“虚”“实”结合在电子电路类实验教学中的应用探索

吴元亮 贾永兴 石会

[摘 要] 电子电路类实验的传统方式存在诸多限制，制约了实验教学产生的实际效果。紧跟电路仿真、虚拟仿真和实物实验技术发展，探索“虚”“实”结合在实验中的应用模式是一个非常有益的实用课题。首先分析电子电路类实验教学的现状，瞄准实验教学的根本作用，紧抓实验发展模式，进行问题分析，进而探索“虚”“实”结合的意义、可行性和实施方案，最后以“数字电子技术”课程实验教学为例，介绍了“虚”“实”结合的实际应用模式。

[关键词] 电子电路;实验教学;“虚”“实”结合;应用模式

[课题项目] 2019年度陆军工程大学教育教学立项课题

[作者简介] 吴元亮（1983—），男，江苏徐州人，硕士，陆军工程大学通信工程学院副教授，主要从事电子技术与嵌入式研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）49-0086-04    [收稿日期] 2021-03-29

社会发展与军队改革对高等教育提出了新的要求，毕业生除了具有足够深度、广度的理论知识，还应具备对知识的运用能力和创新能力，这极大地推动了高校教师积极、持续地开展实践教学创新。2000—2020年，中国知网收录电子电路类实验教学研究文献数量在1万篇以上。利用知识图谱分析文献，不难发现，研究热点主要包括实验电路设计、实验案例设计等实验内容改革，研究高频词主要是电路仿真、虚拟仿真、在线实验、虚拟仪器等;实验教学模式涌现出BOPPS、SPOC、雨课堂、雷实验、翻转课堂、线上教学等，成果丰硕[1]。然而，成果的有效运用并未呈现出相应的繁荣，实验离远程、开放、不限时、实时、真实、自主、可创新设计等特点仍然差距很大，而这些特点却是高等教育发展的必然趋势。因此，研究并提出新的实验模式既是本文论述的重点，也是进一步提高实验教学效果和人才培养质量的重要任务。

一、电子电路类实验概述与问题分析

（一）电子电路类实验的作用

电子电路类实验是电子技术基本理论学习必不可少的手段，通过实验揭示电子世界的奥秘，验证理论，同时发现理论存在的问题，启发新理论的建立，促进电子技术理论的发展。当前，新的实验需求是远程、开放、不限时、实时、真实、自主、可创新设计等，实施难度大，高校实验教学仍然没有出色的实验模式。

（二）电子电路类实验的发展

随着电子、仿真、计算机等技术的发展，电子电路类实验教学的形式发生了很大变化，除传统实物实验（实验室）外，又出现电路仿真、虚拟仿真、虚拟仪器、口袋实验室、在线电路仿真等实验方式和平台。

1.传统实物实验。传统实验是线下方式，基于实验室，利用实验箱、元器件、测试仪器等，搭建真实电路，测试真实信号，获得真实实验感受、实验现象和实验数据，资源充足的情况下应该是最好的方式。

2.电路仿真实验。电路仿真实验是指基于计算机软件的电子电路仿真实验，通过使用数学模型对电子电路真实行为进行模拟。基于工业标准SPICE模型的软件可进行模拟或数字电路仿真，如Multisim、TINA、LTspice等;数字电路仿真也可以采用Verilog或VHDL方式，如Modelsim等。电路仿真实验具有诸多优势：（1）逼真模拟电路功能行为，不用搭建实际电路，实验效率高、实验风险和错误率低、实验周期短。（2）支持电路创新设计实验，对提高实验质量有重要支撑作用。（3）良好的图形化界面、丰富的仿真分析能力、符合实验一般流程和实际实验操作方法等特点，使用户有身临其境的实践体验感觉。（4）不受时间、人数、场地、设备等诸多条件限制。（5）基于Web浏览器和专业平台可以远程实验。

3.虚拟仿真实验。虚拟仿真实验是指利用计算机创建的虚拟实验环境，在其中进行电子电路类实验。因为逼真、沉浸感强、实时交互、出入自然等特点，该实验方式具有很好的实验感觉[2]。目前，国家虚拟仿真实验教学项目被誉为国家级金课。虚拟仿真实验是真实实验与仿真实验相互补充、有机结合的一种新的实验方式，也是探索线上线下结合，打开实验新局面，提高高等教育实验教学质量的重要举措。

