虛擬實驗方式在電子技術實驗教學中的應用

黃春媚

【摘 要】當前電子技術實驗教學傳統模式已不能滿足教育信息化和開放性實驗研究的需要，電子技術虛擬實驗室的建立彌補了傳統實驗的不足，使教學形式更加生動，實驗的設計更加靈活。

【關鍵詞】電子技術課程 虛擬實驗 傳統實驗

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）03C-0181-03

教育信息化迎來了教育理念和模式改革的深刻革命，為更好地培養適應社會需求的實踐創新人才，全國高校紛紛進行了開放性實驗教學的改革，傳統的以元器件操作、紙質記錄的實體性實驗模式已不能滿足開放性實驗研究的需要。開放性大學的日益發展，越來越多的人加入了終身學習的行列。電子技術是在實驗的基礎上進行理論研究的學科，其內容較多，實驗次數有限，課程內容較抽象。隨著虛擬電子實驗技術的成熟，仿真實驗室在電子技術教育領域的應用價值日益凸顯。2014年3月，教育部發出了批準建設全國首批100個國家級虛擬仿真實驗室的通知。虛擬電子技術實驗室作為傳統實驗的有效補充和延伸，已經成為電子技術專業學生進行專業課程設計的重要實驗平臺，是電子技術課程教學的一項重要創新。

一、電子技術虛擬實驗室國內外研究現狀

自21世紀以來，教育數字化已經成為世界教育活動發展的一種新潮流。最早提出虛擬實驗室概念的Willaim Wolf教授形象的把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心”。目前，國外在電子學方面，麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室早在13年前就開發并使用在電路設計課程和微電子學的實驗。西班牙大學的電子儀器虛擬工作平臺，意大利帕瓦多大學的遠程虛擬教育實驗室都是世界上一流的電子虛擬實驗室。還有LAA Physics（Lean Any time Any where Physics）物理實驗室是由美國北卡羅來那大學研制的，它提出了“隨時隨地學習物理”的口號，其目的就是建立一個自由、開放的物理課程實驗室。

從知網查詢對于電子技術虛擬實驗的研究，從中可以看出學術界對于電子技術的學術關注度呈逐年上升的趨勢。國內電子虛擬實驗室的建設在這幾年也得到了快速的發展。國家開放大學的物理虛擬實驗室，北京郵電大學的開放式網上虛擬實驗室，電子科技大學的電子與通信系統虛擬仿真實驗室，西安電子科技大學、杭州電子科技大學的電子信息與通信虛擬仿真實驗室等都逐步建成并投入使用。

電子電路以及整個系統的設計是一個不斷調試、糾錯而呈螺旋式上升的過程，它需要耗費大量的人力、物力和財力。采用虛擬實驗平臺進行電子電路和系統的設計可有效解決實驗設備的不足，這使得虛擬仿真實驗愈加適合電子技術課程的基礎教育。

二、電子技術虛擬實驗方式與傳統實驗方式的區別

教育的信息化使電子線路課程體系隨著信息技術的發展而發展，電子器件從電子管、晶體管到集成電路的發展，也在高校電子技術課程的教學領域引起相應的變化。虛擬仿真實驗室的創立，能很好地化解實驗硬件的不足，改變傳統的教學模式，仿真技術能更充分調動學生的積極性。

（一）傳統實驗

電子技術實驗課程主要強調硬件知識和技能的獲取。其包括元器件、單元電路以及由此組成的電路與系統，通過實驗掌握這些硬件電路的結構原理以及分析設計。傳統的實驗教學需要設計、調試、實驗、分析四個階段，但如果對自己的制作工藝沒有充分的把握，都不敢通電實驗，擔心存在的危險會影響實驗數據的收集。隨著電子元件的增多，比如手機電路板的尺寸很小，電路的層數也多，布線就有了相當的難度，導致無法用手工設計。再者，隨著元件數量的增多，各元件之間的相互干擾，使耦合也變得越來越復雜。傳統的實驗方式優點是：實體感強，進行小型電路設計時，布線明了，操作完成后更有成就感。

（二）虛擬實驗

虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似。學生可利用虛擬器材庫中的器材，自由搭建實驗教學計劃中的實驗教學項目，完成綜合性、設計性實驗方案的實現。在虛擬實驗室中，學生更易獲得相關的知識、科學的指導和及時的反饋。而且采用電子設計自動化（EDA）技術開發的產品設計成本低、功能全、易糾錯。虛擬實驗的優點是：學生可隨時隨地動手配置、調節和使用實驗儀器設備，縮短了設計周期。虛擬教學使實驗的安全系數提高，在教學中更便于教師監控，減少實驗報告的抄襲情況。

三、虛擬實驗技術在電子技術教學中的應用

（一）基于軟件的虛擬電子技術設計實驗應用

基于信息化時代，計算機可以幫助我們在進行電子技術實驗的時候進行計算、信息存儲和制圖等多項工作。比如，EDA（電子設計自動化）技術的應用，它是在電子輔助教學技術的基礎上發展起來的計算機軟件，其以計算機為工作平臺，融合應用電子技術、計算機技術和智能化技術的最新成果，主要能進行電子電路設計、IC設計和PCB設計。EDA技術將先進、豐富生動的教學方式引入到電子技術的教學之中，使復雜抽象、不易理解的電子技術變得生動形象、簡單易學。

