理論教學的一種有效方法，也是提高學生實驗效率和質量的一種重要手段。但我們不能過分強調虛擬實驗的優點，更不能用虛擬實驗取代實物實驗。將虛擬實驗與實物實驗有機結合起來，實踐與理論并重，以培養應用型和創新型人才。

［1］馬宏斌,何曉東,王東立.虛擬實驗室管理系統的研究[J].信息技術,2005(6):92-93.

［2］龔成龍,陳霞,余潔.關于虛擬實踐教學環境構建的探討[J].教育與職業,2007(5).

［3］劉燦濤,等.基于虛擬儀器的電工教學實驗[J].實驗室研究與探索,2001,20(5):26-28.