4.虚拟仪器实验。基于虚拟仪器的实验是指以计算机内虚拟仪器软件为核心，外置高性能硬件模块，完成电子电路类实验的方式。软硬件集成是实验的根本，支持虚拟仪器产生激励信号、采集响应信号，实现实验中的测试、测量和自动化应用。国内易星标、润众等教学设备厂家基本实现了基于硬件实验环境、在线远程操作的虚拟实验;国外NI公司的LabVIEW中虚拟仪器非常全面，同时研制各种外置硬件板卡，以及针对院校的ELVIS系列平台，实验灵活，测试简单，方便进行电路创新设计实验，能够有效解决传统实验的诸多限制。

5.口袋实验室。口袋实验室是近些年流行的一种实验方式，主要基于实验套件，支持模拟、数字电路实验，其特点是灵活方便，如NI的myDAQ，以及小脚丫FPGA套件等。

6.在线电路仿真实验。在线电路仿真实验是采取在线EDA工具的方式，基于Web浏览器進行电路仿真实验，也是目前的一种新趋势[3]。网络上出现了众多电路在线模拟仿真实验平台，如Multisim Live、CircuitLab、falstad、Partsim、Dcaclab、EasyEDA、AUTODESK LIBRARY.IO、EveryCircuit、Tina、Simulator.io、Quite Universal Circuit Simulator、PhET等。这些在线平台在一定程度上满足了随时随地任意进入的实验需求。

（三）电子电路类实验的主要问题

从当前高校实验的实施情况看来，单一实验的模式弊端日益显现。传统实验受限于时间、场地、设备、师资、元器件、管理等因素，很难满足实验教学新的目标。此外，采取传统方法研究复杂电路的行为往往比较困难;电路仿真基于电路符号，因为缺乏直接操作体验，无法真实感受实验过程，实验数据的真实性也广受质疑;虚拟仿真投入成本高，立项多用于解决高危、长周期、微观等实验问题，电子电路类实验立项少，并且实验数据的真实性同样受质疑;基于虚拟仪器的远程实物实验仍需研究;口袋实验室与在线电路仿真一定程度上可以解决以上问题，但是存在系统性设计和科学有效管理等问题。因此，仅从单一模式的选用来看，教师仍然最青睐传统方式，因其方便实施、管理和考核，而其他模式采用比例相对较低。

二、“虚”“实”结合的实验模式探索

（一）“虚”与“实”的结合

电子电路类实验中，“虚”是指计算机软件仿真、虚拟仿真、在线仿真等;“实”则是指采用真实电子元器件，搭建电路的实验。教学研究初步发现，虚实结合实验具有以下优势。

1.大幅提升实验教学的层次和水准。高阶实验是实验教学的重要目标[4，5]。但是实验课普遍学时紧张，时间对传统实验限制很大，两节实验课，教师讲实验目标、原理、内容，学生思考、消化后开始实验，时间运用效率极低，很难在有限的时间内完成高阶性实验，导致教师设计的实验往往层次低、内容简单、验证为主。而若课前先进行电路仿真、虚拟仿真，熟悉了实验内容和流程，则可以将实验室时间完全用于关键性和创新性的实验。

2.有效提高不同层次学生的实验水平。不同专业、不同层次学生有明显的学习差异。实验教学时，学生在理解、专注度、动手能力等方面表现不同，理解和动手快的学生能够很快得到教师预期的数据结果，慢的学生则往往无法在有限的时间内充分实验，最慢的学生甚至无法完成实验。虚实结合使得慢的学生可以先飞，在实验室里的时间同样可以获得能力提升，增强获得感，虚实结合的意义可能更大。

3.极大增强学生的学习兴趣。在信息化环境下，电路仿真和虚拟仿真实验因灵活、丰富、真实体验等特点，能够吸引学生，并满足学生不同的实验诉求;再结合实物实验，从理论到仿真再到实物，最后回到理论，可以形成不错的闭环学习体验。

4.高度实现理论和实验的贯通。通过虚实结合将实验室、实验过程搬入理论课堂是课程教学一直以来追求的目标。这样一方面可以强化理论教学的深度和知识应用的真实感，另一方面极大地方便了教师在课堂上开展教学模式创新，有效地推进了线上线下混合教学，边学边做胜过枯燥的理论灌输，能够吸引学生。

