虛擬實驗與傳統實驗在電子類實驗教學中的比較研究

姚高華 詹小穎梧州學院 廣西梧州 543002

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虛擬實驗與傳統實驗在電子類實驗教學中的比較研究

姚高華 詹小穎
梧州學院 廣西梧州 543002

摘 要：在高校電子類專業的實驗教學中，虛擬實驗具有一些傳統實驗不可比擬的優勢，在實驗教學過程中引入虛擬實驗，使其與傳統實驗相結合已成為發展趨勢。探討了虛擬實驗在電子類實驗教學中的應用，從實驗開設成本、實驗開設內容、實驗教學手段、實驗教學效果、實驗室維護管理五方面對傳統實驗和虛擬實驗進行了分析、比較。

關鍵詞：實驗教學；虛擬儀器；虛擬實驗；傳統實驗

隨著計算機技術、多媒體技術、仿真技術以及虛擬技術等現代信息技術的迅速發展，現代教育教學技術的發展也日新月異，其中實驗手段和測量方法的發展尤為迅速。傳統的測量儀器和測量方法不斷朝以計算機為核心的方向發展，因此現代實驗教學非常有必要跟上時代科技發展的步伐。

教學環節包括理論教學和實驗教學，兩者相輔相成、缺一不可，特別是對于實踐性和應用性很強的電子類專業，實驗教學環節的重要性更加突出。電子類專業學生必須通過足夠數量和良好質量的實驗，才可能真正理解和掌握電子類專業的理論知識和實驗技能，實現理論和實踐相結合。但是隨著我國高等教育改革的進一步深化，高校的招生規模不斷增大，學生人數急劇增加；此外由于電子儀器設備的快速發展和產品特性，實驗設備容易過時、陳舊、老化等，導致很多高校實驗設備的數量和質量無法滿足實驗教學的要求。因此，加強實驗室建設、改進實驗方法和手段、不斷進行實驗教學改革，具有一定的必要性和緊迫性。

在電子類專業的實驗教學改革中，隨著各種EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)軟件的發展，以虛擬元件和儀器為基礎的虛擬實驗應運而生，為更好地完成電子類實驗提供了先進的技術手段。虛擬實驗是指應用計算機技術和虛擬技術模擬實際實驗，通過仿真得到實驗結果的計算機應用系統[1]。電子類專業的虛擬實驗就是結合電子類實驗課程的特點，通過計算機軟件構造模擬實驗的環境，利用虛擬仿真軟件設計電路，進行計算機仿真分析和實驗測試。通過虛擬實驗，學生不僅加深了對電子類課程理論知識的理解和掌握，而且還可以學會仿真設計與模擬調試，為學生發揮創新精神提供了極好的實踐平臺。因此，把電子類專業實驗與計算機模擬仿真結合起來形成的虛擬實驗，無疑是電子類專業實驗教學的發展趨勢。

1 傳統實驗和虛擬實驗的比較

1.1 實驗開設成本比較

現代電子技術的發展日新月異，新設備、新儀器、新元件層出不窮。為了能夠提高電子類專業建設的水平，學校投入大量的資金進行電子類實驗室建設。由于實驗室建設經費和實驗室場地的限制，每個實驗室購買的儀器設備的數量是十分有限的，同時每套實驗設備所能開出的實驗項目也是一定的。以我校的高頻電路實驗室為例，在實驗室建設至今投入了40多萬元，由于與高頻電路相關的儀器設備比較昂貴，只能配備25套基本實驗設備，可以開設13個基本實驗項目。如果要開設綜合性、設計性的實驗項目，需要另外投入大量資金購買頻率特性測試儀、高頻Q表等儀器儀表。因此，傳統實驗的開設成本比較高，要達到實驗教學要求開出保質保量的實驗，但又沒法投入足夠的資金，這是許多高校都不得不面臨的矛盾。

采用基于虛擬儀器技術的虛擬實驗后，上述問題得到了較大程度的解決。近年來，學校購進了一批高性能的計算機，學生購買計算機的比例也在增加，為虛擬實驗的進行提供了必要的物質基礎。利用各種計算機仿真和設計軟件及虛擬實驗平臺，不僅可完成電路分析基礎、低頻電子線路、數字電子技術、高頻電路等基礎課程的實驗，還為學生進行設計性、創新性的實驗提供了良好的平臺。同時，這些計算機還可以在其他計算機類課程教學時使用，因此提高了實驗設備的利用率，降低了實驗室建設的成本，同時也降低了實驗開設的成本。

