電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)與實踐

樓靜梅 閆茂德 朱禮亞

[摘 要] 以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，通過對軟件資源、信息化設(shè)備、實驗課程資源等的整合，組建了以豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)能力、拓展實踐領(lǐng)域、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的的電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。近幾年的實驗教學(xué)結(jié)果表明，虛擬仿真實驗教學(xué)方式的引入有效地解決了傳統(tǒng)實驗上課時間和場地的限制問題，教學(xué)資源的使用更為便捷，為學(xué)生提供了更為豐富的實踐內(nèi)容和更為靈活的實踐形式，推動教育資源共享;實驗教學(xué)效果、實驗教學(xué)效率、實驗教學(xué)模式、實驗管理和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新技能等方面都取得了明顯成效。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實驗教學(xué);電工電子;資源共享

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0149-04? ? [收稿日期] 2020-06-29

電工電子類課程是工科院校電類和部分非電類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實驗環(huán)節(jié)的實踐性較強，在整個學(xué)生培養(yǎng)體系中起著承上啟下的作用，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時對于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力具有重要意義。

一、傳統(tǒng)電工電子實驗教學(xué)模式存在的問題

近年來，招生規(guī)模逐步擴大，電子技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電工電子實驗中心的實驗設(shè)備、教學(xué)方式和管理模式已不能完全滿足現(xiàn)階段人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)需求，必須對其進行改革。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題如下[1，2]。

1.因?qū)嶒灂r間和實驗設(shè)備的限制，學(xué)生在預(yù)習(xí)階段通常只能看實驗指導(dǎo)書，無法提前熟悉實驗設(shè)備和實驗操作，對實驗原理的理解浮于表面。此外，因?qū)嶒炘O(shè)備有限，在實驗課堂內(nèi)也無法保證學(xué)生人手一臺，往往是每次實驗2～3人一組，嚴重影響了實驗教學(xué)效果。

2.傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式過于單一，基本上還是延續(xù)教師講解原理、演示實驗操作，學(xué)生模仿、記錄數(shù)據(jù)并填寫實驗報告的教學(xué)模式;而實驗成績主要參考學(xué)生出勤率和實驗報告評定，無法客觀地反映學(xué)生實際的工程實踐能力和綜合運用能力。

3.受場地、儀器、實驗教學(xué)耗材成本、上課時間等限制，實驗以驗證性實驗為主，綜合設(shè)計類實驗項目安排得較少。對于驗證性實驗，學(xué)生在實驗過程中只需機械性連線，參數(shù)或者結(jié)構(gòu)幾乎不能修改，這就在一定程度上造成理論知識與實踐操作的脫節(jié)，不利于學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合運用能力的培養(yǎng)。

二、電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)

虛擬仿真實驗教學(xué)是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容[3，4]。長安大學(xué)根據(jù)國家和教育部有關(guān)文件精神，以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，依托國家級“交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，組織開展了電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)工作。電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用正好完善和彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，一方面可以最大限度地共享實驗資源，降低實驗成本;另一方面可以突破時空限制，豐富實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式[5]。

（一）實驗教學(xué)平臺框架設(shè)計

本校電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以“驗證型—綜合設(shè)計型—創(chuàng)新型”為主線，由淺入深、循序漸進開展分層分類教學(xué)，提高學(xué)生工程實踐能力及創(chuàng)新能力，為加強學(xué)生課外科技活動指導(dǎo)、開展電子設(shè)計競賽、工程訓(xùn)練等提供良好的平臺。電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺按訪問方式的不同，可以分為三大模塊，具體包括通過中心網(wǎng)站訪問的實驗室管理平臺、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺和通過客戶端訪問的遠程虛擬仿真實驗平臺，其具體功能如圖1所示。

1.遠程虛擬仿真實驗平臺。作為虛擬仿真實驗教學(xué)的核心部分，主要為師生提供了開放、互動、共享的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境。大學(xué)生創(chuàng)新管理平臺主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，目的是通過實際課題和項目的創(chuàng)新性訓(xùn)練，提高學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力。該平臺與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、飛思卡爾智能車大賽等相結(jié)合，可作為項目競賽的前期指導(dǎo)和培訓(xùn)環(huán)節(jié)。

2.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺。提供了實驗相關(guān)資料的查詢和下載（包括查看實驗教學(xué)計劃、大綱、課件、器件介紹、實驗預(yù)習(xí)演示等，下載相關(guān)實驗文檔），并可實現(xiàn)課程教學(xué)、課程觀摩、精品課程等的遠程網(wǎng)絡(luò)鏈接。學(xué)生可在線進行實驗預(yù)習(xí)、提交實驗報告、查詢實驗成績、預(yù)約開放實驗、評價實驗教學(xué)效果等。教師可以利用該平臺進行輔導(dǎo)、答疑、在線批改實驗報告等。

