針對中職電類課程的網絡虛擬實驗系統的開發與研究

張海峰

摘 要： 目前，隨著虛擬仿真軟件的普及，電類實驗教學使用的網絡虛擬實驗環境已成為可能。虛擬電子實驗通過在線仿真，使學生自由地根據自己的能力和課程設置進行相關實驗，有利于培養學生獨立學習的能力。

關鍵詞： 虛擬實驗室 仿真軟件 網絡教學

一、引言

本文針對中等職業技術學校對電工電子實驗室的功能定位及基本要求，制訂了基于網絡虛擬化的電工電子實驗平臺的構建方案，使開發的實驗平臺實現虛擬的電類線路的搭建、參數調整、虛擬仿真、實驗結果保存與數據恢復及多個實驗電路設計方案的比較與分析。

虛擬實驗技術為中職教育的電類課程教學提供豐富的拓展空間。在虛擬實驗過程中，學生可以自由地選擇適合的時間、地點、進度進行與課程內容相匹配的實驗，可以個人單獨或小組協同工作，并根據課程內容的相關知識點由學生自行安排實驗進程。虛擬實驗技術就是把實驗內容的選擇權、主動權交給學生。教師提供實驗建議和實驗評價，讓學生根據自己所學課程的知識點，選擇適合自己的并與課程知識點相關的實驗，從而掌握專業知識。虛擬實驗技術可以更好地培養學生自我評估和獨立或團隊合作的能力。

二、虛擬實驗室的組成

依靠虛擬儀器構建的虛擬實驗室，虛擬儀器是虛擬實驗室的核心，是通過計算機軟件模擬硬件模塊的虛擬實驗平臺，即利用計算機軟件模擬傳統的硬件實驗裝置，以完成實驗。因此虛擬儀器構建的虛擬實驗室具有成本低、可重復使用、數據不易丟失等優點，這是傳統的硬件實驗平臺無法比擬的。

如圖1所示，虛擬實驗室包括虛擬儀器系統，該虛擬儀器系統通過遠程用戶端、計算機網絡系統、虛擬實驗室管理系統進行連接并訪問。

圖1 虛擬實驗室的組成原理圖

在具體實施過程中，學生通過計算機遠程登錄到虛擬實驗室的客戶端，通過IE瀏覽器訪問虛擬實驗室。學生選擇合適的課程項目后進入虛擬儀器的控制臺，虛擬儀器的控制面板發出相應實驗操作指令，包括設置實驗參數，例如電阻、電容、三極管參數和型號，虛擬儀器接收到上述操作指令和實驗參數后，學生通過虛擬儀器的仿真模塊構建虛擬實驗電路，并將實驗獲得的數據通過計算機網絡返回給位于客戶端的學生。教師可以通過學生的計算機網絡實驗獲得相關數據，教師和學生可以同時或分別進行實驗數據分析、自評或互評。

三、網上虛擬電工電子實驗室的設計與實現

1.系統結構

網上虛擬電工電子實驗平臺采用B/S體系結構，以TCP/IP作為網絡通信協議。利用Java的Applet技術設計前端的實驗操作環境，利用Java的Servlet技術處理前端用戶的請求。先對學生的操作請求做預處理電路分析指令，在Java代碼中調用PPSpice軟件對前端發送來的PSpice分析指令進行電路分析。學生只需通過網絡對此框架內的虛擬器件進行模塊拖拽和線路連接及屬性編輯等動作搭建實驗模型，并進行相關實驗。虛擬的實驗環境具有可視化、交互性、資源共享、安全性等特點。它符合遠程教育對實驗教學的要求，通過強大的交互功能營造了一個逼真的實驗環境，其仿真實驗結果和實際實驗結果非常接近，并且更趨向理論計算數據。

