网络交互型电子电路虚拟实验平台的研究与实现

程思宁

（海口经济学院信息工程学院 海南 海口 570203）

0 引言

实验在理工科教学中占有十分重要的地位，而且是教学活动中一个必不可少的环节，很多课程都是以实验为基础的。实验可以加深学生对所学理论知识的理解，增强学习兴趣，锻炼动手能力，及在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。在大力倡导素质教育的今天，办好实验对于培养学生的综合素质和实践技能是至关重要的。实验条件也是反映办学水平和科研水平的重要标志之一。

随着高等教育规模呈现跳跃式的扩大，原有教学仪器设备资源相对短缺，无法满足实验教学需要；资源分散，缺乏集中规划和有效管理；仪器设备陈旧老化，不能适应新的教学要求；学校财力物力有限，旧的实验教学模式越来越不适应时代发展要求。 又由于基础实验室是面向所有的工科专业，任务异常繁重，实验室常常只能应付学生按教学大纲的要求做一些最简单的验证性实验，学生很少有机会去反复熟悉常用仪器仪表的使用，更少有机会做设计性实验。这对调动学生学习积极性，培养创新精神，加强实践动手能力十分不利。

1 目前高校教学实验存在的问题

高校的设备往往比较陈旧，受经费的限制，不能及时更新，从而跟不上教育的飞速发展。传统实验室的局限性主要表现在以下几个方面：

1.1 地域和时间的限制。教师和学生要按照课表的安排，在指定的时间和指定的地点进行实验教学，否则无法进行正常的实验，其它的时间可能别的专业、别的班级的学生已安排实验，不能满足学生想做实验时场地、器件及仪器仪表使用的需求。

1.2 教学方式和内容的限制。传统的实验教学方式是教师事先确定本次实验的具体内容，包括实验原理、实验步骤、实验中的所有知识点、注意事项等，不管学生是否已经掌握，是否需要重点强调某部分内容，教师一般都针对全部学生讲解一遍，并准备好本次实验所需的仪器仪表，学生只需要按照相应的实验步骤一步步操作，记录相关的数据即可。因此，不能满足学生的个别需求，学生的主动性是极其受限的。

1.3 教学仪器的数量和质量的限制。随着高等教育规模呈现跳跃式的扩大，原有教学仪器设备资源相对短缺，学校实验仪器的采购，往往受自身经费的限制，其数量和质量都不能满足需求。因此，实验教学受到很大的限制，从而影响了教育的整体质量，极大的阻碍了学生实践能力的提高，造成学生的综合素质下降。

虚拟实验室的出现是对传统实验教学模式的一次变革，打破传统实验模式的局限性，提高实验教学质量，促使实验教学由实物教学向虚拟实验教学、向远程虚拟实验教学发展，是今后高校实验教学开放性的具体实现方式之一。

2 虚拟实验室的构建

网络交互型电子电路虚拟实验平台的是建立一种新型网络交互型实验教学模式，在该平台可以使学生在仿真环境下完成各种电路的搭建，虚拟仪器的测试，通过网络上传实验数据，学生可以通过网格与指导教师进行互动交流，指导教师可以通过网络对实验教学进行管理，针对学生设计不同程度的实验项目，对学生上交的实验报告进行批改。虚拟实验平台组成如图1所示。

2.1 仿真实验系统

图1

仿真实验系统主要包括电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、综合设计四大模块。这部分的主要研究内容：

2.1.1 制作相配套多媒体课件，主要介绍常用元器件的知识，集成电路的结构、特性及使用，仪器仪表的操作及仿真软件的使用等。

2.1.2 结合多媒体技术完成相应操作的视频信息，使学生通过自学就能对软件的使用一目了然。

2.1.3 设计完成包括教学大纲规定的所有实验。如电路中的基本定理、定律验证电路，RLC串联电路及谐振电路等；模拟电路中的二极管应用、三极管放大电路、功率放大电路、信号运算电路、信号产生电路、直流稳压电路等；数字电子技术中的组合逻辑电路、时序逻辑电路、A/D和D/A转换电路、555定时器应用等实验。

2.1.4 设计趣味性项目调动学生学习热情与兴趣。如电子仿声驱鼠器、多功能智力抢答器、红外遥控电子娃娃等等，使学生能够自己愿意去查找资料完成相应的设计，所需哪些器件及知识点，加深理论的理解。很多学生都是迫不及待完成实验，不必像等待传统实验室那样受开放时间和器件的限制。

