基礎實驗教學中的虛擬電工電子實驗平臺設計

李麗

[摘 要] 當前很多高校基礎實驗教學中的實訓設備、實驗室利用、實驗課程設置和學生對技術的要求不相符，單一的教學實驗不能滿足學生與時代發(fā)展的需求。基礎實驗教學中的虛擬電工電子實驗平臺是改變這一現(xiàn)狀的重要途徑，有效節(jié)省了實驗教學所需的設備、設施和資金，而且在后期維修方面也非常便捷，優(yōu)化了基礎實驗教學的數(shù)字信息，提高了高校的教學水平。從當前我國的高校虛擬電工電子實驗平臺現(xiàn)狀入手，分析了存在的問題并對基礎實驗教學中虛擬電工電子實驗平臺的設計進行了探究。

[關 鍵 詞] 基礎實驗教學；虛擬；電工電子實驗平臺

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）27-0154-02

電路、數(shù)字電子技術、高頻電路、模擬這四種電子實驗構(gòu)成了我國各高校的電工電子基礎實驗，學生通過對基礎電工電子實驗的學習，能夠掌握實驗中需要用到的儀器和實驗方式及各種實驗技術要領，以擁有自主進行實驗的技能。同時對課程中用到和學到的理論知識有一個很好的鞏固和驗證。

一、我國當前電工電子實驗平臺存在的問題

隨著計算機信息技術的發(fā)展，用于構(gòu)建虛擬電工電子實驗平臺的技術也得到了一定發(fā)展，例如在電工電子實驗平臺中用到的EDA技術得到了很大的重視，Multisim等工具也在電工電子教學中獲得了廣泛的利用。但是，新技術的發(fā)展并沒有完全改變當前基礎實驗的教學模式，傳統(tǒng)的電工電子實驗平臺阻礙了新技術和平臺的應用，并與當前我國各高校不斷擴招的情況不適應，不僅不能滿足高校在教學資源方面日益增加的需求，也不能滿足社會用人方面對能力不斷提高的要求。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)了以下存在的主要問題。

（一）學生缺乏實際的操作

在傳統(tǒng)的基礎實驗教學中，時間和地點制約了教學實驗的有效進行，學生不能通過實驗室進行操作和練習，只能看教材中的理論知識和原理，而教材中實驗理論較抽象難懂，學生沒有通過實際的練習去驗證實驗原理，就很難理解抽象的理論和實驗原理及步驟，加大了實際基礎實驗教學中的教學難度。實驗課堂上學生因為沒有提前進行過練習，對實驗步驟和使用的儀器等較生疏，很容易出現(xiàn)差錯，不僅加大了教師的教學量，還占用了大量的課堂時間，讓學生無法在有限的時間里掌握應該掌握的知識和技能，出現(xiàn)學生在課程完結(jié)后仍然處于迷茫的狀態(tài)或者課程未教授完的現(xiàn)象。

（二）缺乏靈活的實驗教學

大多數(shù)高校的基礎實驗教學中使用的是實驗箱這種教學方式，這種方式固定了實驗的內(nèi)容和項目，使學生的實驗操作陷入了固定不變按照要求進行測試、連線的被動狀態(tài)。實驗的項目和內(nèi)容嚴格按照教師要求進行，不能選擇自己喜歡的實驗項目和內(nèi)容，很大程度上限制了學生思維的發(fā)展和創(chuàng)新。

（三）學生缺乏對儀器的熟悉和了解

傳統(tǒng)的實驗教學中受實驗時間和地點以及儀器數(shù)量的限制，學生對實驗儀器的使用和了解大多通過教師的講解和示范而獲得。因而，學生對電工電子實驗中用到的儀器設備等沒有很好的了解，更無法達到熟悉的要求，在實驗操作中往往會因為儀器設備的不熟悉而出現(xiàn)各種失誤和問題。

在基礎實驗教學中構(gòu)建虛擬的電工電子實驗平臺能夠有效地改變當前存在的問題，不再受限于時間和空間的限制，提高學生的實驗興趣和水平，促進學生思維的發(fā)散和創(chuàng)新。

二、虛擬電工電子實驗平臺的設計

（一）虛擬電工電子實驗平臺的組成部分

電工電子虛擬實驗系統(tǒng)和虛擬儀器儀表系統(tǒng)構(gòu)成了虛擬電工電子實驗平臺。

1.電工電子虛擬實驗系統(tǒng)

電工電子虛擬實驗系統(tǒng)是虛擬電工電子實驗平臺的關鍵因素，主要由虛擬電路、虛擬數(shù)字、虛擬模擬和虛擬高頻這四種電路系統(tǒng)組成。電工電子虛擬實驗系統(tǒng)具有指導實驗操作的作用，包含了對實驗內(nèi)容、步驟、原理等的查閱和分析，且具有一定的仿真性，對學生的預習效果有很大的改善作用。電工電子虛擬實驗系統(tǒng)的界面比較容易操作和學習，具體的操作流程為“選擇實驗課程—選擇實驗項目—查看實驗原理、步驟—進入仿真電路界面—用萬用表測量觀察測試點的電壓、電流，用示波器觀察測試點的波形—分析電路的工作特性”。通過該流程的操作能夠?qū)滩闹械膶嶒炘磉M行驗證，而且學生可以根據(jù)自己喜歡的實驗項目和內(nèi)容對電路的參數(shù)進行修改，以觀察電路所具有的特征。

