虚拟实验与传统实验在电子类实验教学中的比较研究

姚高华 詹小颖梧州学院 广西梧州 543002



虚拟实验与传统实验在电子类实验教学中的比较研究

姚高华 詹小颖
梧州学院 广西梧州 543002

摘 要：在高校电子类专业的实验教学中，虚拟实验具有一些传统实验不可比拟的优势，在实验教学过程中引入虚拟实验，使其与传统实验相结合已成为发展趋势。探讨了虚拟实验在电子类实验教学中的应用，从实验开设成本、实验开设内容、实验教学手段、实验教学效果、实验室维护管理五方面对传统实验和虚拟实验进行了分析、比较。

关键词：实验教学；虚拟仪器；虚拟实验；传统实验

随着计算机技术、多媒体技术、仿真技术以及虚拟技术等现代信息技术的迅速发展，现代教育教学技术的发展也日新月异，其中实验手段和测量方法的发展尤为迅速。传统的测量仪器和测量方法不断朝以计算机为核心的方向发展，因此现代实验教学非常有必要跟上时代科技发展的步伐。

教学环节包括理论教学和实验教学，两者相辅相成、缺一不可，特别是对于实践性和应用性很强的电子类专业，实验教学环节的重要性更加突出。电子类专业学生必须通过足够数量和良好质量的实验，才可能真正理解和掌握电子类专业的理论知识和实验技能，实现理论和实践相结合。但是随着我国高等教育改革的进一步深化，高校的招生规模不断增大，学生人数急剧增加；此外由于电子仪器设备的快速发展和产品特性，实验设备容易过时、陈旧、老化等，导致很多高校实验设备的数量和质量无法满足实验教学的要求。因此，加强实验室建设、改进实验方法和手段、不断进行实验教学改革，具有一定的必要性和紧迫性。

在电子类专业的实验教学改革中，随着各种EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)软件的发展，以虚拟元件和仪器为基础的虚拟实验应运而生，为更好地完成电子类实验提供了先进的技术手段。虚拟实验是指应用计算机技术和虚拟技术模拟实际实验，通过仿真得到实验结果的计算机应用系统[1]。电子类专业的虚拟实验就是结合电子类实验课程的特点，通过计算机软件构造模拟实验的环境，利用虚拟仿真软件设计电路，进行计算机仿真分析和实验测试。通过虚拟实验，学生不仅加深了对电子类课程理论知识的理解和掌握，而且还可以学会仿真设计与模拟调试，为学生发挥创新精神提供了极好的实践平台。因此，把电子类专业实验与计算机模拟仿真结合起来形成的虚拟实验，无疑是电子类专业实验教学的发展趋势。

1 传统实验和虚拟实验的比较

1.1 实验开设成本比较

现代电子技术的发展日新月异，新设备、新仪器、新元件层出不穷。为了能够提高电子类专业建设的水平，学校投入大量的资金进行电子类实验室建设。由于实验室建设经费和实验室场地的限制，每个实验室购买的仪器设备的数量是十分有限的，同时每套实验设备所能开出的实验项目也是一定的。以我校的高频电路实验室为例，在实验室建设至今投入了40多万元，由于与高频电路相关的仪器设备比较昂贵，只能配备25套基本实验设备，可以开设13个基本实验项目。如果要开设综合性、设计性的实验项目，需要另外投入大量资金购买频率特性测试仪、高频Q表等仪器仪表。因此，传统实验的开设成本比较高，要达到实验教学要求开出保质保量的实验，但又没法投入足够的资金，这是许多高校都不得不面临的矛盾。

采用基于虚拟仪器技术的虚拟实验后，上述问题得到了较大程度的解决。近年来，学校购进了一批高性能的计算机，学生购买计算机的比例也在增加，为虚拟实验的进行提供了必要的物质基础。利用各种计算机仿真和设计软件及虚拟实验平台，不仅可完成电路分析基础、低频电子线路、数字电子技术、高频电路等基础课程的实验，还为学生进行设计性、创新性的实验提供了良好的平台。同时，这些计算机还可以在其他计算机类课程教学时使用，因此提高了实验设备的利用率，降低了实验室建设的成本，同时也降低了实验开设的成本。

