基于電工電子虛擬實驗教學平臺的實踐*

◆吳羽 龍曉莉 陳新兵 張倩

基于電工電子虛擬實驗教學平臺的實踐*

◆吳羽 龍曉莉 陳新兵 張倩

介紹基于電工電子虛擬實驗教學平臺的功能特點，以數字電路實驗為例，將虛擬實驗與真實實驗相結合并發揮虛擬實驗的優勢，培養學生自主學習能力，提高實驗教學質量。

虛擬實驗教學；自主學習；電工電子

實驗教學是幫助學生理解課堂知識、培養學生的動手能力和實際工作能力的重要手段。傳統的實驗方法是在實驗室中利用真實實驗儀器進行的，在時間和空間上對學生有所限制，并且存在實驗設備維護費用高、實驗過程損耗較大、教師指導時間有限等問題。這些都限制了學生動手能力和自主學習能力的提高。需要打破這種限制，拓展延伸實驗課堂。近年來，虛擬實驗這一新興技術正逐漸得到人們的廣泛關注[1-2]。

電工學、模擬電路和數字電路等電工電子類課程是一門實踐性很強的專業基礎課程，做好該類課程的實驗教學非常重要。在廣東省教改工程項目基金的支持下，結合電工電子實驗的實際情況，項目組成員進行了虛擬仿真實驗教學平臺的開發探索，將實驗過程和現象通過虛擬仿真教學平臺來進行演示和仿真，從以教師為主體到以學生為主體進行轉變，提供給學生自主學習能力培養的機會，建立并逐步完善學生自主學習教學模式[3]。

1 虛擬仿真實驗教學平臺的功能特點

開放式虛擬仿真實驗的教學平臺依托校園網絡，以虛擬實驗技術和網絡信息技術增強實驗實踐教學。虛擬仿真實驗教學中心界面如圖1所示。平臺用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員、校領導、系統管理員等。平臺功能主要包括虛擬實驗中心門戶網站、實驗前預習、實驗課程管理、實驗庫維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統。該虛擬實驗室中課程的虛擬實驗均可以反復配置、連接、調節和使用虛擬儀器設備進行操作，也可依平臺提供的儀器設備自由搭建合理的新穎實驗項目。

圖1 虛擬仿真實驗教學中心界面

實驗教學管理 實驗教學管理的主要功能有：教師根據教務處的實驗計劃維護典型實驗庫，安排實驗進度，查看學生實驗進展，批改實驗結果，發布實驗成績。學生根據任課教師的要求，進入虛擬實驗室進行實驗預習、做實驗并提交實驗報告。

實驗前預習 實驗前預習提供了交互式練習、自我測驗、課件瀏覽等功能，并能實現師生實時交互；豐富的學習資源和交流工具，讓學生提前對實驗原理、實驗設計和實驗步驟有直觀的認識，有助于提高學生的學習效率，減輕教師的負擔。

實驗過程智能指導 虛擬實驗過程智能指導通過對學習者實驗過程的數據收集和監控，提供智能和人性化的指導，實現“在線教師”的功能。在實驗過程中提供有針對性的指導，實現虛擬實驗教學過程智能化，學習者的實驗過程受到智能指導系統的監測。學生在實驗過程中遇到疑問時可以尋求幫助指導，系統亦能主動對學生在實驗中的不當操作進行提示，避免發生錯誤。學習者或教師可以直接對系統提問，系統搜索出對應的知識信息，反饋給用戶。

實驗結果自動批改 學生做完實驗提交結果后，自動批改子系統從實驗平臺中獲取學生所做的實驗結果狀態數據，進行數據處理，系統利用知識庫中預先錄入的批改規則對學生的實驗結果信息進行推理分析并得出結論。評價結果反饋給實驗平臺，評價結論呈現給學生，并把成績和相關信息匯總到成績管理模塊。

虛擬實驗仿真教學資源管理 Flash、Java或其他編程語言實現虛擬實驗仿真教學資源。本平臺在實驗教學設計模塊提供了相應的集成接口，用來將現有的仿真教學資源集成到虛擬仿真實驗教學平臺中。

師生互動交流 提供用戶互動交流模塊，包括實驗答疑和在線留言功能，實驗答疑支持多人語音、文字交流。

系統管理 系統管理員對參加者進行分組管理，提供導入/導出、增加、刪除、查看、修改功能，并維護實驗參與者的權限，同時還可以查看在線人數、用戶訪問、用戶登錄記錄。

2 虛擬實驗教學的實踐

虛實結合，培養學生自主學習能力 在真實實驗中，學生掌握如何使用儀器設備，通過實際操作，解決實際問題的能力得到有效的提高。而在虛擬實驗教學平臺提供接近真實的虛擬實驗儀器，使學生能進一步掌握儀器設備的使用方法，通過對實驗現象進行演示和仿真，使學生能主動地進入實驗的準備階段，參與到實驗設計學習過程，為學生提供充足的自主學習機會、良好的自主學習條件。虛擬實驗教學平臺讓學生能主動嘗試各種設計性實驗和探索性實驗，加深學生知識的深度和拓展學生知識的廣度，使得學生實驗變得更加靈活和有創造性。因此，采取虛實結合的方法，注重培養學生的自主學習能力，切實增強實驗教學效果。

