基于电工电子虚拟实验教学平台的实践*

◆吴羽 龙晓莉 陈新兵 张倩

基于电工电子虚拟实验教学平台的实践*

◆吴羽 龙晓莉 陈新兵 张倩

介绍基于电工电子虚拟实验教学平台的功能特点，以数字电路实验为例，将虚拟实验与真实实验相结合并发挥虚拟实验的优势，培养学生自主学习能力，提高实验教学质量。

虚拟实验教学；自主学习；电工电子

实验教学是帮助学生理解课堂知识、培养学生的动手能力和实际工作能力的重要手段。传统的实验方法是在实验室中利用真实实验仪器进行的，在时间和空间上对学生有所限制，并且存在实验设备维护费用高、实验过程损耗较大、教师指导时间有限等问题。这些都限制了学生动手能力和自主学习能力的提高。需要打破这种限制，拓展延伸实验课堂。近年来，虚拟实验这一新兴技术正逐渐得到人们的广泛关注[1-2]。

电工学、模拟电路和数字电路等电工电子类课程是一门实践性很强的专业基础课程，做好该类课程的实验教学非常重要。在广东省教改工程项目基金的支持下，结合电工电子实验的实际情况，项目组成员进行了虚拟仿真实验教学平台的开发探索，将实验过程和现象通过虚拟仿真教学平台来进行演示和仿真，从以教师为主体到以学生为主体进行转变，提供给学生自主学习能力培养的机会，建立并逐步完善学生自主学习教学模式[3]。

1 虚拟仿真实验教学平台的功能特点

开放式虚拟仿真实验的教学平台依托校园网络，以虚拟实验技术和网络信息技术增强实验实践教学。虚拟仿真实验教学中心界面如图1所示。平台用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员、校领导、系统管理员等。平台功能主要包括虚拟实验中心门户网站、实验前预习、实验课程管理、实验库维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。该虚拟实验室中课程的虚拟实验均可以反复配置、连接、调节和使用虚拟仪器设备进行操作，也可依平台提供的仪器设备自由搭建合理的新颖实验项目。

图1 虚拟仿真实验教学中心界面

实验教学管理 实验教学管理的主要功能有：教师根据教务处的实验计划维护典型实验库，安排实验进度，查看学生实验进展，批改实验结果，发布实验成绩。学生根据任课教师的要求，进入虚拟实验室进行实验预习、做实验并提交实验报告。

实验前预习 实验前预习提供了交互式练习、自我测验、课件浏览等功能，并能实现师生实时交互；丰富的学习资源和交流工具，让学生提前对实验原理、实验设计和实验步骤有直观的认识，有助于提高学生的学习效率，减轻教师的负担。

实验过程智能指导 虚拟实验过程智能指导通过对学习者实验过程的数据收集和监控，提供智能和人性化的指导，实现“在线教师”的功能。在实验过程中提供有针对性的指导，实现虚拟实验教学过程智能化，学习者的实验过程受到智能指导系统的监测。学生在实验过程中遇到疑问时可以寻求帮助指导，系统亦能主动对学生在实验中的不当操作进行提示，避免发生错误。学习者或教师可以直接对系统提问，系统搜索出对应的知识信息，反馈给用户。

实验结果自动批改 学生做完实验提交结果后，自动批改子系统从实验平台中获取学生所做的实验结果状态数据，进行数据处理，系统利用知识库中预先录入的批改规则对学生的实验结果信息进行推理分析并得出结论。评价结果反馈给实验平台，评价结论呈现给学生，并把成绩和相关信息汇总到成绩管理模块。

虚拟实验仿真教学资源管理 Flash、Java或其他编程语言实现虚拟实验仿真教学资源。本平台在实验教学设计模块提供了相应的集成接口，用来将现有的仿真教学资源集成到虚拟仿真实验教学平台中。