1.2 实验开设内容比较

传统实验一般采用“实验箱+测试设备”的实验方式，由于实验箱的布局和线路已经固定，所能完成的实验项目只能限制在很小的范围内，而且大多数是一些基本的验证性实验。这些验证性实验，仅仅验证学过的理论知识，学生只需要在元件固定好的实验板上接导线和测数据，同时每个实验都限定在两节课的实验课时内完成；这样的传统实验方法对学生的束缚较大，不利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，难以满足现代实验教学的需要[2]。面对这些问题，需要通过实验教学改革，扩展传统实验大部分是验证性实验的内容，开设设计性实验和综合性实验。但对传统实验来讲，要想开设设计性实验和综合性实验，一般都要另外购买和实验箱配套的配件或者实验板。

虚拟实验除了能完成全部的验证性实验外，也能完成各种设计性实验，重要的是不需要增加购买任何其他仪器设备。利用虚拟实验，学生除了可以完成教师布置的各种验证性和设计性实验外，还可以完成自己从各种渠道找到的实验项目，甚至可以实现自己的创造性想法和设计。

1.3 实验教学手段比较

传统的实验教学是按照“学生预习—教师讲解—学生操作”的模式进行的。第一阶段：学生课前预习阶段，由学生自己阅读理解实验教材中的实验原理和实验步骤，由于学生事先并没有接触实验电路板，因此学生所谓的理解只能靠自己的想象；第二阶段：教师课堂讲解阶段，由于受到实验课时间的限制，教师主要讲解实验过程中学生容易出现的问题。同时由于实验室各种实验仪器设备的出现，转移了学生听课的注意力，降低了教师讲解的效果。第三阶段，学生实际操作阶段，在教师对实验注意事项讲解完后，由学生进行实验操作，当出现的实验现象与预习阶段自己想象的不一致时，很多学生可能会手忙脚乱。尤其是当实验操作过程中出现各种实验故障时，大部分学生更不知所措，只能让教师帮忙解决问题，所以就有了部分教师反映的“上实验课比上理论课更累”的说法。

虚拟实验的采用，很大程度上改变了上述问题。学生课前预习时可以在理解实验指导书中的原理和实验步骤的基础上，在自己的计算机上进行虚拟仿真实验。而在实验课堂讲解阶段，由于学生进行过虚拟实验，对实验步骤和实验过程心中有数，因此对教师的讲解分析能够理解更加透彻。

从更高层次来看，虚拟实验技术、多媒体技术与计算机网络技术相结合，可以实现教学手段的多样化和现代化。在实验教学过程中，通过声音、图片、动画、视频等多媒体的结合，使实验教学更生动形象，理论和实际紧密结合。同时，虚拟实验技术的发展，使将来实现网络教学、远程实验成为可能[3]。

1.4 实验教学效果比较

在传统实验中，由于实验室管理上的局限性，除了传统实验上课时间以外，允许学生进入实验室的机会较少，即使是一些开放性的实验室，对一些贵重仪器的使用和特殊实验项目的开展也会有一定限制。因此，有些想学习和动手实践的学生，却苦于没有相应的实验条件。更有一些学生，由于对仪器仪表和实验装置不熟悉，实验课前没有做好预习和实验准备，在实验过程中因错误操作而问题不断，这样不仅担心不能按时完成实验，而且更担心损坏实验设备，因此造成心理紧张，对实验课产生畏难情绪，实验教学效果很难得到保障，甚至出现部分学生逃避实验课程的现象。

