基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路虛擬實驗室的設(shè)計與開發(fā)

（遼寧省鞍山市信息工程學(xué)校，遼寧 鞍山 114000）

[摘 要] 在新課改的背景下，各界對素質(zhì)教育的呼聲越來越高，當(dāng)今教育中，實驗教學(xué)起著舉足輕重的作用，它既能培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，也能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。但實驗教育課程存在一定的缺陷，比如實驗條件包括場地設(shè)備器材的不足制約學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)，阻礙學(xué)生實驗的教學(xué)，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)，所以如何運用網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上用計算機(jī)電路模擬實驗室進(jìn)行實驗仿真成為現(xiàn)如今我們面臨的一大難題。概述了基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路模擬實驗室，對基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路虛擬實驗室的設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行分析研究。

[關(guān) 鍵 詞] 計算機(jī)；電路虛擬；實驗室

[中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）14-0186-02

一、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬“實驗室”

（一）基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室及其作用

“虛擬實驗室”是指在計算機(jī)上借助硬件和軟件相結(jié)合采用仿真、建模以及多媒體技術(shù)，建立可以用來代替實驗操作或者代替部分實驗操作的實驗環(huán)境，并且運用計算機(jī)的軟件來模擬控制實驗的進(jìn)行，這樣我們即便是沒有實驗儀器，也能進(jìn)行實驗的模擬操作，節(jié)約了實驗器材設(shè)備成本，因為它是借助網(wǎng)絡(luò)建立的虛擬實驗室，它可以完成各種各樣的虛擬實驗的操作，方便又快捷。

基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路虛擬實驗室的建設(shè)和投入使用對我們提出了更高的要求，第一我們必須正確對待和處理好計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗和實物進(jìn)行實驗之間的關(guān)系，基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路虛擬實驗并不是真正意義上的實驗，只是對實物實驗的改進(jìn)和完善。兩者各有優(yōu)缺點，它們是相輔相成的，不管計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬實驗過程以及現(xiàn)象有多么的形象逼真，模擬實驗環(huán)境多么的相似，它也不能完全取代現(xiàn)實實物實驗，但是虛擬實驗可以達(dá)到一些現(xiàn)實實驗中所不能達(dá)到的效果，看到現(xiàn)實實驗中不能看到的現(xiàn)象，減少對實驗儀器的損壞。另外，要正確認(rèn)識和對待網(wǎng)上教學(xué)和網(wǎng)上實驗的關(guān)系，網(wǎng)上教學(xué)是借用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)，它包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的整個階段。網(wǎng)上實驗只是網(wǎng)上教學(xué)的一個重要組成部分。

（二）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室的要求

由上述對虛擬實驗室的闡述可以得知，基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)電路虛擬實驗室主要功能是進(jìn)行虛擬實驗，而且還應(yīng)具有輔助實驗教學(xué)的功能，并能借助網(wǎng)絡(luò)合理地利用遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的實驗教學(xué)資源。基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室應(yīng)該具備以下幾個方面的要求：首先就是一定要能創(chuàng)造足夠形象逼真的實驗環(huán)境以供實驗人員進(jìn)行實驗操作，同時實驗人員也可以在虛擬的實驗環(huán)境下對所用的任何一個元器件以及儀器等都能方便查找并熟練運用，還有就是對實驗的整個過程能夠做到全方位的仿真模擬，不能因為某一元器件的缺失而不能達(dá)到理想的實驗效果，還可以在其中增加一些和教學(xué)相輔助的教學(xué)功能，比如對實驗指導(dǎo)和實驗的演示，以及實驗的評價考核等功能。

二、基于網(wǎng)絡(luò)的“計算機(jī)電路虛擬實驗室”的設(shè)計

（一）實驗系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)組成

實驗操作系統(tǒng)是采用C/S技術(shù)和借助Web的三層結(jié)構(gòu)技術(shù)相互結(jié)合來實現(xiàn)的，C/S技術(shù)將主要的應(yīng)用邏輯在客戶端給予實現(xiàn)，可采用可視化開發(fā)工具開發(fā)客戶端應(yīng)用程序，如VB，Delphi等。在基于Web的三層結(jié)構(gòu)中，我們只需對應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行維修即可，減少了對客戶端的維修，這樣可以大大提高工作效率。

（二）系統(tǒng)組成

本計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電路虛擬實驗操作系統(tǒng)是一個可以進(jìn)行計算機(jī)虛擬實驗教學(xué)的網(wǎng)站。虛擬實驗系統(tǒng)在教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用，之所以能夠進(jìn)行模擬實驗操作，還要靠其他眾多輔助模塊的相互配合，從而構(gòu)建計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)。這些模塊可以幫助實驗人員更好地使用虛擬實驗操作平臺，是他們之間聯(lián)系的紐帶，既能幫助學(xué)生方便快捷地進(jìn)行模擬實驗操作，又能幫助老師進(jìn)行實驗教學(xué)，可謂一舉多得。我們根據(jù)教學(xué)的需要將系統(tǒng)劃分為虛擬、交流、資料、下載中心四個部分。