2.1.5 根据不同专业、不同年级和不同能力学生的学习需求，建立分层次、模块化、开放式的实验体系。每个模块设计基础性实验、设计性实验、综合性实验和研究创新性实验，为学生提供自行设计实验的平台。

2.2 实验管理系统的实现

目前，虚拟实验室的体系结构主要有两种：一个是C/S（Client/Server）结构，一个是 B/S（Browser/Server）结构。 C/S 结构是大家熟知的客户机和服务器结构，它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，C/S结构采用二层体系结构，主要应用于专用网络或高速局域网中，整体性强，但开发及维护较困难。B/S结构是浏览器和服务器结构，是对C/S的改进。在B/S结构下，用户工作界面是通过浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓三层结构。在客户端可以直接使用浏览器进行数据的输入和输出，适用于广域网，灵活方便，升级容易，而且软件重用性好；用户的数据及相应处理操作都集中于服务器，安全性较高。因此，管理系统采用浏览器和服务器B/S结构。实现以下功能：

2.2.1 学生端

学生可从学生端登录查看学习课件及相关视频内容，自学常用器件、软件使用等基础知识，并提供相应的软件下载链接，方便学生下载安装；设置留言板功能，方便学生在实验过程及学习过程中遇见问题给指导教师留言；在交流讨论区，学生与教师之间，学生与学生之间可以自由的发表言论和观点，也可以资源共享，带动学生更多的学习热情。

2.2.2 教师端

对学生进行注册管理，学生的信息主要包括姓名，学号，院系，班级，性别等。对实验课程进行相应的设置与管理，提供相应实验的预习资料，仅给出实验所需完成要求，充分发挥学生的自我能动性，并定期根据学生的反馈情况调整创新实验中的实验项目；对学生上交的实验报告进行评阅。

2.2.3 管理员

管理员的主要工作是管理教师注册情况，以及对网络平台进行日常维护。

3 实验平台的应用

网络交互式虚拟实验平台可以使学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的收获，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解；可以实现从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交与批阅的全程操作与管理，完成实验教学的基本内容，具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新。因此，本项目提出的网络交互式虚拟实验平台研究有着重要的实用价值和创新意义。

3.1 实验时间、地点的开放。学生可以自己选择时间和地点，只要在自己想学习的时候就可以登录到实验平台，强调学生学习的主动性和研究性。彻底打破了传统实验由老师设计、学生操作的模式，给了学生一个充分发挥自己能力和想象力的空间。学生对电子制作的兴趣更浓，自愿远离网络游戏来完成自己的作品。

3.2 实验资源的开放性和共享性。资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。

3.3 虚拟实验室可以降低经费成本，提高教学科研效益。通过网络虚拟实验室，有效降低耐用品的消耗量，学生不必担心没有所需的实验器件或是仪器而不能对自己的想法进行验证，通过网络中的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”的观察实验现象和获得测试数据。

3.4 虚拟实验室更新快捷，易于操作与维护。实验操作和信号的分析、处理、存储、分析和其它管理集中交由网络和本地计算机来处理。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得实验系统变得更加灵活、简单。

4 结束语

在传统实验、实训已无法满足人们对实践技能需求的今天，寻找一条有效的途径来弥补传统实践手段的不足，是摆在我们面前亟待解决的课题。而在计算机软硬件迅猛发展的今天，虚拟实践环境以其先进的理念和得天独厚的优点，为实践教学提供了全新的教学手段，并正在成为传统实践教学的重要补充。

虚拟实验是教师辅助理论教学的一种有效方法，也是提高学生实验效率和质量的一种重要手段。但我们不能过分强调虚拟实验的优点，更不能用虚拟实验取代实物实验。将虚拟实验与实物实验有机结合起来，实践与理论并重，以培养应用型和创新型人才。

［1］马宏斌,何晓东,王东立.虚拟实验室管理系统的研究[J].信息技术,2005(6):92-93.

［2］龚成龙,陈霞,余洁.关于虚拟实践教学环境构建的探讨[J].教育与职业,2007(5).

［3］刘灿涛,等.基于虚拟仪器的电工教学实验[J].实验室研究与探索,2001,20(5):26-28.