2.虛擬儀器儀表學習系統(tǒng)

學生對實驗中需要用到的儀器的練習可以通過虛擬儀器儀表學習系統(tǒng)而進行，主要是對示波器、發(fā)生器等常用儀表儀器的了解和練習。

（二）構(gòu)建虛擬電工電子實驗平臺的方法

1.實現(xiàn)電工電子虛擬實驗系統(tǒng)的方法

電工電子虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)和開發(fā)要對實驗界面、原理、步驟等方面進行加工，以及設計制作實驗的表格和電路的仿真，依據(jù)的軟件是Multisim和VB。

Multisim軟件具有能夠模擬實驗效果的特點，能夠?qū)嶒炿娐返膭?chuàng)建帶來很大的便利，還能仿真分析電路的性能，且元器件庫內(nèi)容充足，包含了無源和有源器件、模式和數(shù)字器件等多種器件。而且還擁有種類豐富的儀表儀器，有萬用表、直流電源等較通用的儀器，還包括了實際實驗室少見的儀器，例如數(shù)字信號發(fā)生器等，這些儀器可以對實驗效果進行直觀的演示。

VB的圖形界面的編程能力非常強大，主要在實驗界面的制作中用到。

2.如何構(gòu)建虛擬電工電子實驗平臺

虛擬儀器儀表系統(tǒng)的開發(fā)主要基于的是Labview，一種實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的總和，由美國國家儀器公司所開發(fā)，其強大的功能使其在當前的虛擬儀器中用于最快的發(fā)展速度和最廣的使用范圍。Labview界面中創(chuàng)建出的虛擬實驗儀表儀器和實際的儀表儀器在功能等各方面都非常相似。

電工電子基礎實驗儀器中常用的器材是示波器和信號發(fā)生器，雖然不同的發(fā)生器和示波器擁有不同的面板和功能，但是這些面板和功能在大體上是相似的，因此主要功能的實現(xiàn)是開發(fā)中最主要的問題。例如，參考了SS-7802示波器開發(fā)的虛擬示波器，功能的實現(xiàn)主要包含學生實驗用到的波形水平、垂直和觸發(fā)控制的考慮。

（三）Web在電工電子虛擬實驗中的實現(xiàn)方法

虛擬實驗得以實現(xiàn)和應用的關鍵在于網(wǎng)絡，實現(xiàn)虛擬實驗的重要模式在于以Web為基礎的瀏覽器。

Web的接入服務、實驗環(huán)境的開放、動態(tài)的網(wǎng)頁都是Web主要提供的。客戶端機安裝的軟件主要有Labview、Multisim這種專業(yè)的軟件，當然還包括一些其他的專業(yè)軟件，這些軟件主要是為了客戶端瀏覽器和操作系統(tǒng)的安裝。

三、基礎實驗教學中如何應用虛擬電工電子實驗平臺

設計和開發(fā)虛擬電工電子實驗平臺的主要目的在于為學生提供一個實際操作前進行練習的平臺，基礎實驗的整體教學模式是先預習再實訓。學生在進入實際的實驗室之前，要先在虛擬電工電子實驗平臺上進行練習，再進行實際的操作。

（一）虛擬儀表儀器學習系統(tǒng)

學生可以在電腦上自主使用虛擬儀表儀器學習系統(tǒng)進行儀表儀器的了解和練習。該系統(tǒng)豐富的元器件庫為學生提供了充足的器件，如信號發(fā)生器和示波器，學生通過元器件庫提供的器件分析儀表儀器的原理和結(jié)構(gòu)，也可以練習如何使用相關儀表儀器。在進入實驗室以后能夠快速上手，減少失誤，減輕教師的教學量，在有限的時間內(nèi)獲得最多的知識和最好的實驗效果。學生對Labview這些虛擬軟件的應用和了解，能夠為學生在將來的工作中提供很大的便利。

（二）電子虛擬實驗系統(tǒng)

實驗箱和虛擬實驗進行的電壓和電流測試是形似的。二者對于電壓和電流的測試分析都只能看到電路符號，實現(xiàn)方法也都是連接線的改變，在測試點上連接示波器和萬用表。電工電子虛擬實驗系統(tǒng)建立的實驗教學模式是“先仿真再實訓”，能夠使實驗效果和效率得到很大的提高。基礎實驗具有很強的科學性和操作性，在于提高學生的實驗水平和技能，因此在實驗中，學生可以根據(jù)自己的興趣選擇喜歡的實驗項目和內(nèi)容進行大膽的實驗，使思維活躍起來，激發(fā)思維的發(fā)散性和思維的創(chuàng)造性，隨意進行電路的改變，并認真觀察和總結(jié)，從而提高學生實驗的操作興趣和思維發(fā)散能力。

既然是用于教學中，那么教師的教學也要充分利用虛擬電工電子實驗平臺，在實際實驗前通過該平臺講解原理，展示仿真操作，方便學生的學習和理解。

基礎實驗教學中虛擬電工電子實驗平臺的設計和開發(fā)，是學生擁有預習平臺的前提保障，能夠減少實際實驗中操作的失誤，提高教學效率。但是，虛擬實驗電工電子實驗平臺并不具有實際實驗的全部特點，主要的操作還要依據(jù)實際實驗而獲得，因此基礎實驗教學中要對虛擬電工電子實驗平臺有正確的認識并能合理使用，以提高學生的實驗水平和技能，促進基礎實驗教學的良好發(fā)展。

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