發揮虛擬實驗優勢，提高學生解決問題的能力 傳統實驗要根據實驗室的儀器設備、師資等條件，有選擇地在一定的時間空間內開設典型實驗項目。在實驗課之前，學生只能依據預習實驗指導書上的實驗原理和實驗步驟來進行抽象的理解，而不可以動手先試做一次，建立直觀的認識。在課后學生如果想復習實驗，或者對于書本上的某個原理有疑問，想自主設計實驗進行驗證，卻受到實驗室開放時間的限制而不能隨時進行實驗。實驗教師與學生、學生與學生之間也缺乏一個有效的交流平臺。

現在，虛擬實驗仿真平臺提供實驗儀器設備供學生自己動手連接、調節，學生可以通過虛擬實驗教學平臺隨時隨地進行實驗預習與試做，實驗的安排更加靈活方便。學生還能利用平臺上的實驗儀器自主搭建任意合理的實驗，自主學習的能力得到有效的提高，教師能掌握學生的預習情況，進行教學演示，或者將實驗中的不足提出來，師生共同探討，從而增強教學效果。

如在數字電路實驗教學中，開設有9個實驗項目：TTL集成邏輯門的邏輯功能與參數測試、組合邏輯電路的設計、MSI譯碼器邏輯功能測試、MSI數據選擇器邏輯功能測試、觸發器功能測試及其應用、計數器邏輯功能測試、移位寄存器邏輯功能測試和應用、555時基電路及其應用、智力競賽搶答裝置。以組合邏輯電路的設計實驗項目為例，使用中小規模集成電路設計組合電路是最基本的邏輯電路設計方法，可以較為系統地培養學生的邏輯思維和綜合設計能力。通過本實驗，學生應掌握邏輯電路的設計原則、基本方法、步驟及其測試方法。如設計一個用與非門組成的四人表決電路，學生可以通過虛擬實驗平臺隨時隨地進行實驗預習，根據題意列出真值表，再填入卡諾圖，由卡諾圖得出邏輯表達式，并演化成“與非”的邏輯表達式，據此畫出用“與非門”組成的邏輯電路。然后按照實物連接線路并進行仿真分析，直至所設計電路符合設計要求，最后在實驗室進行電路的連接，大大縮短了調試時間，降低了器材的損耗。

另外，為了在兩節課內完成實驗，通常把四人表決電路和檢視交通信號燈工作狀態的邏輯電路列為必做內容，而把一位全加器和燈的多開關控制電路等其他項目列為選做內容。若將其中的拓展內容在虛擬實驗中完成，則不但能在課內完成典型實驗內容，而且可以在虛擬實驗中新增任意新穎項目。虛擬實驗平臺實現了實驗教學在時間和空間上的延伸，使學生對實驗建立起直觀的感性認識，利用虛擬技術提供仿真性的探索情境，從而讓學生解決真實性的問題。

3 結語

廣州大學電工電子虛擬實驗教學平臺的開發，為電工電子類課程的實驗教學提供了一種新的實驗教學手段，平臺集合實驗前預習、實驗過程智能指導、實驗結果批改、師生互動交流等功能，為培養學生自主學習能力搭建出一個有效的實踐平臺，為學生提供了廣闊的思維空間，實現了實驗教學在時間和空間的延伸，完善了現有的實驗教學體系，實驗教學質量得到了有效的提高。

[1]李升源,劉宏,周克良,等.電工電子虛擬實驗與真實實驗的互補性[J].實驗技術與管理,2010(4):74-76.

[2]劉婷婷,孫志婷.電子技術虛擬實驗系統的設計與實現[J].電腦知識與技術,2010(6).8660-8661.

[3]梁海燕,梁鴻東.利用虛擬技術對學生自主學習能力的培養探索[J].中國科教創新導刊,2008(34):56-57.

G642.423

B

1671-489X(2014)08-0123-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.08.123

2013年廣東省高等學校教學質量與教學改革工程立項建設項目“基于能力培養的電工電子類實踐課程教學改革與實踐”。

作者：吳羽、龍曉莉、陳新兵、張倩，廣州大學實驗中心（510006）。