师生互动交流 提供用户互动交流模块，包括实验答疑和在线留言功能，实验答疑支持多人语音、文字交流。

系统管理 系统管理员对参加者进行分组管理，提供导入/导出、增加、删除、查看、修改功能，并维护实验参与者的权限，同时还可以查看在线人数、用户访问、用户登录记录。

2 虚拟实验教学的实践

虚实结合，培养学生自主学习能力 在真实实验中，学生掌握如何使用仪器设备，通过实际操作，解决实际问题的能力得到有效的提高。而在虚拟实验教学平台提供接近真实的虚拟实验仪器，使学生能进一步掌握仪器设备的使用方法，通过对实验现象进行演示和仿真，使学生能主动地进入实验的准备阶段，参与到实验设计学习过程，为学生提供充足的自主学习机会、良好的自主学习条件。虚拟实验教学平台让学生能主动尝试各种设计性实验和探索性实验，加深学生知识的深度和拓展学生知识的广度，使得学生实验变得更加灵活和有创造性。因此，采取虚实结合的方法，注重培养学生的自主学习能力，切实增强实验教学效果。

发挥虚拟实验优势，提高学生解决问题的能力 传统实验要根据实验室的仪器设备、师资等条件，有选择地在一定的时间空间内开设典型实验项目。在实验课之前，学生只能依据预习实验指导书上的实验原理和实验步骤来进行抽象的理解，而不可以动手先试做一次，建立直观的认识。在课后学生如果想复习实验，或者对于书本上的某个原理有疑问，想自主设计实验进行验证，却受到实验室开放时间的限制而不能随时进行实验。实验教师与学生、学生与学生之间也缺乏一个有效的交流平台。

现在，虚拟实验仿真平台提供实验仪器设备供学生自己动手连接、调节，学生可以通过虚拟实验教学平台随时随地进行实验预习与试做，实验的安排更加灵活方便。学生还能利用平台上的实验仪器自主搭建任意合理的实验，自主学习的能力得到有效的提高，教师能掌握学生的预习情况，进行教学演示，或者将实验中的不足提出来，师生共同探讨，从而增强教学效果。

如在数字电路实验教学中，开设有9个实验项目：TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试、组合逻辑电路的设计、MSI译码器逻辑功能测试、MSI数据选择器逻辑功能测试、触发器功能测试及其应用、计数器逻辑功能测试、移位寄存器逻辑功能测试和应用、555时基电路及其应用、智力竞赛抢答装置。以组合逻辑电路的设计实验项目为例，使用中小规模集成电路设计组合电路是最基本的逻辑电路设计方法，可以较为系统地培养学生的逻辑思维和综合设计能力。通过本实验，学生应掌握逻辑电路的设计原则、基本方法、步骤及其测试方法。如设计一个用与非门组成的四人表决电路，学生可以通过虚拟实验平台随时随地进行实验预习，根据题意列出真值表，再填入卡诺图，由卡诺图得出逻辑表达式，并演化成“与非”的逻辑表达式，据此画出用“与非门”组成的逻辑电路。然后按照实物连接线路并进行仿真分析，直至所设计电路符合设计要求，最后在实验室进行电路的连接，大大缩短了调试时间，降低了器材的损耗。

另外，为了在两节课内完成实验，通常把四人表决电路和检视交通信号灯工作状态的逻辑电路列为必做内容，而把一位全加器和灯的多开关控制电路等其他项目列为选做内容。若将其中的拓展内容在虚拟实验中完成，则不但能在课内完成典型实验内容，而且可以在虚拟实验中新增任意新颖项目。虚拟实验平台实现了实验教学在时间和空间上的延伸，使学生对实验建立起直观的感性认识，利用虚拟技术提供仿真性的探索情境，从而让学生解决真实性的问题。

3 结语

广州大学电工电子虚拟实验教学平台的开发，为电工电子类课程的实验教学提供了一种新的实验教学手段，平台集合实验前预习、实验过程智能指导、实验结果批改、师生互动交流等功能，为培养学生自主学习能力搭建出一个有效的实践平台，为学生提供了广阔的思维空间，实现了实验教学在时间和空间的延伸，完善了现有的实验教学体系，实验教学质量得到了有效的提高。

[1]李升源,刘宏,周克良,等.电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J].实验技术与管理,2010(4):74-76.

[2]刘婷婷,孙志婷.电子技术虚拟实验系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2010(6).8660-8661.

[3]梁海燕,梁鸿东.利用虚拟技术对学生自主学习能力的培养探索[J].中国科教创新导刊,2008(34):56-57.

G642.423

B

1671-489X(2014)08-0123-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.08.123

2013年广东省高等学校教学质量与教学改革工程立项建设项目“基于能力培养的电工电子类实践课程教学改革与实践”。

作者：吴羽、龙晓莉、陈新兵、张倩，广州大学实验中心（510006）。