1.2 實驗開設內容比較

傳統實驗一般采用“實驗箱+測試設備”的實驗方式，由于實驗箱的布局和線路已經固定，所能完成的實驗項目只能限制在很小的范圍內，而且大多數是一些基本的驗證性實驗。這些驗證性實驗，僅僅驗證學過的理論知識，學生只需要在元件固定好的實驗板上接導線和測數據，同時每個實驗都限定在兩節課的實驗課時內完成；這樣的傳統實驗方法對學生的束縛較大，不利于培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，難以滿足現代實驗教學的需要[2]。面對這些問題，需要通過實驗教學改革，擴展傳統實驗大部分是驗證性實驗的內容，開設設計性實驗和綜合性實驗。但對傳統實驗來講，要想開設設計性實驗和綜合性實驗，一般都要另外購買和實驗箱配套的配件或者實驗板。

虛擬實驗除了能完成全部的驗證性實驗外，也能完成各種設計性實驗，重要的是不需要增加購買任何其他儀器設備。利用虛擬實驗，學生除了可以完成教師布置的各種驗證性和設計性實驗外，還可以完成自己從各種渠道找到的實驗項目，甚至可以實現自己的創造性想法和設計。

1.3 實驗教學手段比較

傳統的實驗教學是按照“學生預習—教師講解—學生操作”的模式進行的。第一階段：學生課前預習階段，由學生自己閱讀理解實驗教材中的實驗原理和實驗步驟，由于學生事先并沒有接觸實驗電路板，因此學生所謂的理解只能靠自己的想象；第二階段：教師課堂講解階段，由于受到實驗課時間的限制，教師主要講解實驗過程中學生容易出現的問題。同時由于實驗室各種實驗儀器設備的出現，轉移了學生聽課的注意力，降低了教師講解的效果。第三階段，學生實際操作階段，在教師對實驗注意事項講解完后，由學生進行實驗操作，當出現的實驗現象與預習階段自己想象的不一致時，很多學生可能會手忙腳亂。尤其是當實驗操作過程中出現各種實驗故障時，大部分學生更不知所措，只能讓教師幫忙解決問題，所以就有了部分教師反映的“上實驗課比上理論課更累”的說法。

虛擬實驗的采用，很大程度上改變了上述問題。學生課前預習時可以在理解實驗指導書中的原理和實驗步驟的基礎上，在自己的計算機上進行虛擬仿真實驗。而在實驗課堂講解階段，由于學生進行過虛擬實驗，對實驗步驟和實驗過程心中有數，因此對教師的講解分析能夠理解更加透徹。

從更高層次來看，虛擬實驗技術、多媒體技術與計算機網絡技術相結合，可以實現教學手段的多樣化和現代化。在實驗教學過程中，通過聲音、圖片、動畫、視頻等多媒體的結合，使實驗教學更生動形象，理論和實際緊密結合。同時，虛擬實驗技術的發展，使將來實現網絡教學、遠程實驗成為可能[3]。

1.4 實驗教學效果比較

在傳統實驗中，由于實驗室管理上的局限性，除了傳統實驗上課時間以外，允許學生進入實驗室的機會較少，即使是一些開放性的實驗室，對一些貴重儀器的使用和特殊實驗項目的開展也會有一定限制。因此，有些想學習和動手實踐的學生，卻苦于沒有相應的實驗條件。更有一些學生，由于對儀器儀表和實驗裝置不熟悉，實驗課前沒有做好預習和實驗準備，在實驗過程中因錯誤操作而問題不斷，這樣不僅擔心不能按時完成實驗，而且更擔心損壞實驗設備，因此造成心理緊張，對實驗課產生畏難情緒，實驗教學效果很難得到保障，甚至出現部分學生逃避實驗課程的現象。