（二）虚实结合的可行性分析

1.实验技术及应用比较成熟。在真实实验目标的牵引下，电路仿真、虚拟仪器、虚拟仿真等技术发展迅速。仿真元件模型越来越精确，仿真实验环境越来越逼真，在线远程实验已完成从演示性体验，到在线仿真，再到在线真实硬件电路操作的转变。虚拟实验从实验数据真实性到实验感觉逐渐被师生们接受，融入实验教学已经水到渠成。

2.虚实结合实验的产品研制硕果累累。美国NI公司的ELVIS、myDAQ等硬件电路能够和计算机虚拟仪器结合;深圳易星标公司的ELF-BOX实现在线远程操作硬件实验平台;南京润众公司采用硬件电路构建实现虚拟仿真实验在线平台。虚实结合已经将实验搬上互联网，以在线方式远程随时随地实物实验已成为现实。

3.虚实结合的实验改革探索很热。知网、维

普、万方等知名数据库中收录文献的数量表明，近20年里，针对实验改革、电路仿真、虚拟仿真等内容的研究、探索和应用文章很多，参与研究的高校和研究人员广泛，产生了大量的初步探索成果，可为虚实结合实验模式及应用提供借鉴。

（三）虚实结合实验的应用模式探索

1.简单组合，各自运用。虚是虚，实是实，各自安排，组合使用。引入电路仿真或虚拟仿真，作为学生课外验证理论、开拓实验的补充，方便教师灵活开展各种第二课堂学习活动，实验教学采取传统方式，全部安排在实验室。这种实验模式设计和实施比较简单，缺点是结合比较松散，不能做到优缺互补。

2.深度结合，综合实践。实验内容虚实综合设计并统一组织实施，设计内容覆盖课程全部知识点。实验室实验主要针对课程经典电路和学生创新电路进行设计和实施，将实验预习和实验拓展留给电路仿真或是虚拟仿真。这种模式有效支持学生验证典型电路，或搭建、仿真、实物验证自主创新设计的电路，实现仿真和实验数据比分析。这样在有效解决传統实验限制的同时，也使得课程教学和考核有了多样化的选择。

3.理实融合，贯通设计。理论知识、电路仿真、虚拟仿真和实物实验联合打造、一体化贯通设计，实现教学设计虚中有实、实中有虚。通过实验元素融入理论课堂、融入理论作业、课程设计等，加强理论教学深度。课程教学从课堂，到作业，再到实验（电路仿真、虚拟仿真、实物实验），采取贯通性设计，理论指导实验，实验反哺理论，虚实贯穿始终，理实高度融合。

未来，在线、虚拟仪器、虚拟仿真和实物实验的结合还会更紧密，而教学上也会迎来全新的模式，学生随时、随地、在线、真实场景、实际设备进行实验并不遥远，教师应当为此做好充足准备。

三、虚实结合在我校实验教学中的应用

以我校“数字电子技术”课程为例，探索虚实结合的实验教学与考核模式。课程总实验学时10学时，学生人数200左右。学生特点是基础差异较大、学习能力不均衡。

（一）实验方案与应用实施

整体方案以实体实验为主、电路仿真和口袋实验为辅，同时采取在线仿真作为必要补充，构建一核两翼一拓展的实验模式。

1.以实物实验为核心和基石。10学时全部设计为实验室实验，目标是在有限实验教学学时内高效、高质量地完成重要理论、创新电路的验证，通过观察实验现象获得启示，巩固和加深理论的理解和应用。针对学生差异，实验内容分层设计，从传统固定实验，发展为：“必做实验+实验库项目选做实验”，形式包括基本型、设计型和综合型;实验时间安排在电路仿真和虚拟仿真之后。

2.高度融合电路仿真实验环节。目标是实现学生在自由时间、地点完成指定的电路仿真，以及自选课题的创新电路设计、验证和仿真优化。指定任务包含两方面：一是在作业中。在原电路分析、设计要求的理论基础上，进一步将电路仿真融入。二是期终考核。自主选择电路综合设计课题，完成电路设计、仿真、验证、优化后提交课题报告。

