针对中职电类课程的网络虚拟实验系统的开发与研究

张海峰

摘 要： 目前，随着虚拟仿真软件的普及，电类实验教学使用的网络虚拟实验环境已成为可能。虚拟电子实验通过在线仿真，使学生自由地根据自己的能力和课程设置进行相关实验，有利于培养学生独立学习的能力。

关键词： 虚拟实验室 仿真软件 网络教学

一、引言

本文针对中等职业技术学校对电工电子实验室的功能定位及基本要求，制订了基于网络虚拟化的电工电子实验平台的构建方案，使开发的实验平台实现虚拟的电类线路的搭建、参数调整、虚拟仿真、实验结果保存与数据恢复及多个实验电路设计方案的比较与分析。

虚拟实验技术为中职教育的电类课程教学提供丰富的拓展空间。在虚拟实验过程中，学生可以自由地选择适合的时间、地点、进度进行与课程内容相匹配的实验，可以个人单独或小组协同工作，并根据课程内容的相关知识点由学生自行安排实验进程。虚拟实验技术就是把实验内容的选择权、主动权交给学生。教师提供实验建议和实验评价，让学生根据自己所学课程的知识点，选择适合自己的并与课程知识点相关的实验，从而掌握专业知识。虚拟实验技术可以更好地培养学生自我评估和独立或团队合作的能力。

二、虚拟实验室的组成

依靠虚拟仪器构建的虚拟实验室，虚拟仪器是虚拟实验室的核心，是通过计算机软件模拟硬件模块的虚拟实验平台，即利用计算机软件模拟传统的硬件实验装置，以完成实验。因此虚拟仪器构建的虚拟实验室具有成本低、可重复使用、数据不易丢失等优点，这是传统的硬件实验平台无法比拟的。

如图1所示，虚拟实验室包括虚拟仪器系统，该虚拟仪器系统通过远程用户端、计算机网络系统、虚拟实验室管理系统进行连接并访问。

图1 虚拟实验室的组成原理图

在具体实施过程中，学生通过计算机远程登录到虚拟实验室的客户端，通过IE浏览器访问虚拟实验室。学生选择合适的课程项目后进入虚拟仪器的控制台，虚拟仪器的控制面板发出相应实验操作指令，包括设置实验参数，例如电阻、电容、三极管参数和型号，虚拟仪器接收到上述操作指令和实验参数后，学生通过虚拟仪器的仿真模块构建虚拟实验电路，并将实验获得的数据通过计算机网络返回给位于客户端的学生。教师可以通过学生的计算机网络实验获得相关数据，教师和学生可以同时或分别进行实验数据分析、自评或互评。

三、网上虚拟电工电子实验室的设计与实现

1.系统结构

网上虚拟电工电子实验平台采用B/S体系结构，以TCP/IP作为网络通信协议。利用Java的Applet技术设计前端的实验操作环境，利用Java的Servlet技术处理前端用户的请求。先对学生的操作请求做预处理电路分析指令，在Java代码中调用PPSpice软件对前端发送来的PSpice分析指令进行电路分析。学生只需通过网络对此框架内的虚拟器件进行模块拖拽和线路连接及属性编辑等动作搭建实验模型，并进行相关实验。虚拟的实验环境具有可视化、交互性、资源共享、安全性等特点。它符合远程教育对实验教学的要求，通过强大的交互功能营造了一个逼真的实验环境，其仿真实验结果和实际实验结果非常接近，并且更趋向理论计算数据。

图2为电工电子实验平台系统的模块结构图，主要包括五个模块：电路设计模块、仪器模块、实验电路存取模块、实验面板控制模块、实验仿真模块。

电路设计模块、仪器模块、实验电路存取模块、实验面板控制模块直接面向客户端，接收客户端的指令。电路设计模块包括：交互模块、元器件模块和电路连接模块；仪器模块包括：交互模块、参数模块和显示模块；实验电路存取模块包括：保持模块和读取模块；实验面板控制模块包括：各电路模块仿真单元，例如，供电模块（内含交、直流电压和电流模块）、电路案例模块，如由555搭建的各种时基电路、简单三极管测试电路。

实验仿真模块作为本电工电子实验平台系统的核心模块，包括仿真控制模块、数据收集模块、数据发送模块、数据接收模块、数据解析模块、数据发送模块。

图2 系统模块结构图

2.虚拟实验平台的体系结构

本电工电子实验平台系统软件架构分为四层：

（1）界面层：①学生搭建实验仿真电路图，并进行相关元器件的参数设置，该数据用.gra文件形式进行封装。②通过解析传输层反馈的实验仿真数据，该实验仿真数据同样采用.gra文件的形式，发送至计算机界面上，供学生检查实验数据。

（2）数据处理层：其主要作用是通过电路仿真软件PSpice将接收到的.gra文件进行解析，转换为.cir文件，然后进行电路仿真，获得电路仿真结果，并生成含有结果数据的.out文件。

（3）仿真层：实现上述数据处理层的主要步骤，即解析学生通过客户端传输的电路仿真实验操作的数据.gra文件，并转换为.cir文件，为后续仿真做准备；再调用PSpice进行仿真，获得仿真实验数据。

（4）服务层：存储仿真实验数据，临时保存实验及与实验有关的数据设置和仿真数据。如图3所示。

图3 系统软件框架

3.系统组成及功能

如图4所示，虚拟实验平台主要由虚拟实验子系统、实验状态保存和恢复子系统、实验报告提交管理子系统、实验相似度分析程序四大模块组成。

图4 系统组成结构图

各模块的功能如下：

（1）虚拟实验子系统：用于虚拟的实验环境中搭接实验电路，选择合适的电路参数，仿真得到相关实验结果数据。

（2）实验状态保存和恢复子系统：学生可以建立个人数据库，将实验中已完成的或未完成的虚拟实验电路进行封装保存在数据库中，可以随时调用，并继续未完成的虚拟实验，而且完成的虚拟实验电路可以作为作业提交到教师主机，便于老师检查实验进程、数据结果。

（3）实验报告提交管理子系统：系统自动将实验报告模版发送给学生，学生根据实验结果将报告填写完成后再将其提交给系统。教师可以对报告进行批阅和管理。学生可以下载阅读批改后的报告，查看自己的实验数据，便于总结自己实验的得失。

（4）实验相似度分析程序：因为该虚拟实验系统主要依靠学生的自主学习能力，而实验主要在课堂外自主完成，且课程针对的是中职的学生，其自学能力和自我控制能力较差，所以学生很有可能会拷贝其他同学的实验电路及数据，造成整个班仅两三种版本，这显然违背本实验平台的设计思想。

教师可通过实验相似度分析程序分析学生提交的实验涉及元器件、参数，得出分析结果，根据该分析结果可以判断学生在完成实验时是否抄袭。

四、结语

网络虚拟实验系统的设计是以PSpice为电路仿真分析软件的基础，并结合Java技术作为后台服务器的仿真核心模块，利用可视化技术与客户端的虚拟实验平台实现无缝链接，实现电路实验在网络环境下的虚拟仿真实验。让学生在逼真的网络“虚拟环境”中利用各种“虚拟元件或虚拟电路模块”任意搭接各种电子线路，并通过各种“虚拟仪器”的仿真测试实时得到仿真结果数据。

该网络虚拟实验系统的建立，特别适合中职院校的教学改革，它不仅能保障学生有充足的实验时间，而且能一定程度地解决学校实验经费不足、元器件损坏等问题。

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