論虛擬實驗平臺構建的必要性

張紹榮

摘要：隨著網絡化和信息化的發展，傳統的實驗室教學已經遠遠不能滿足要求。本文深入分析了傳統實驗室管理和建設存在的問題和原因，并以此提出虛擬實驗平臺構建的必要性，最后對虛擬實驗平臺構建內容提出了幾點建議。

關鍵詞：實驗室；虛擬實驗；平臺構建

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）31-0259-02

理論與實踐相結合是理工科學生學習的最佳方式，而實驗室是提高學生動手實踐能力最主要的場所。傳統實驗室由于場地和課時量有限、儀器設備等資源緊缺、開放時間少等因素導致學生做實驗的效果大打折扣，實踐創新能力以及分析問題和解決問題的能力得不到提高[1]。隨著網絡化和信息化的發展，傳統的實驗室教學已經遠遠不能滿足要求。

筆者在擔任模擬電子技術實驗的指導老師期間，對學生實驗過程以及實驗室的建設和管理方面存在的一些問題進行了概括和總結，并以此提出虛擬實驗平臺構建的必要性。虛擬實驗平臺的構建是傳統實驗教學的有效補充，通過“虛實結合”，可實現實驗教學手段和教學模式的多元化[2]，拓寬學生的學習途徑。

一、存在的問題

（一）學生缺乏電子認知

在開始第一節實驗課時，學生不懂辨認基本的電子元件，比如電阻、電容、電感、二極管和三極管等。同時對于電容和二極管的正負極性不懂區分，三極管的管腳分配更加不會區別。另外，學生對一些常用儀器（比如信號源、示波器、萬用表等）的使用更是摸不著頭腦。很多學生大都是第一次使用，所以不會用、不敢用。這給實驗的開展帶來了很大的困難，因為學生的不懂，所以不敢動手操作，第一節課的大部分時間是在教學生識別電子元件和儀器的使用，有些學生還沒開始實驗就下課了，實驗效果非常差。

（二）實驗項目少且驗證性實驗居多

一個學期只開出了四個實驗：二極管特性測試及應用電路、晶體管放大電路指標測試、模擬運算電路指標測試和放大電路頻率特性測量，而且純屬驗證性實驗。《模擬電子技術》是所有電類專業的基礎課程，對學生以后的專業學習非常重要。這四個實驗遠遠不能滿足對學生實踐技能的培養要求，更談不上知識綜合運用和實踐創新的培養。因此，通過實驗來提高學生理論與實踐相結合的能力、綜合應用知識的能力以及分析問題和解決問題的能力就成了空談。如何利用現有的實驗室資源開設更多的實驗（包括驗證性實驗和綜合設計實驗），使得學生最大程度地學到更多的知識，這是有待解決的重要問題。

（三）實驗室開放時間少

隨著學校的擴招，學生人數增多，而教學設備和場地沒有相應的增多，師資力量不足，課時的安排也比較緊，所以實驗室空余的時間開放比較少，有些學校甚至除了上課時間之外就不再對外開放，這對學生的學習是極其不負責的。就如1.1節所說的，學生由于不熟悉電子元件和儀器設備，可能會耽誤很多時間，等熟悉操作的時候就來不及完成實驗就下課了。學生如果課余時間不補做實驗，就相當于沒做過實驗，自然也學不到相應的知識。沒有做實驗就沒有實驗數據，實驗報告就胡編亂造，學生慢慢就養成了弄虛作假、投機取巧、態度不端正等行為。這對學生的專業造成了不好的影響，使他們在學習上得不到提高。

（四）儀器設備老舊缺損

學生不能按時完成實驗任務，有一部分因為儀器設備太過老舊、緊缺和破損。學生對儀器本身就不熟悉，而儀器又老出現問題，導致實驗無法進行。在上課時，一些學生從一個實驗臺換到另一個實驗臺，實驗儀器也搬來換去，非常混亂。但是，老師也無法過多干預，因為一部分儀器確實功能不正常甚至完全不工作，如果不讓學生調換，學生也只能干等著，實驗無法進行。針對這種情況，學校直接對儀器設備進行更新即可解決問題，但這在短時間內是難以實現的，學校的資金投入要考慮很多其他的因素，況且有些學校資金本身就匱乏。

二、虛擬實驗平臺構建必要性

在批改實驗報告的過程中發現：只要學生能順利完成實驗，實驗數據一般準確可靠，同時理論的分析也比較清晰切合；不能完成實驗的學生，數據存在明顯的錯誤，或者干脆抄襲別人的實驗數據，對理論和實驗結果的分析也是模模糊糊、不著邊際。為了讓學生能順利完成實驗，加深對理論知識的理解，提高學生實踐動手的能力，在第1節中提到的問題有待解決。

