電子電工實驗室發展趨勢及前景

朱艷萍， 張秀再， 陳金立， 祁博宇

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院， 江蘇 南京　210044)

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電子電工實驗室發展趨勢及前景

朱艷萍， 張秀再， 陳金立， 祁博宇

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院， 江蘇 南京210044)

電子電工實驗課程作為電子信息類課程的基礎實驗平臺課，在培養學生的基本動手能力和基本的專業知識方面起著較為重要的作用。 傳統電子電工實驗平臺存在一定的發展瓶頸，結合目前國內外著名高校及儀器供應商的發展，從實驗儀器多功能化、實驗室虛擬仿真和實驗管理系統智能化3個方面分析了未來電子電工實驗室的發展趨勢，為以后電子電工實驗室的建設提供新的思路和方法。

電子電工實驗室； 智能化管理； 虛擬仿真

面對電子電工智能化儀器的不斷推出，以及信息時代下網絡化的快速發展，傳統的電子電工實驗教學已經不能滿足新形勢下的教學要求，面臨各種各樣的問題。傳統的實驗教學主要依賴費用高昂的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等限制問題，致使實驗教學無法有效開展，嚴重影響教學質量。另外，有限的教師很難在有限的時間內細致地指導大批的學生，設計性和探究性實驗更是難以開展[1]。 目前，國內外一些知名高校的電子電工類的實驗課程，主要向儀器智能化、教師管理學生網絡化及實驗系統軟件化3個主要發展方向邁進[2-4]。

1　電子電工實驗室發展的主要趨勢

面對實驗儀器的多功能發展，以及強大的軟件功能，以后電子電工發展主要向以下3個方面發展。

1.1實驗儀器多功能化

傳統的實驗儀器功能單一，通常做實驗需要同時配置信號發生器、電源、示波器、毫伏表、萬用表等，實驗臺基本上擺滿了儀器，學生也常常因為不熟悉儀器的功能和作用而用錯儀器。目前，很多儀器公司，例如安捷倫公司、泰克公司、羅德與施瓦茲公司等，都陸續開發研制了多功能的實驗儀器(見圖1)，擺脫了傳統實驗儀器功能單一的缺陷，在使用上也更加智能化和人性化，除了可以進行日常的基礎實驗，也可以用于探索或創新性實驗[5]。

以泰克公司的“六合一”MDO3000系列示波器為例，它集成了示波器、全功能頻譜分析儀、邏輯分析儀、協議分析儀、全功能任意函數發生器和數字萬用表，幾乎可以提供對嵌入式設計進行測試和調試所需的全部工具，避免了使用獨立儀器的高昂成本。

圖1　集示波器、信號發生器、電源于一體的智能儀器

1.2虛擬仿真實驗教學

儀器雖然可以做到智能化，但目前的成本也比較高。一臺智能化的儀器(兼具示波器、信號發生器等功能)動輒上萬元，不利于推廣和普及，較適合于研究性需求。而虛擬仿真平臺的搭建可以有效解決成本問題，它不僅投入少，而且只需軟件升級即可達到系統的更新換代，也可以達到較好的環保效果。虛擬實驗室

作為高校實驗教學的一個發展方向，具備傳統實驗室所沒有的優勢: 建設維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高[6]。以潤尼爾公司開發的虛擬實驗室為例，除了可以滿足電子電工基礎實驗課程，也能夠開展高年級的設計性項目，不僅可以解決儀器的采購、元器件的浪費及減少污染等問題，也提高了實驗的靈活性[7]。

圖2為北京郵電大學對模擬電子線路中典型的單管共射放大器的虛擬實驗平臺[8]。仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境，也便于與真實實驗無縫對接。

虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改、實驗成績統計查詢等功能，為實驗教學環境提供服務并開展應用。

和傳統的實驗平臺相比，虛擬仿真實驗平臺具有更大的靈活性，升級方便，而且不存在器件燒毀、儀器損壞或更新換代等問題。

圖2　晶體管共射極單管放大電路實驗

1.3實驗室智能管理系統

隨著網絡普及和應用，智能管理系統(見圖3)可依托于校園網，整個系統管理具有以下特點[9]：

(1) 管理全程化。對儀器設備使用前、使用中、使用后的全過程進行管理。

(2) 維護簡單化。能夠對分布零散的儀器設備集中管理，充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設和維護成本。管理、維護更加方便有效、更加簡單易行。

(3) 運行環保化。能夠在設備共享服務過程中提高設備的使用壽命、節約設備的使用能耗，節能環保。

在虛擬實驗平臺的基礎上，實驗系統管理可以更加智能化，具有在線預約實驗內容及時間、簽到、實驗預習及實驗過程詳細指導、教師在線監控學生實驗情況、在線手動或自動批改作業等功能。能夠大大減少實驗室教師及授課教師的工作量，可以更多地去關注學生做實驗的情況，提高學生自主學習的能力。