EDA工具層出不窮，目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件主要有加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、美國Cadence公司的OrCAD、澳大利亞Altium公司的PROTEL、美國Mentor Graphics公司的PADS等。

各類基于應用軟件的EDA軟件的設計都大體相同，以電子電路工作平臺EWB（Electronic Workbench）軟件為例，如圖2所示，其界面操作簡單，工作桌面上裝有進行電子實驗的若干元器件以及實驗設備，像傳統操作一樣在計算機上完成接線，然后在指定按鈕（計算機窗口中）上按一下鼠標 ，計算機將顯示出實驗結果。其儀器儀表庫中還提供了信號發生器、萬用表、電壓表、掃頻儀、雙蹤示波器、邏輯分析儀等儀器儀表。面板上也提供了各種建模精確的元器件，電阻、電感、電容、二極管、三極管、繼電器等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路。它完全基于電腦中的軟件進行電子電路實驗，電路的設計可以與實驗同時進行，邊實驗邊通過電腦進行分析并形成實驗報告。

利用軟件式的虛擬平臺輔助教學，可以更好地培養學生的學習興趣，增強學習效果，從而提高教師的教學效率。也可對仿真電路進行破壞性連接，方便地檢測不同故障情況下的電路工作狀況。但它的特點是要事先對軟件進行了解，學習軟件的操作方式，此類軟件也適合比較復雜的電路安裝調試或者電路的設計。

（二）基于網頁的虛擬電子技術基礎實驗應用

基于網頁（web）的虛擬實驗室利用多媒體網絡技術，將整個實驗操作過程進行計算機模擬。有的是采用交互式Flash技術開發的網絡實驗室。基于Flash技術開發的實驗界面美觀、視覺沖擊效果強、體積小、簡單易學，可直接在瀏覽器中進行操作，不需要安裝。學習者通過網絡瀏覽器的鼠標操作，就可以像操作真實的實驗設備一樣，完成實驗過程。這種模式比較適用于在電子技術的基礎教學中，一些簡單的實驗可以通過鼠標的操作完成。

在基于網頁的虛擬實驗室中，實驗者也可以進行實驗預約、交互性虛擬實驗、實驗報告的提交等。基于WEB的方式，學習者無需學習軟件，完全是“所見即所得”，看到的是真實的儀器而不是符號，比較適合完成電子技術課程中一些入門式的實驗及初學者。網絡虛擬實驗室就是一個無墻的實驗中心，是終身學習、社區教育的一個強大的教學后盾。比如要測量變化的磁場是不是形成電流，就可以直接用鼠標拖動磁鐵上下移動，看一下電表的變化就可以清楚地看到形成的電流變化，如圖3。

（三）基于傳感器的虛擬電子技術實驗應用

傳感器技術的內容涵蓋了電磁學、光學、化學、聲學、材料學、力學、微電子學等多個學科交叉。它通過感受物理量并按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置，利用某些材料自身所具有的內在特性去感受被測量，并轉換成可用電信號導入計算機進行處理，因為其實驗數據最終結果是通過輸入電腦去進行記錄、整理、計算、作圖、分析，所以，我們也把它歸為虛擬實驗方式的一類。其結構流程圖如圖4。

四、云計算時代電子虛擬仿真實驗室的展望

（一）改變教育方式

基于網絡的虛擬實驗室使遠程教育更趨完善，它向人們展示了信息時代一種全新的教育方式。其打破了傳統實驗的模式，師生不受時空限制，共享數據和計算資源，減少重復投資。

（二）節省經費

傳統實驗室為提高學生的動手能力，需要配置大量的元件和電子儀器，存在投資大、維護難的問題。造成科研活動耗資大，實驗設備價格昂貴。在虛擬實驗室中，儀器和元件不存在損壞，當整個電路系統先虛擬仿真成功再投入實際運作，可以降低科研成本。

（三）數據存儲云同步

云時代增強了師生交互、協作和資源共享的能力，實現基于網絡的遠程虛擬現實通過Internet服務為個人用戶提供海量甚至無限量的個人存儲空間。多個個人設備中的數據可以與云存儲數據自動同步。

大數據時代，把實驗室放到“云”上，使實驗教學具有開放性，大眾化，學生們利用各種網絡終端自由地進入虛擬實驗室，方便地操作儀器進行實驗。但是，電子技術虛擬實驗方式的改革還必須與實體實踐相結合。畢竟網絡虛擬實驗不是實體操作，電路工藝、線路長短、儀器的精密都會存在差異，其只能作為電子技術實驗教學的一個延伸和補充。

學生通過電子技術虛擬實驗室的人機交互界面來完成所設定的實驗，可以接受更大量、更具體、更完整的信息。不同層次的實驗，不同的人群選擇不一樣的虛擬實驗方式，更好地契合了開放性學習“以學生和學習為中心”的學習模式。采用科學的實驗室裝備，進行多種形式的實驗方式，可以促使我們與最先進的電子實驗同步，更好地提高實驗教學的水平。

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