3.實驗室管理平臺。作為信息化管理服務(wù)部分，提供實驗教學(xué)、實驗場地和實驗設(shè)備等的管理功能。實驗教學(xué)管理包括實驗教學(xué)任務(wù)的安排和開課計劃的編制;實驗設(shè)備管理主要是將設(shè)備進行分類整理、建立電子檔案，記錄設(shè)備借用、維修、報廢、調(diào)撥等情況;實驗場地管理主要是登記各實驗室使用情況，并根據(jù)教學(xué)計劃和預(yù)約記錄統(tǒng)籌安排實驗場地。

電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺通過各子平臺間相互整合、補充，充分發(fā)揮了“遠程教學(xué)、虛擬仿真、開放共享、智能服務(wù)”功能。明確了教師、學(xué)生和管理人員在教學(xué)平臺中的責(zé)任權(quán)限，加強了彼此之間的互動交流，提升了實驗教學(xué)對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果，促進實踐教學(xué)質(zhì)量和效率不斷提高[6]。

（二）硬件方案

電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺是將電工電子實驗教學(xué)中心的所有實驗設(shè)備和器材制作成虛擬仿真實驗教學(xué)資源信息上網(wǎng)。電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的硬件由20臺網(wǎng)絡(luò)型高性能電工實驗裝置DGJ-1、30臺綜合模擬電子實驗裝置TPE-AG、30臺綜合數(shù)字電子實驗裝置TPE-D3II、2臺HP服務(wù)器、80臺計算機等組成。

三、實驗教學(xué)應(yīng)用情況

電工電子虛擬仿真典型實驗項目是依托長安大學(xué)電工電子省級實驗教學(xué)示范中心進行建設(shè)的，依據(jù)“虛實結(jié)合、相互補充”原則，以提升教學(xué)效果、提高實驗效率、降低實驗成本為目的，采用Multisim、Altera Quartus II、電子設(shè)計仿真軟件等軟件，通過自主研發(fā)網(wǎng)絡(luò)化遠程虛擬實驗平臺搭建實驗環(huán)境，開設(shè)了電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)、EDA綜合實驗等虛擬仿真實驗項目。

（一）虛擬仿真實驗教學(xué)提升教學(xué)效果

虛擬仿真軟件具有理想化的模擬環(huán)境，可以提升實驗效果。例如，差動放大電路實驗，由于元件之間差異性，完全對稱的電路在實際實驗中無法達到，而虛擬仿真完全可以滿足要求，因而可以有效減小誤差，加深學(xué)生對差動放大電路作用的認識。再比如，利用仿真軟件模擬串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，通過設(shè)置多個參數(shù)檢測端子，可以觀測到交流電轉(zhuǎn)化為直流電的整個過程，給學(xué)生留下直觀而深刻的印象，有效提升實驗教學(xué)效果。

（二）虛擬仿真實驗教學(xué)提高實驗效率

1.虛擬仿真實驗教學(xué)提升課前預(yù)習(xí)階段效率。教師提前將實驗教學(xué)大綱、具體的實驗項目、實驗運行表、實驗指導(dǎo)書、實驗指導(dǎo)PPT、實驗視頻等內(nèi)容提前發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺。學(xué)生可以提前在電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上進行預(yù)習(xí)，以便提前了解實驗背景、實驗?zāi)繕恕嶒炓蠛蛯嶒炈_到的預(yù)期效果。

2.虛擬仿真實驗教學(xué)提升實驗階段效率。虛擬仿真軟件提供簡潔高效的設(shè)計過程，可以提高實驗效率。例如，數(shù)字電子技術(shù)中的電子秒表實驗，在虛擬環(huán)境中完成元器件的選取、連接、功能仿真等過程，避免了實驗中復(fù)雜的連線過程和可能出現(xiàn)的偶發(fā)性故障，大大提高了實驗效率。

3.虛擬仿真實驗教學(xué)提升實驗結(jié)果審核效率。實驗結(jié)束后，學(xué)生可以在線提交實驗報告。教師可以根據(jù)平臺中記錄的虛擬實驗和實物實驗的完成情況、學(xué)生提交的實驗報告，更加客觀、多方面地綜合評定學(xué)生的實驗成績。

（三）虛擬仿真實驗教學(xué)提升創(chuàng)新能力

電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺形成了一套強化學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課外自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，應(yīng)用和建設(shè)軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，開展了“學(xué)生個人終端、虛擬實驗室、實驗教學(xué)中心平臺”三位一體的實驗教學(xué)方法改革。

