虛實結合的遠程實驗開展方式的探索
——以數字電子時鐘設計為例

張輝，樊亞妮

（廣東第二師范學院 物理與信息工程學院，廣東 廣州）

一 課題背景與目的

自新型冠狀病毒肺炎疫情爆發以來，教育部發布通知延期開學，工業和信息化部聯合發文通知“停課不停學”，各大高校結合本校實際情況紛紛制定在線教學方案，開展教學內容改革與教學方法創新[1]。

在此背景下，基于騰訊課堂、超星學習通、雨課堂、釘釘等在線平臺[2]，高校教師開展了豐富多樣的在線課程教育。這些創新式的教學模式在理論課講授上起到了積極的意義，與傳統線下授課比較，也能達到同等效果。但對于工科大量的配套課程實驗，以上提及的各種在線課堂模式顯得力不能及。部分課程改用仿真代替真實硬件實驗，用mulitisim或proteus等軟件完成電路、模擬電路、數字電路、單片機等課程的實驗。該方式的優點是方便簡單，只需有一臺電腦，安裝仿真軟件即擁有一個仿真實驗室，可完成各種仿真實驗，計算數據形成實驗報告。缺點是缺乏直觀性，對于工科學生動手能力的培養非常匱乏，學生無法觸摸到真實的元器件，不需要插線、連線、排錯，缺少實驗真實性，不利于工科人才全方面能力的培養。對于部分必須使用到硬件器材的實驗，例如手工焊接收音機、手工制作PCB板、金工實習等課程，只能往后推遲。打亂了既定的人才培養方案的正常執行，不利于學生的學習和成長。

虛擬仿真實驗一直是工科實驗的有效補充方式，在電子技術專業比較著名的有美國NI公司的mulitisim、英國Labcenter公司的Proteus、北京大風天利科技有限公司的仿真軟件涉及能源、軍事、科研等各個方面。教育部一流本科課程建設，也于2019年確立了首批國家級虛擬仿真實驗教學課程一流名單。在日常的教學中，任課教師在課堂內使用仿真軟件進行教學，簡單、生動且直觀，能有效提高教學質量。虛擬仿真實驗解決了傳統實驗的時間空間受限的問題，本質上是傳統理論教學的延伸，把在實驗室進行的真實實驗借助軟件搬遷到計算機上完成，用數學模型構建的硬件模型代替真實的電路元器件，通過修改參數，搭建虛擬電路獲得實驗計算輸出數據。虛擬仿真缺乏硬件的實際特性。例如模擬電路的運算放大電路，使用Mulitisim的LM358DR模塊，缺少芯片固有溫漂參數值，學生無需對溫漂導致的影響進行抑制。又如數字電路的組合邏輯電路，由于使用理想化數學模型，不存在競爭與冒險，學生不會對競爭與冒險帶來的負面后果進行防范，失去一次理論與實踐相結合的機會。

二 遠程虛擬實驗的開展和探索

（一） 解決方案的提出

工科實驗要點是“虛實結合”，虛指的是虛擬仿真，如電路、模擬電路、數字電路常用的Multisim，微機原理和單片機課程常用的Proteus，其共同的特點是用計算機仿真代替硬件設備，軟件中包含豐富的元件庫和儀器庫可供使用，通過算法得到輸出的負載響應，自動忽略實際電路中的微弱影響，如溫漂、零漂、競爭與冒險。實指的是真實的硬件實驗器材。在實驗室做物理實驗，要考慮到本地的重力加速度值、空氣阻力、接觸電阻、空氣濕度等環境因素對實驗結果造成的影響。虛擬仿真實驗不考慮微小因素帶來的影響，學生對實驗影響因素考慮不夠全面，不利于精益求精的工匠精神培養。

與理論研究型高校不同，應用型地方本科院校更傾向于培養具有一定動手能力，能進行實際操作的應用型本科專業人才。工科實驗的教學改革不僅僅是實驗場地的遷移，還要調動起每年投入數十到幾百萬經費購入的實驗器材，讓學生能接觸到真實的實驗器材，有機會對實驗中發生的各種情況做探究。鑒于疫情仍可能長期存在，居家上課的模式還會時有發生，學生的實驗不能停，也不應完全用仿真代替，既要兼顧線上與線下，也要兼顧虛實，讓學生有機會接觸到真實的實驗器材。遠程虛擬硬件實驗是一個很好的解決方案。

（二） 遠程虛擬實驗平臺的搭建與測試

本文用數字電路的數字電子時鐘設計為例，探討基于NI Elvis III的遠程虛擬實驗的實現方法。這套實驗系統包括一臺安裝有LabVIEW的計算機和NI Elvis III 的工作平臺。NI Elvis III是美國國家儀器公司生產的第三代虛擬儀器實驗平臺，相比第二代產品，第三代的Elvis支持通過互聯網進行遠程實驗操作[3-4]。不管學生身處何方，無論距離遠近，只要能連上互聯網，就能通過web端的Measurements Live訪問ElivsIII實驗平臺，調用平臺提供的虛擬仿真儀器，對平臺的硬件電路進行操控和測量。電路的信號源是Elvis III提供的真實信號，包括交直流電壓源、交直流電流源以及信號發生器[5-7]。實驗平臺提供了面包板作為電路的搭建平臺，學生需要先在面包板上搭建好設計的電路，接好輸入信號源和輸出測試設備。由于測量的是真實硬件電路，前文所提到的溫漂、零漂、競爭與冒險等情況都有可能會出現，對最終的測試數據都會造成影響。當最終數據與理想數據有出入時，教師應引導學生去反思出現該種情況的原因，應如何解決。由此提高學生分析問題和解決問題的能力，效果要比單純的計算機仿真好得多。