尤其是在線批改作業(見圖4)，可以有效節約紙張，并避免學生相互抄襲。對基礎性實驗可有選擇地批改，其他使用自動批改功能，對創新研究性實驗可手動批改，學生可在網上隨時查閱批改結果。

圖3　實驗教學管理系統的教學管理與客戶端的功能

圖4　在線手動或自動批改實驗報告

英國雷丁大學系統工程學院的電子電工實驗也是以軟件模擬仿真為主，并利用良好的網絡平臺Blackboard進行理論和實驗教學的互動(見圖5)。利用網絡上的資料，學生能夠提前預習實驗內容，當完成實驗時又能夠及時打印并提交報告，這種方式可以有效地提高學生對實驗內容的快速理解和做實驗的效率，而且網站上建有討論版，可供師生探討。

2　前景展望

電子電工實驗是電類專業學生系統化接受電類課程學習的關鍵課程，能否扎實地掌握好電路和電子線路的基本理論和分析方法，對學生學習后續課程以及畢業后從事該領域工作將產生直接的影響。良好的實驗平臺建設可以增強學校現有科研實力，培養更多創新型人才，并提高學生接受新知識新技術的能力和科研素質[10-11]。

本課題研究在緊密結合廠商及學習國內外知名高校的電子電工實驗建設經驗和先進理念基礎上，提高我校該類實驗平臺的搭建，并為其良好的發展提出一些建議，為學生提供優質的實驗教學平臺。提升實驗平臺水平的意義主要體現在以下幾個方面：

(1) 有效地提升教師的實驗教學管理能力；

(2) 提升學生做實驗的效率和積極主動性；

(3) 增強實驗教學的互動性，以及實驗報告提交批改、成績查閱的快捷性。

(4) 降低傳統教學設備更新換代的繁瑣性和資金代價。

隨著網絡技術的發展、硬件儀器的智能化以及軟件技術開發功能的強大，將促進電子電工實驗室快速發展，也為人才的培養創造更好的條件，從而促進國民經濟的發展。

圖5　Blackboard的界面

References)

[1] 吳根忠, 盛華,李劍清.關于電工電子實驗教學改革的探索[J].高校與經濟,2006,19(4):62-65.

[2] 石松泉,沈紅衛,梁偉,等.虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理,2008,25(8):184-186.

[3] 刁鳴,王松武.國家級電工電子實驗教學示范中心建設的若干理論探討與實踐[J].實驗技術與管理,2008,25(6):1-5.

[4] 王亞軍,邸斌,陳寶遠.電工電子實驗教學的變革與學生能力培養[J].實驗室研究與探索, 2010,29(3):136-137.

[5] 諸玲珍.示波器市場逐年遞增 主流廠商爭搶商機[N].中國電子報,2008-08-26(010).[6] 鄒家柱,程品晶.高校虛擬仿真實驗室建設總結[J].中國電力教育,2014(18):80-81.

[7] 程楠楠.網上虛擬電工電子實驗運行系統的開發與研究[D].北京：北方工業大學,2007.

[8] 北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心[EB/OL].http://v.owvlab.net/openlab/.

[9] 吳文華,施鎮江,朱娟娟,等.智能管理系統在高校實驗室管理中的應用[J].實驗室研究與探索,2014,33(11):259-264.

[10] 何為,張占龍.綜合性大學立體式電工電子實驗教學模式[J].實驗室研究與探索,2009,28(7):85-87.

[11] 馬德貴,曹成茂,王碩.電工學課程教學改革的探索與實踐[J].中國現代教育裝備,2008(3):105-107.

Development trend and prospect of electric and electronic laboratory

Zhu Yanping, Zhang Xiuzai, Chen Jinli, Qi Boyu

(School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

The electronic and electric experiment as the basic technical course for electronic information major plays an important role in training the students’ operational ability and professional knowledge. There is a certain development bottleneck of the traditional electronic and electric experiment platform. Combining the construction and development of famous universities and instrument manufacture Ltd., this paper analyses the development trend from the following three aspects: multi-functional experimental apparatus, virtual simulation and the intellectualization management system of laboratory, which provides new ideas and methods for the future construction of the electric and electronic laboratory.

electric and electronic laboratory; intellectualization management; virtual simulation

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.065

2015- 06- 19修改日期：2015- 08- 05

南京信息工程大學信息與通信工程優勢學科人才資助教研課題

朱艷萍(1980—)，女，河南開封，博士，講師，研究方向為雷達信號處理.

E-mail：zhuyanping321@163.com

G482

B

1002-4956(2016)1- 0243- 04