基于Proteus 的智慧實驗系統的教學研究與設計

盧彪，談成訪，邱慧麗，梁楠楠，高銘悅

（宿州學院 信息工程學院，安徽宿州 234000）

傳統本科高校電子電工類的課堂教學和實驗教學以教師理論講授和實驗教學為主，學生不能主動吸收理論知識和快速提高動手操作能力，課程的教學效率、教師和學生的積極能動性相對較差[1]。為了提高教學效果，將傳統的電子電工類的專業實驗室改造為智慧型教學實驗系統，為課堂理論轉換為實踐操作提供便利，能多方位解決師生課堂教學的主觀能動性和效率[2]。

基于Proteus 的智慧實驗教學系統搭建了智慧實驗教學平臺和硬件實驗系統，提供了教學系統方案、實驗內容和實驗教學系統功能等設計。該教學系統實現了“互聯網+”和物聯網技術的運用，能大大提升實驗資源的性價比、實驗空間和教學資源的利用率，為智慧校園實驗教學建設提供了良好的支撐[3]。

1 Proteus 智慧實驗教學系統平臺

1.1 Proteus 實驗教學平臺設計

基于Proteus 的虛擬實驗教學平臺系統主要包含了網絡系統、教學相關軟件和Proteus 實驗教學系統三部分。實驗教學系統主要可以實現信號與系統實驗、數/模電實驗、電路實驗、DSP 實驗、ARM 實驗、8086 實驗、PCB 布線實驗和單片機實驗系統。軟件平臺主要實現了ASF/VSM/ARES、Proteus ISIS 和Proteus Prospice 軟件教學平臺[4]。基于proteus 虛擬教學平臺的綜合設計與創新實驗教學系統設計如圖1 所示。

圖1 基于proteus 的綜合設計與創新平臺總體設計

1.2 硬件實驗系統平臺架構設計

Proteus 硬件仿真教學平臺內容主要包括了（1）混合仿真實驗：電路分析、模擬電路、數字電路、高頻電路、信號系統、通信原理和傳感器原理等實驗；（2）嵌入式仿真實驗：微機原理、單片機原理、自動控制、數字邏輯、計算機組成原理和系統結構等實驗；（3）流程圖編程：電子導論、數字系統創意設計、物聯網系統和機器人系統等實驗；（4）PCB 設計：電子工藝制作、CAD 制圖和電子產品創意設計等實驗[5]。基于Proteus 的硬件實驗系統設計圖如2 所示。

圖2 基于Proteus 的硬件實驗系統設計

2 智慧實驗教學整體方案設計

2.1 實驗教學系統方案設計

本方案可以實現在線仿真實驗、軟硬結合、虛實互補的實驗教學系統，系統結合傳統面授與在線實驗特點，將課前實驗任務預習、課中考核與交互、課后復習與評估等環節無縫銜接，從而呈現了一個“時時，處處、人人”開放共享型的數字化學習實驗課堂，提升實驗教學效果與質量[6]。實驗教學系統方案設計如圖3 所示。

圖3 實驗教學系統方案設計

2.2 實驗教學系統內容設計

系統內容包括：課程管理、資源建設與管理、實驗教學、學習資源、在線互動、學情分析、成績管理，課外學習、實驗預習、實驗復習、課后作業、小組管理、在線簽到點名、在線儀器測量監控、在線仿真實驗、實驗數據/圖像采集、電子實驗報告、報告智能化在線批閱、智能考核、交流答疑、評估評價等功能，為師生在課堂內實現一對多的智能在線互動實驗教學考核體系。同時為翻轉課堂、一體化課堂、MOOC 課等教學形式提供了強大的實驗輔助支撐[7]。

3 實驗教學系統功能設計

3.1 專業課程群共建共享設計

該功能覆蓋整個實驗教與學全過程，集課程內容、課程實驗、學習資源、課堂考核、作業、通知公告實現課程專業的深度融合，促進學習生態良性循環。學生可以跟隨老師同步學習，也可以課下自主學習。

（1）優質課程：一體化系統資源庫與教師資源庫的共同搭建，系統自帶多種優質電子基礎課程資源（實驗庫、考核庫、作業庫），支持教師一鍵導入文檔，可上傳視頻、課件、實驗設計模版等資源。

（2）課程教學管理：該系統支持一位教師建設多課程教學管理，或者單課程由多位教師共同管理與維護、增刪查改、參與實驗項目的設計、實驗預習、布置作業、交流協作、統計評測、教學協作及成果評測、課程動態、課程鏈接管理等功能；

（3）資源建設與管理：支持多個課程資源課件同時上傳，支持多種文件格式在線轉碼和預覽，統計分析每個資源的使用情況，實驗項目資源種類至少包含：實驗案例、微視頻，工程或源代碼，實驗教學原理、實驗內容、實驗模板、實驗步驟與實驗結果校驗等。