基于Elvis III的數字時鐘電路設計具體實驗方案描述如下。

首先將Elvis III實驗平臺和計算機用USB線連接并啟動平臺電源，將原型板推入安裝支架和插槽，在原型板上搭建實驗硬件電路，如圖1所示是秒電路及其硬件電路。實驗電路主要分為三個部分：施密特觸發器構成的整形電路，二十四進制和六十進制的時分秒電路，鬧鈴電路。啟動Measurements Live文 件， 打 開 https://measurementslive.ni.com/。點 擊 Instruments ? Function and Arbitrary Waveform Generator，打開函數發生器軟面板。在instruments菜單中可以對函數發生器、示波器、萬用表等測試儀器進行設置[8-10]。

圖1 秒60進制電路圖及其原型板硬件模塊的實現

其次進行網絡配置，讓Elvis III連上互聯網，學生可任何能夠上網的地方遠程操作。用網線將Elvis III連接至帶有“公網網絡”的路由或網口，檢查Elvis III小顯示屏中是否出現ID號，如出現ID號則說明已成功聯網，聯網界面如圖2所示。

圖2 Elvis III小顯示屏顯示的聯網ID號

最 后 打 開“Measurements Live”， 點 擊＞＞Measure＞＞選擇Network＞＞輸入屏幕顯示的ID號＞＞點擊連接，連接成功后就可以實現遠程儀器的訪問使用。

在本實驗中，使用施密特觸發器的整形功能，把正弦波整形為方波，作為數字時鐘電路的時鐘 脈 沖。點 擊 Instruments ? Function and Arbitrary Waveform Generator，打開函數發生器，設置正弦波的頻率和振幅，在原型版用示波器采集響應信號，可在網頁界面看到真實硬件電路產生的整形后波形，如圖3所示。由于是真實硬件電路整形出來的波，如有毛刺，也能通過示波器觀察到，學生需進一步思考，如何去除毛刺，這是單純軟件仿真難以比擬的。

圖3 經由整形電路形成的真實的時鐘脈沖信號

三 遠程虛擬仿真實驗的優勢與劣勢

（一） 遠程虛擬仿真實驗的優勢

1）安全，便捷，不受時間地點限制。遠程的虛擬仿真實驗相對于傳統實驗室實驗更能保障操作員的安全，符合疫情背景下“不扎堆，不聚集”的要求，能有效避免病毒的傳播。只要能聯網的地方，隨時都能進入實驗平臺進行操作，相較于傳統實驗的上班開門，下班關門的固定時間點，時間上要靈活很多。實驗地點也不受限制，只要能聯網的場所都能進入實驗平臺。

2）數據傳遞更方便快捷，更方便形成數據報告。相較于傳統實驗室實驗，遠程虛擬仿真產生的數據更方便傳遞，可直接通過網絡在客戶端和實驗室進行數據傳遞，按照規范格式形成報告或報表。

3）提供多元的學習條件。遠程虛擬仿真可以給學生提供更多方位及更多層次的觀察、操作和分析實驗的條件。學生不再是簡單機械地重復實驗步驟，而是有更多機會去全方面思考，能大大提高研究性和設計性實驗的占比。

（二） 遠程虛擬仿真實驗的不足

1）遠程虛擬仿真實驗時，教師與學生處于分離的狀態，實驗缺乏師生情感溝通，難以貫徹“因材施教”的原則。

2）遠程虛擬仿真實驗時，實驗過程中對硬件修改不方便，一旦確定了電路連接圖并已搭建好硬件電路，想要再次修改不方便。

四 結語

高校教育越來越專注學生能力及素質的培養，教學的模式要與社會經濟發展接軌，隨著高校招生規模不斷增大，學生人數的上升和實驗設備數量出現了明顯的矛盾。遠程虛擬仿真實驗可以解決傳統實驗教學的不足，讓學生使用網絡遠程訪問實驗室設備，為實驗教學提供了一種新的思路。基于NI ELVIS III的遠程虛擬仿真實驗可以達到線上實驗的效果，是傳統教學的有益補充。

遠程虛擬仿真實驗是以互聯網及實驗硬件設備為基礎條件，在虛實結合的實驗環境中，學生可以不受時間和空間的限制完成硬件實驗，而且避免了真實實驗操作的部分危險，尤其是高電壓、強電流的電力系統實驗。學生可以通過虛擬實驗，在更廣闊的學習環境中進行實驗學習，極大激發學生學習的動力和興趣，提高了學習的積極性和主動性，這對于學生的個性發展、創新能力培養、全面素質的提高具有積極影響。遠程虛擬仿真實驗還具有開放性，可以有力地推動學校各實驗室之間、各高校之間的相互協作與交流，實現資源共享，發揮各高校的優勢及特色，推進新方法、新內容和新技術在實驗教學中的應用，一起推動實驗教學改革。