3.充分利用口袋实验套件。针对我校互联网限制、学生基数大、学习时间集中等特点，购置200套小脚丫（Step FPGA）实验套件，与指导手册一起在开课之前为学生配发。学生从范例开始，学习并逐步进入自主设计阶段，完成指定实验项目。

4.合理利用虛拟仿真在线实验平台。目前我校通信工程专业已在建四间支持虚拟仿真（基于实验平台的虚拟在线实验）的实验室，可面向所有在校学生，目标是通过虚拟仿真实验，使学生能够预习实验，熟悉实验的规范流程，体验实验环境，观察实验现象，掌握实验的关键数据和实验报告的撰写格式等。

（二）总结与启示

1.科学体现学为主体，实验教学既要针对共性，又要高度关注差异。固定的实验内容、单一的实验模式很难兼顾学生差异性，而虚实结合进一步提高了实验的多元化，对解决由学生差异造成的实验教学困难有很大帮助。

2.合理设计考核模式，实验考核需要统一标准，同时需要科学体现公平。我们的教学班中既有战士，也有青年。不加区分、绝对相同的考核方式未必对所有学生公平，多元化的实验意味着多元化的考核，可以改善学生存在差异时的考核公平性。比如数字电子技术实验考核成绩组成中，10学时实验的必做实验分数占比15%，选做实验占比5%;电路综合仿真设计占比5%，报告撰写占比5%，作业中的电路仿真设计同样设置分数占比。

3.资源建设应当走在教学改革的前面。俗话说，巧妇难为无米之炊。资源建设是教学改革及应用的根本，在实验教学中实现虚实结合，需要做大量的建设工作。如选做实验项目库、电路仿真库、综合仿真课题库、虚拟仿真在线实验案例库等。

4.教师应当与时俱进，更新观念，及时学习和运用新技术，始终站在信息技术的前沿。当下信息技术发展迅速，高等教育改革持续升温，不断涌现教育新理念、新方式、新技能，知识学习的方式不断发生变化。高校教师应当及时学习国务院、教育部下达的教育指示精神、教育文件和印发的通知，积极参与教学培训、教学观摩、教学报告、教学研讨等活动，主动多渠道探索新理念、新知识、教学新技能，及时学习和运用必要的信息化教学手段，才能跟上新时代教育目标，及时改革教学模式，契合新的教学观念，提高教学的智慧含量。教与学对高校教师来说同等重要，相互依托。

电子、计算机、网络、虚拟仿真等技术的快速发展，为电子电路类实验的实现方式和有效实施提供了强大助力。相信虚实结合的实验教学模式通过科学的设计，能够打破传统实验的桎梏，突破学生实验学习的时间与空间限制，在一定程度上达到实验教学的目标。

参考文献

[1]卢小云.面向未来的教与学[J].中国大学教学，2019（12）：57-60.

[2]马腾达.虚拟仿真技术在数电教学中的应用[J].教育教学论坛，2020（41）：245-247.

[3]嵩天.以在线开放课程为引领的大学课程改革新模式[J].中国大学教学，2019（11）：13-17.

[4]余文森，宋原，丁革民.“课堂革命”与“金课”建设[J].中国大学教学，2019（9）：22-28.

[5]杨述明，吴建军，程玉强.工程实践类课程高效课堂范式化模型研究[J].高等教育研究学报，2020（4）：111-114.

Exploration on the Application of Virtual-actual Experiment Combination in the Teaching of Electronic Circuit Experiment

WU Yuan-liang， JIA Yong-xing， SHI Hui

（Institute of Communication Engineering， Army Engineering University of PLA， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： There are many limitations in the traditional way of electronic circuit experiment， which restricts the practical effect of experimental teaching. To follow the development of circuit simulation， virtual simulation and physical experiment technology and to explore the application model of virtual-actual experiment combination is a very useful and practical topic. This paper first analyzes the current situation of electronic circuit experimental teaching， aiming at the fundamental role of experimental teaching， focusing on the experimental development model， carries out problem analysis， and then explores the significance， feasibility and implementation plan of the combination of virtual and actual experiments. Finally， taking the experimental teaching of Digital Electronic Technology course in our school as an example， the practical application cases of virtual-actual experiment combination are introduced.

Key words： electronic circuit; experimental teaching; combination of virtual-actual experiments; application model

3420501908255