3.2 學習報告智能教學環節設計

（1）課程實驗環節流程設計

支持學生在線便捷快速撰寫實驗/考核/作業報告，除了標準的文本，一件導入word 文本、圖像自動快速生成報告，任意截取仿真結果實驗現象及手機拍攝實驗結果即刻上傳，內置強大的計算公式庫，隨時隨地編輯保存實驗報告，解決學生繁瑣的實驗報告過程，告別傳統厚重的紙質報告，提高報告完成效率[8]。課程實驗環節流程如圖4 所示。

圖4 課程實驗環節流程

（2）課程作業環節

系統支持作業模式：課下作業和課堂作業。課下作業由個人作業和小組作業構成，課堂作業只針對課堂老師臨時發布的作業，系統提供給學生兩種應用場景下的作業提交方式。

課下作業模式：教師可以根據教學需求發布個人作業，也可以發布小組作業，將所任課程班級下的學生劃分成幾個學習小組，設立組長一名，小組成員共同完成報告編輯，對組員評分后，組長統一提交。

課堂作業環節：老師可以隨堂發布小作業，即時批改作業，以一種高效、便捷、直觀的方式了解學生對本堂課程知識的掌握情況。特定教學場景只需教師電腦端發起課堂作業，學生不僅可以借助PC 端上傳作業，還可以手機掃碼拍照上傳作業，最終形成智能化電子報告。

課程考核環節：多題型考核，自由組卷，配合隨機考核和整班考核方式，讓考核更具靈活性；技術防偽，保證考核真實性；課程考核環節流程設計如圖5 所示。

圖5 課程考核環節流程設計

3.3 智能評估評價體系

多種模式評判方式：實驗結果自動批改功能：支持學生提取后的實驗數據在線注入或填寫到實驗表格中，包括測量的實驗區間數如：0.2～0.5V、中文等字符，提交實驗結果后系統自動評判，給出對錯，提高批改效率；

報告智能化批閱：對于學生提交的報告系統自動生成規范的文本，教師在線批注、畫圈、批閱，同時對學生仿真實驗結果在線預覽，無需下載學生提交的工程文件，節約教師時間，報告批改結束給出評語意見總結，添加積分鼓勵評價，對象多樣化：系統除支持個人單獨提交報告批閱外，還支持小組提交，由組長對小組成員評分后，教師再給整組評分。

3.4 實驗教學數據實時交互

Proteus 仿真數據實時采集：可以截取仿真軟件的動態實驗現象插入報告，進行仿真實驗預習、模擬實驗操作；通過系統可以獲取Proteus 的實時實驗數據，實驗結果生成圖片，并加上時間戳以保證報告的真實性。實驗教學數據實時交互如圖6所示。

圖6 實驗教學數據實時交互

實驗教學數據實時交互主要包括：（1）主流儀器數據截取：儀器連接電腦后，可以采集主流廠家的儀器設備數據，智能實時數據測量，詳實記錄實驗數據/圖像在線保存，為實驗過程評價和實驗報告評價提供有效的數據基礎。（2）動態儀器監測：學生可以通過系統智能提取實驗數據/圖像，教師對學生的實驗儀器進行實時監測與管控，在線設置學生設備儀器初始化，實時掌控學生實驗過程，從而真正意義上實現軟硬結合、虛實互補的理念，為實驗教學提供更為高效、便捷的支持。（3）在線互動跟蹤與指導：支持課程下的師生在線交流互動答疑、可自定義選擇開放交流時間和一鍵關閉禁言功能，支持學生私密教師留言，同時課程教師可以隨時刪除學生的不正言論和系統自動屏蔽敏感詞匯，詳實有效記錄學生學習過程、討論過程。

3.5 教學數據統計分析

數據統計分析與反饋：教學實驗數據可視化呈現，通過平臺挖掘提取教師日常教學任務計劃，課程建設情況，報告評語批改情況、資源使用率情況，高發錯誤問題點及學生的日常預習，學習興趣，教學效果等多維度數據，快速生成直觀精準的統計圖表。

在線簽到點名：支持教師手機或PC 在線發起點名，學生手機簽到或掃描系統隨機生成的一分鐘有效二維碼進行簽到、同時記錄學生手機型號與簽到IP 智能判決代簽到異常行為，支持一鍵簽到，缺勤、請假，并生成統計圖表批量導出考勤數據；

問卷調查：支持針對課程實驗創建問卷，對課前情況統計、課中知識點提問、課后掌握程度調查，對于學生提交問卷內容自動批改，結果統計、對比、分析。

4 結語

基于Proteus 的智慧實驗教學系統通過Proteus 仿真平臺，實現了實驗預習、測驗與仿真實驗的功能。學生在線獲取實驗數據并生成實驗報告，老師可在線批注與評價。滿足多個電子基礎課程的實驗教學要求，通過網絡提交或獲取實驗數據，支持現場實驗考核。構建相應課程的實驗教學資源和學習空間，對實驗測試和實驗考核實現智能診斷。根據學生預習、測試或實驗考核情況生成統計分析圖表。該教學系統適應更多用戶需求，多要素實現時間上的統一調配管理，避免時間沖突，為教育教學精細化管理提供了教學基礎。