虛擬中心是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的重要組成部分，虛擬實驗部分是在計算機(jī)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的平臺，主要由三部分實驗內(nèi)容組成：基本、模擬以及數(shù)字電路實驗部分。各個部分又包括不同的電路模塊。儀器介紹包括了對整個儀器的介紹，以及實驗的操作步驟介紹，其中也有實驗報告模板，還有拓展的自評自測模塊。儀器介紹是對整個虛擬實驗的儀器的使用方法用動畫的方式進(jìn)行介紹以及電子元器件的使用方法。其中的實驗報告可以供學(xué)生在實驗完成后撰寫實驗報告，然后上傳到遠(yuǎn)程端，最后讓老師進(jìn)行查閱。自學(xué)自測板塊可以讓學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后評測，也有利于老師了解學(xué)生的掌握情況，并做出針對性的教學(xué)。另外，還有一個開放實驗?zāi)K，這樣學(xué)生就可以自己設(shè)計并進(jìn)行自主實驗，擺脫以往實驗教學(xué)中存在的限制，讓學(xué)生的創(chuàng)新動手實踐能力得到充分的發(fā)揮。

三、對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的開發(fā)研究

（一）實驗的基礎(chǔ)是實驗原理和背景

我們采用多媒體技術(shù)對實驗的整個過程進(jìn)行詳細(xì)的描述，以及實驗器材的應(yīng)用實驗的原理講解等，并借助圖形、文本、圖像等各種多媒體軟件爭取讓實驗達(dá)到最完美的效果。同時我們也將一些實驗過程錄成視頻，經(jīng)過后期制作也可以讓學(xué)生隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）仿真實驗環(huán)境的建立

1.現(xiàn)如今大部分的仿真軟件功能都比較強(qiáng)大，可以對電路原理圖進(jìn)行仿真，但是缺乏實物感，計算機(jī)電路虛擬實驗室的實驗環(huán)境是由仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)相輔相成，有機(jī)結(jié)合組成的。電路仿真就是以數(shù)學(xué)模型表示電子元器件或電路模塊，并且經(jīng)過準(zhǔn)確的計算分析以實現(xiàn)對電路的模擬以及功能分析。如果采用的模型足以和現(xiàn)實中的實物相媲美，則最后的實驗結(jié)果將會完美地展示電路特征，真正達(dá)到仿真的效果，實現(xiàn)電路最優(yōu)設(shè)計。

2.其次就是對數(shù)字電路的仿真。由于在數(shù)字電路中沒有像模擬電路中的SPICE軟件可以隨意使用，所以我們要開展兩個方面的工作：首先，是把常用數(shù)字邏輯芯片打包成邏輯運算模型以便以后在仿真實驗中的調(diào)用；其次，是對實驗環(huán)境和實驗操作的仿真，用發(fā)光二極管和數(shù)字開關(guān)，脈沖開關(guān)組成數(shù)字仿真平臺，這樣就可以逼真的顯示實驗結(jié)果。

（三）電子實驗報告的生成與管理

實驗報告的撰寫也是一個十分關(guān)鍵的工作，要對實驗原理進(jìn)行分析，提出實驗?zāi)繕?biāo)，寫出詳細(xì)的實驗步驟，并在實驗中對實驗數(shù)據(jù)、實驗波形、使用的元器件進(jìn)行記錄，并給出相應(yīng)的實驗結(jié)果，學(xué)生可以借助計算機(jī)方便地記錄示波器的波形，在完成實驗后對實驗進(jìn)行提問，老師可以借助這一平臺進(jìn)行答疑，學(xué)生上交報告后，老師在系統(tǒng)上即可對學(xué)生的實驗作出評價，還能幫助老師了解并掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，以及課堂中的難易點。

（四）界面設(shè)計

實驗注重的是情景教學(xué)，情景教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，比老師的單一講授更加生動形象，知識依賴于具體情境，脫離具體情境的抽象枯燥的知識只會讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩心理。因此，虛擬實驗系統(tǒng)的界面設(shè)計在整個系統(tǒng)中十分關(guān)鍵，界面的好壞將影響整個實驗的整體效果。為此，我們借助3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖像處理技術(shù)創(chuàng)造了一個近似真實的實驗環(huán)境，使學(xué)生如若身臨其境一般，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

基于網(wǎng)絡(luò)的“計算機(jī)電路虛擬實驗室”系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的教學(xué)效果。通過計算機(jī)電路基礎(chǔ)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，通過仿真實驗不僅可以解決實驗設(shè)備不足的問題，還可以幫助老師提高教學(xué)效果，有利于學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠享受高科技帶給我們的便利，讓高科技為教育事業(yè)作出新的貢獻(xiàn)。

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