（一）虛擬實驗平臺是解決問題的新方法

對于學生缺乏電子認知的問題，很多高校開設有專門的電子認知課程，主要講解基本的電子元件知識和一些常用儀器的使用，并且安排考試。這為后續的課程學習奠定了很好的基礎，但是仍然占用有限的資源。虛擬實驗平臺的構建通過軟件面板模擬真實的儀器面板，學生通過網絡操作儀器能達到操作真實儀器一樣的效果。另外，把電子認識的相關內容以圖片、動畫或者視頻的方式掛靠在虛擬實驗平臺上，全校師生都可以隨時隨地查看學習，實現了師生最大的資源共享。

開設實驗項目少且驗證性實驗居多，實驗室開放時間少，儀器設備老舊缺損，其實都可以歸結為：實驗室資源匱乏，資金投入不夠。要想減少資金投入同時達到良好的實驗效果，就要想法設法實現資源的共享和重復利用率。虛擬實驗平臺的構建可以通過網絡實現對儀器共享和遠程控制，以此實現資源的共享。

（二）虛擬實驗平臺是傳統實驗教學的有效補充

如果把傳統的實驗教學說成是課內教育，傳統實驗教學就是課前教育和課外教育。通過虛擬實驗平臺，學生可以了解到更多關于本次實驗的資料，做好課前預習；而通過動畫或者視頻的效果進行實驗的演示是傳統實驗教學無法比擬的。對于不夠時間完成實驗的學生，課后依然可以通過虛擬實驗平臺進行實驗，從而不受時間、地域的限制完成實驗。

完善的虛擬實驗平臺可以實現實驗預約和登陸管理、實驗報告生成與上傳、在線批改和打分等功能。可以針對學生在學習過程中的操作問題給予適時的提示，提示學習者注意操作錯誤的地方，這對貴重而精密的儀器操作尤為重要。

（三）虛擬實驗平臺構建是未來的趨勢

文獻[3]對國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的意義、指導思想、內容等做了全面闡述。文獻[4]和[5]，則對虛擬仿真實驗教學中心建設提出了自己的思考與建議。《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號）等相關文件都對虛擬仿真實驗教學提出了明確要求。因此，虛擬仿真實驗教學建設是高校實驗教學改革的必然發展方向。而虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學虛實結合、相互補充，將切實提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容。

三、虛擬實驗平臺構建內容

虛擬實驗平臺的構建，包括單純的虛擬仿真和虛實結合的具體實驗。單純的虛擬仿真，比如電子元件的基礎知識普及和一些常用儀器設備的操作。虛實結合的具體實驗涉及具體的硬件實物和軟件，在開展實驗前，實驗室老師必須把硬件電路和相關的儀器連接好，儀器通過USB總線或者其他總線與計算機（服務器）相連。在服務器開發相應的程序軟件，實現儀器可程控。用戶通過網絡訪問服務器，即可獲取儀器的相關數據，而且操作服務器的軟件面板就像在本機操作一樣。針對電類的基礎實驗課程，本文認為虛擬實驗平臺的構建應該包含如下內容。

（一）電子認知基本知識

以圖片、動畫、視頻等方式幫助學生識別基本的電子元件，區分電容或二極管的正負極性、三極管的管腳分配等。介紹一些電子元件的性能參數、功能作用等各方面的知識。而一些常用的儀器操作和使用方法最好以動畫或視頻的方式介紹，比如信號源、示波器、萬用表、交流毫伏表等儀器設備。

（二）實驗材料匯總

實驗的原理分析，實驗的準備工作，實驗過程中應該注意的問題，以及與本次實驗相關的知識擴展等都可以以文件的方式提供給學生，擴展學生的知識面。

（三）實驗項目

這部分是構建虛擬實驗平臺的主要內容，也是解決第1節中提到的問題的關鍵所在。實驗室老師根據實驗項目需要搭建硬件平臺，開發相應的程序軟件。除了搭建傳統實驗室開出的實驗之外，還可以開發各種綜合設計性的實驗，比如波形發生器設計、濾波器的幅頻特性測試等。實驗平臺搭建完成之后，只要系統正常工作并且網絡正常，就可以安排時間對學生開放，不需要人工管理。

四、總結

本文主要分析了模擬電子技術實驗教學存在的一些問題，結合目前的狀況以及未來的發展趨勢，論證了構建虛擬實驗平臺是解決問題最有效的方法。虛擬實驗平臺的構建是傳統實驗教學的有效補充，為學生的課外學習提供了極大的方便，實現了資源的共享，有利于增強學生綜合設計和實踐創新的能力。

參考文獻：

[1]劉碩謙，田娜，劉仲華，陸英.新形勢下高校實驗室的建設與管理辦法初探[J].教育教學論壇，2013，（13）：10-11.

[2]楊建良.電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建[J].實驗室研究與探索，2014，33（7）：101-104，280.

[3]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[4]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[5]王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理，2014，32（8）：9-11.