基于雨课堂和雷实验的智能实验系统设计

吴 平， 闫正兵， 陈小林， 蒋小洛， 吴泽平

（温州大学电气与电子工程学院，浙江温州325035）

0 引 言

电子电气类工科专业学生不仅需要掌握专业理论知识，更要会用专业理论知识解决实际工程问题，即工程教育专业认证强调的培养学生“解决复杂工程问题”的能力［1-4］。专业课程的实验教学效果和能力培养尤为重要，传统的电子电气基础专业课程（如电路分析、模拟电路、数字电路）实验大多是采用分立器件搭建或在综合实验台上完成，基于分立器件的实验学生可以对实际元器件有直观的了解和认识，符合实际工程情况，测试和调换比较方便，但集成度低，实验时受器件种类限制；基于实验台的实验系统可靠性高，但隐藏了元器件之间的连接关系，不直观，不方便扩展［5-6］。这二种实验方式一般都需要到固定的实验室进行，受时间、地点限制较多。近年来，随着计算机和EDA软件的发展，很多实验可以在软件支持下进行仿真和通过虚拟仪器测试、分析，不受时间、空间和器件种类的限制，但缺少对实际元器件的认知，与实际电路也存在差异。以上3种实验方式各有优缺点，但都不方便对实验过程进行精准掌控，不利于实验数据的统计和处理，也不方便了解学生的实验进程，实验数据和实验报告也容易出现雷同，不方便考核［7-10］。鉴于以上情况，运用雨课堂、雷实验和便携硬件建立了一种新的智能实验教学系统，学生可以完成搭建实际器件电路、实验数据管理、实验报告上传等功能。

1 智能实验系统构成

系统主要由雨课堂智慧教学工具、雷实验软件、A＋D Lab便携式硬件构成。

1.1 雨课堂智慧教学工具

雨课堂由学堂在线于2016年4月推出，它科学地将教学PPT和日常交流工具“微信”结合，通过雨课堂教师可以将视频、习题、学习内容、实验任务等推送到学生手机微信；教师可以通过手机微信或电脑雨课堂网站，实时了解学生学习情况、进行数据分析、在线考核，覆盖课前-课上-课后的每一个教学环节，为师生提供完整的立体数据支持、个性化报表、自动任务提醒等，让教与学更加方便互动交流和数据统计，对于调动学生学习积极性、提高学习效率十分有效［11-13］。

1.2 雷实验管理软件

雷实验（Lab of Electronics Intelligence）是“互联网＋教育”在实践课程教学中的创新性工具软件，该软件发挥互联网技术优势，强化学生创新和学习行为互动，兼顾课堂监督、任务部署和设备管理等功能，如图1所示。

图1 雷实验管理软件

雷实验依托微信平台，通过扫码登录，包含教师管理、学生实验、硬件激活和系统训练等入口。其中，教师实验管理入口包含实验项目管理、实验进度查询、实验课程资源、学生数据分析和设备资源管理；学生实验入口包含实验准备、实验仿真、搭建实验、数据获取、数据编辑和报告整理。

1.3 便携式实验硬件

实验硬件全称为“A＋D Lab理工实验室”，如图2所示，可以输出5 V和12 V直流电源，有2路模拟输入／输出、8路数字输入／输出；包含示波器、信号源、逻辑分析仪、程控电源、网络分析仪和万用表等虚拟仪器。支持电路分析、模拟电路、数字电路、单片机、通信原理等课程实验（通过更换模块和实验器件实现）；可扩展嵌入式系统相关板卡，支持70多种相关Pmod传感器。

图2 A＋D Lab便携式硬件

2 智能实验系统运行

该系统采用线上线下相结合的新型教学模式，教师首先通过微信在雨课堂建立课程和班级，设置实验任务并通过雷实验软件推送给学生，学生在手机微信上收到实验任务后，可随时随地启动电脑端雷实验主程序，微信登陆并通过USB将雷实验软件与A＋D Lab硬件平台互联，开始实验；此时教师可以实时收到班级学生实验信息和状态，并可以随时通过微信雨课堂了解学生的实验进展；学生在实验时首先用内置的仿真软件（TINA或Multisim）进行电路仿真、搭建实际电路、用虚拟仪器测量实验结果、保存实验数据，期间需要多角度拍照电路、截图仿真结果、测量数据，最终与学生撰写的数据分析、实验体会、总结一起由系统自动生成实验报告并上传；教师收到实验报告后可在手机或电脑端进行批阅、评分、反馈结果，学生可以在手机端实时收到实验评价。

智能实验系统特点：教师可以不受空间和时间限制随时准确掌握学生的实验状态，准确评判实验结果；A＋D Lab硬件B5纸大小，方便携带和运行实验，并可以在实验中间歇保存至云端；雷实验学生通过个人微信登陆且每个A＋D Lab硬件拥有独立的序列号，学生上传的数据和图像与其使用硬件平台的序列号相对应，保证实验过程和实验结果的真实性；课程教学期间，A＋D Lab硬件由学生保管，可以随时进行创新性电路设计和实验；在雨课堂讨论区，师生可以就实验问题进行讨论、发表看法，提高实验效果和学生解决问题的能力；教师可通过雨课堂将课程的理论教学、实践教学过程考试、数据统计与分析等集成为一体，对学生进行综合评价。

3 实验案例

本智能实验系统已于2018年春季学期在电气工程及其自动化专业本科生“电路分析”课程实际运行，至今已经运行了2届学生4个班级，获得了学生的支持和好评。

“电路分析”是电子电气类专业的第一门重要专业基础课，该课程学习的效果直接影响学生对专业的兴趣和后续课程学习的质量。本实验系统支持“电路分析”的验证基尔霍夫定律、戴维南／诺顿定理、叠加定理、一阶RC电路的响应、滤波器的研究与设计等实验项目。下面以验证叠加定理为例介绍实验运行过程。

教师首先在雷实验管理软件上微信扫码登陆，选择教师管理入口，在实验项目管理模块里选择雨课堂上已经建立的课程和班级，在实验项目栏新建实验项目，设定实验题目、目的、内容、要求、同组人数等，选择需要添加的文本文件、实验提示和实验截止时间后进行发布，如图3所示。

图3 教师进行实验项目管理

教师发布实验任务后，学生微信上立即会收到任务提示，学生可以在实验截止时间前随时随地在电脑端打开雷实验软件，微信扫码登陆，并连接A＋D Lab硬件，进行仿真和硬件电路实验，学生的实验进展情况会在雨课堂上及时反馈给教师，如图4所示。

图4 通过雨课堂教师实时了解学生实验进展

学生在实验过程中需要首先对电路进行软件仿真，并截图保存原理图和仿真结果；然后进行硬件电路连接，并用虚拟仪器测量，对硬件电路多角度拍照上传，截图电路测量结果，最后对实验进行分析和总结，如图5所示。

4 结 语

大学实验课是培养工科专业学生工程应用能力的重要教学环节，“雨课堂与雷实验”智能实验系统将学生从传统的实验室中解放出来，将老师从固化的教学环节中解救出来，与传统授课相比教学优势非常突出，学生可以随时随地进行验证性、综合性和创新性实验，大大激发了同学们的学习欲望，强化了学生创新和行为互动。这种线上线下结合非常紧密的新型教学模式，顺应当今时代的潮流，体现了以学生为中心的教学理念［14-16］，随着学生学习的不断深入，更多的实验内容可以通过“雨课堂＋雷实验”完成，进一步推进课堂教学手段和教学方法的改革，提升课堂教学效果，实现提高人才培养质量的目标。

图5 学生的实验报告