圖2為電工電子實驗平臺系統的模塊結構圖，主要包括五個模塊：電路設計模塊、儀器模塊、實驗電路存取模塊、實驗面板控制模塊、實驗仿真模塊。

電路設計模塊、儀器模塊、實驗電路存取模塊、實驗面板控制模塊直接面向客戶端，接收客戶端的指令。電路設計模塊包括：交互模塊、元器件模塊和電路連接模塊；儀器模塊包括：交互模塊、參數模塊和顯示模塊；實驗電路存取模塊包括：保持模塊和讀取模塊；實驗面板控制模塊包括：各電路模塊仿真單元，例如，供電模塊（內含交、直流電壓和電流模塊）、電路案例模塊，如由555搭建的各種時基電路、簡單三極管測試電路。

實驗仿真模塊作為本電工電子實驗平臺系統的核心模塊，包括仿真控制模塊、數據收集模塊、數據發送模塊、數據接收模塊、數據解析模塊、數據發送模塊。

圖2 系統模塊結構圖

2.虛擬實驗平臺的體系結構

本電工電子實驗平臺系統軟件架構分為四層：

（1）界面層：①學生搭建實驗仿真電路圖，并進行相關元器件的參數設置，該數據用.gra文件形式進行封裝。②通過解析傳輸層反饋的實驗仿真數據，該實驗仿真數據同樣采用.gra文件的形式，發送至計算機界面上，供學生檢查實驗數據。

（2）數據處理層：其主要作用是通過電路仿真軟件PSpice將接收到的.gra文件進行解析，轉換為.cir文件，然后進行電路仿真，獲得電路仿真結果，并生成含有結果數據的.out文件。

（3）仿真層：實現上述數據處理層的主要步驟，即解析學生通過客戶端傳輸的電路仿真實驗操作的數據.gra文件，并轉換為.cir文件，為后續仿真做準備；再調用PSpice進行仿真，獲得仿真實驗數據。

（4）服務層：存儲仿真實驗數據，臨時保存實驗及與實驗有關的數據設置和仿真數據。如圖3所示。

圖3 系統軟件框架

3.系統組成及功能

如圖4所示，虛擬實驗平臺主要由虛擬實驗子系統、實驗狀態保存和恢復子系統、實驗報告提交管理子系統、實驗相似度分析程序四大模塊組成。

圖4 系統組成結構圖

各模塊的功能如下：

（1）虛擬實驗子系統：用于虛擬的實驗環境中搭接實驗電路，選擇合適的電路參數，仿真得到相關實驗結果數據。

（2）實驗狀態保存和恢復子系統：學生可以建立個人數據庫，將實驗中已完成的或未完成的虛擬實驗電路進行封裝保存在數據庫中，可以隨時調用，并繼續未完成的虛擬實驗，而且完成的虛擬實驗電路可以作為作業提交到教師主機，便于老師檢查實驗進程、數據結果。

（3）實驗報告提交管理子系統：系統自動將實驗報告模版發送給學生，學生根據實驗結果將報告填寫完成后再將其提交給系統。教師可以對報告進行批閱和管理。學生可以下載閱讀批改后的報告，查看自己的實驗數據，便于總結自己實驗的得失。

（4）實驗相似度分析程序：因為該虛擬實驗系統主要依靠學生的自主學習能力，而實驗主要在課堂外自主完成，且課程針對的是中職的學生，其自學能力和自我控制能力較差，所以學生很有可能會拷貝其他同學的實驗電路及數據，造成整個班僅兩三種版本，這顯然違背本實驗平臺的設計思想。

教師可通過實驗相似度分析程序分析學生提交的實驗涉及元器件、參數，得出分析結果，根據該分析結果可以判斷學生在完成實驗時是否抄襲。

四、結語

網絡虛擬實驗系統的設計是以PSpice為電路仿真分析軟件的基礎，并結合Java技術作為后臺服務器的仿真核心模塊，利用可視化技術與客戶端的虛擬實驗平臺實現無縫鏈接，實現電路實驗在網絡環境下的虛擬仿真實驗。讓學生在逼真的網絡“虛擬環境”中利用各種“虛擬元件或虛擬電路模塊”任意搭接各種電子線路，并通過各種“虛擬儀器”的仿真測試實時得到仿真結果數據。

該網絡虛擬實驗系統的建立，特別適合中職院校的教學改革，它不僅能保障學生有充足的實驗時間，而且能一定程度地解決學校實驗經費不足、元器件損壞等問題。

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