采用虛擬實驗能顯著地提高實驗課的教學效果和教學質量。由于虛擬實驗不會受到實驗儀器設備、實驗空間和時間的限制，學生可以在預習時通過模擬操作對實驗步驟進行比較全面細致的了解；此外，在實驗過程中每當遇到問題無法解決時，學生可將自己的操作模擬到計算機上，并借助虛擬實驗系統的分析功能找到出現問題的原因，這樣使得學生排除故障的能力大為提高[4]。另一方面，學生完成實驗所需的時間大為縮短，實驗結果的準確率顯著提高。例如在數字電子技術實驗課程中的時序邏輯電路設計這一實驗，以前完成該實驗一般需要3個課時，現在學生在2個課時內可全部完成，這樣節省了實驗課時，提高了實驗效率，為進一步增加實驗內容打下了基礎。

1.5 實驗室維護管理比較

對傳統實驗來說，學生在實驗過程中造成的儀器設備和元器件損壞，是實驗室維護管理上必須面對的問題。儀器設備如果操作不當，容易造成損壞，因而實驗設備維護費用高。例如，在我校的電子技術基礎實驗室的維護管理中，常出現儀器設備的旋鈕松動遺失、輸入輸出導線破損斷裂、顯示屏幕弄臟刮花等現象。特別是一些電阻、電容元件和數字集成芯片，由于一些學生新接觸這些電子元器件，對它們的使用方法掌握不好，很容易造成元器件引腳的彎曲、斷裂等。

通過虛擬實驗可以顯著地降低實驗室儀器設備和元器件的損壞率。學生由于在實驗課前通過虛擬實驗進行了預習，對實驗內容、實驗步驟有了初步體會，實驗過程中的操作具有針對性，因此各種儀器設備和元器件的損壞率大大降低[5]，從而減輕了實驗室管理員的維護工作量，節約了實驗室的維護費用。特別是有些虛擬實驗系統針對實驗設備的錯誤操作而設置了報警功能，可以對諸如示波器輸入過壓、電子線路短路、電源正負極接反等一些可能會造成實驗設備損壞的危險操作進行警告。

2 結束語

在實驗教學過程中引入虛擬實驗已成為一種發展趨勢，但引入虛擬實驗并不是說可以拋棄傳統實驗，傳統實驗在提高學生實際動手操作能力上具有不可替代的優勢，因此，必須在實驗教學改革中將虛擬實驗和傳統實驗相結合，實現二者相輔相成，優勢互補。

通過在我校電子類專業實驗教學中的實踐證明，基于虛擬儀器技術的虛擬實驗與傳統實驗相結合，降低了實驗開設成本，拓展了實驗開設內容，豐富了實驗教學手段，提高了實驗教學效果，節約了實驗室維護管理費用，增強了學生學習的積極性、主動性和創造性，為實驗教學改革開辟了廣闊而嶄新的空間。

參考文獻

[1] 劉洪.基于X3D的虛擬化學實驗室研究與設計[D].成都:四川師范大學,2006.

[2] 龍在云,張曉林.模擬電子電路虛擬實驗平臺的設計與實現[J].電氣電子教學學報,2002(6):61-64.

[3] 朱文忠.基于Web的虛擬實驗室的設計與實現[D].重慶:重慶大學,2007.

[4] 李松湘.虛擬仿真技術在電子技術課程教學中的應用研究[D].長沙:湖南師范大學,2012.

[5] 黃品梅,方昌始,俞祝良.有效降低實驗電氣設備及元件損壞率的措施和方法[J].實驗室研究與探索,2011(8):222-224.

Study on Comparation Virtual Experiment with Traditional Experiment in Electronic Experimental Teaching

Yao Gaohua Zhan Xiaoying
Wuzhou University, Wuzhou, 543002, China

Abstract:Virtual experiment has some incomparable advantages than traditional experimental in experiment teaching of college professional electronics. Virtual experiments and the combination of traditional experimental has become a trend in the experimental teaching process. We discuss the application of virtual experiments in electronic experimental teaching,and compare the traditional experiment and the virtual experiments on the five aspects,such as the cost, experiment content, teaching methods, teaching effect and laboratory maintenance and management.

Key words:experiment teaching; virtual instruments; virtual experiment; traditional experiment

基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目(編號：2015JGB381)；梧州學院教育教學改革工程立項項目(編號：Wyjg2010B003)；梧州學院教育教學改革工程項目(編號：Wyjg2015B006)。

作者簡介：姚高華，碩士，講師。詹小穎，碩士，副教授。

收稿日期：2015-09-02