（四）虛擬仿真實驗教學(xué)提升管理效率

實驗室管理人員在教學(xué)平臺上建立實驗設(shè)備、實驗場地的電子檔案。管理人員可以通過實驗室管理平臺實現(xiàn)對實驗教學(xué)、實驗設(shè)備、實驗場地、預(yù)約的實驗進行統(tǒng)籌安排，既可以提高實驗資源的利用率，也可以合理調(diào)配實驗資源。

（五）虛擬仿真實驗教學(xué)推動實驗教學(xué)資源共享

虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)了實驗的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，有力地推動了實驗教學(xué)資源的共享，為實驗類課程的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”提供了有效手段。教學(xué)資源共享分以下三部分實現(xiàn)。

1.校內(nèi)共享。電工電子虛擬仿真教學(xué)實驗平臺建立了良好的資源共享機制，全校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實驗都可進行相關(guān)實驗，或者以該平臺為硬件依托，開發(fā)與其教學(xué)更為相近的虛擬仿真環(huán)境，進而開展相關(guān)虛擬仿真實驗。目前，在學(xué)校校園網(wǎng)范圍內(nèi)已實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺課程的查詢、預(yù)約、實驗課程介紹及部分講義共享。利用中心專用網(wǎng)站（http：//tvm.chd.edu.cn），學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)查閱教學(xué)大綱、課件、儀器使用、實驗成績等教學(xué)信息，預(yù)約實驗時間、內(nèi)容及實驗室，并與教師直接就仿真等問題進行交流。后續(xù)將進一步在網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)部開放自主預(yù)約、自主安排上機時間、預(yù)約到機位服務(wù)，減少管理員介入。

2.校際共享。電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺每年為西安建筑科技大學(xué)、西安科技大學(xué)、西華大學(xué)、聊城大學(xué)、青海警察學(xué)院、陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院、四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院、浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院等相關(guān)課程提供教學(xué)實驗服務(wù)。后續(xù)將逐步實現(xiàn)與國內(nèi)外高校、科研院所在系統(tǒng)研發(fā)和軟件制作等方面的合作共享，校外的資源開放共享，也可為企業(yè)提供虛擬仿真實驗服務(wù)。

3.社會化共享。對社會化需求，本平臺目前僅提供了預(yù)約接口、共享了部分參考資料。相關(guān)從業(yè)人員或自學(xué)人員可通過網(wǎng)絡(luò)提出預(yù)約申請，平臺管理員將視內(nèi)部時間予以安排。后續(xù)將逐步放開對社會化的共享端口，推動“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的社會化進程。值得注意的是，虛擬仿真只是一種實驗方式，不應(yīng)該也不可能完全取代傳統(tǒng)的實驗方法，二者應(yīng)當(dāng)取長補短、有機結(jié)合，方能達到事半功倍的效果。開展虛擬仿真教學(xué)，一是有利于學(xué)生盡早掌握和了解各種仿真軟件的使用方法;二是學(xué)生利用仿真軟件，可以在實物實驗教學(xué)前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，掌握實驗原理，熟悉實驗設(shè)備、器材等，這樣可以減少因?qū)嶒炘O(shè)備、儀器不熟悉和操作不當(dāng)造成實驗設(shè)備的損壞;三是學(xué)生在做實驗時，可將實測值和虛擬仿真得到的理論值進行比對，真正做到虛實結(jié)合，形成了一套循序漸進的“理論—仿真—實踐”的教學(xué)體系，逐步將抽象的理論概念通過仿真進行驗證，加深了理解并轉(zhuǎn)化為實際電路，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)束語

電工電子實驗教學(xué)中心負責(zé)全校的電路理論、電工學(xué)、模擬電路及數(shù)字電路的實驗教學(xué)工作，面向全校科研探索和技術(shù)開發(fā)的優(yōu)秀學(xué)生開放，承擔(dān)學(xué)校大學(xué)生電子設(shè)計競賽、飛斯卡爾智能汽車競賽等重要賽事的組織和指導(dǎo)工作，2005年獲批陜西省實驗教學(xué)示范中心。

參考文獻

[1]朱禮亞，閆茂德，關(guān)麗敏.基于虛擬仿真電工電子實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2018，16（2）：129-133.

[2]姜德晶.電工電子虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的探索

[J].科技論壇，2018（19）：114-115.

[3]張敬南，張繆鐘.實驗教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（12）：102-105.

[4]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[5]張雪輝，劉素貞，李華，等.引入虛擬仿真技術(shù)，促進電工學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報（增刊），2010（9）：191-193.

[6]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：140-144.