采用虚拟实验能显著地提高实验课的教学效果和教学质量。由于虚拟实验不会受到实验仪器设备、实验空间和时间的限制，学生可以在预习时通过模拟操作对实验步骤进行比较全面细致的了解；此外，在实验过程中每当遇到问题无法解决时，学生可将自己的操作模拟到计算机上，并借助虚拟实验系统的分析功能找到出现问题的原因，这样使得学生排除故障的能力大为提高[4]。另一方面，学生完成实验所需的时间大为缩短，实验结果的准确率显著提高。例如在数字电子技术实验课程中的时序逻辑电路设计这一实验，以前完成该实验一般需要3个课时，现在学生在2个课时内可全部完成，这样节省了实验课时，提高了实验效率，为进一步增加实验内容打下了基础。

1.5 实验室维护管理比较

对传统实验来说，学生在实验过程中造成的仪器设备和元器件损坏，是实验室维护管理上必须面对的问题。仪器设备如果操作不当，容易造成损坏，因而实验设备维护费用高。例如，在我校的电子技术基础实验室的维护管理中，常出现仪器设备的旋钮松动遗失、输入输出导线破损断裂、显示屏幕弄脏刮花等现象。特别是一些电阻、电容元件和数字集成芯片，由于一些学生新接触这些电子元器件，对它们的使用方法掌握不好，很容易造成元器件引脚的弯曲、断裂等。

通过虚拟实验可以显著地降低实验室仪器设备和元器件的损坏率。学生由于在实验课前通过虚拟实验进行了预习，对实验内容、实验步骤有了初步体会，实验过程中的操作具有针对性，因此各种仪器设备和元器件的损坏率大大降低[5]，从而减轻了实验室管理员的维护工作量，节约了实验室的维护费用。特别是有些虚拟实验系统针对实验设备的错误操作而设置了报警功能，可以对诸如示波器输入过压、电子线路短路、电源正负极接反等一些可能会造成实验设备损坏的危险操作进行警告。

2 结束语

在实验教学过程中引入虚拟实验已成为一种发展趋势，但引入虚拟实验并不是说可以抛弃传统实验，传统实验在提高学生实际动手操作能力上具有不可替代的优势，因此，必须在实验教学改革中将虚拟实验和传统实验相结合，实现二者相辅相成，优势互补。

通过在我校电子类专业实验教学中的实践证明，基于虚拟仪器技术的虚拟实验与传统实验相结合，降低了实验开设成本，拓展了实验开设内容，丰富了实验教学手段，提高了实验教学效果，节约了实验室维护管理费用，增强了学生学习的积极性、主动性和创造性，为实验教学改革开辟了广阔而崭新的空间。

参考文献

[1] 刘洪.基于X3D的虚拟化学实验室研究与设计[D].成都:四川师范大学,2006.

[2] 龙在云,张晓林.模拟电子电路虚拟实验平台的设计与实现[J].电气电子教学学报,2002(6):61-64.

[3] 朱文忠.基于Web的虚拟实验室的设计与实现[D].重庆:重庆大学,2007.

[4] 李松湘.虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用研究[D].长沙:湖南师范大学,2012.

[5] 黄品梅,方昌始,俞祝良.有效降低实验电气设备及元件损坏率的措施和方法[J].实验室研究与探索,2011(8):222-224.

Study on Comparation Virtual Experiment with Traditional Experiment in Electronic Experimental Teaching

Yao Gaohua Zhan Xiaoying
Wuzhou University, Wuzhou, 543002, China

Abstract:Virtual experiment has some incomparable advantages than traditional experimental in experiment teaching of college professional electronics. Virtual experiments and the combination of traditional experimental has become a trend in the experimental teaching process. We discuss the application of virtual experiments in electronic experimental teaching,and compare the traditional experiment and the virtual experiments on the five aspects,such as the cost, experiment content, teaching methods, teaching effect and laboratory maintenance and management.

Key words:experiment teaching; virtual instruments; virtual experiment; traditional experiment

基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目(编号：2015JGB381)；梧州学院教育教学改革工程立项项目(编号：Wyjg2010B003)；梧州学院教育教学改革工程项目(编号：Wyjg2015B006)。

作者简介：姚高华，硕士，讲师。詹小颖，硕士，副教授。

收稿日期：2015-09-02