基于Proteus 的智慧实验系统的教学研究与设计

卢彪，谈成访，邱慧丽，梁楠楠，高铭悦

（宿州学院 信息工程学院，安徽宿州 234000）

传统本科高校电子电工类的课堂教学和实验教学以教师理论讲授和实验教学为主，学生不能主动吸收理论知识和快速提高动手操作能力，课程的教学效率、教师和学生的积极能动性相对较差[1]。为了提高教学效果，将传统的电子电工类的专业实验室改造为智慧型教学实验系统，为课堂理论转换为实践操作提供便利，能多方位解决师生课堂教学的主观能动性和效率[2]。

基于Proteus 的智慧实验教学系统搭建了智慧实验教学平台和硬件实验系统，提供了教学系统方案、实验内容和实验教学系统功能等设计。该教学系统实现了“互联网+”和物联网技术的运用，能大大提升实验资源的性价比、实验空间和教学资源的利用率，为智慧校园实验教学建设提供了良好的支撑[3]。

1 Proteus 智慧实验教学系统平台

1.1 Proteus 实验教学平台设计

基于Proteus 的虚拟实验教学平台系统主要包含了网络系统、教学相关软件和Proteus 实验教学系统三部分。实验教学系统主要可以实现信号与系统实验、数/模电实验、电路实验、DSP 实验、ARM 实验、8086 实验、PCB 布线实验和单片机实验系统。软件平台主要实现了ASF/VSM/ARES、Proteus ISIS 和Proteus Prospice 软件教学平台[4]。基于proteus 虚拟教学平台的综合设计与创新实验教学系统设计如图1 所示。

图1 基于proteus 的综合设计与创新平台总体设计

1.2 硬件实验系统平台架构设计

Proteus 硬件仿真教学平台内容主要包括了（1）混合仿真实验：电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、信号系统、通信原理和传感器原理等实验；（2）嵌入式仿真实验：微机原理、单片机原理、自动控制、数字逻辑、计算机组成原理和系统结构等实验；（3）流程图编程：电子导论、数字系统创意设计、物联网系统和机器人系统等实验；（4）PCB 设计：电子工艺制作、CAD 制图和电子产品创意设计等实验[5]。基于Proteus 的硬件实验系统设计图如2 所示。

图2 基于Proteus 的硬件实验系统设计

2 智慧实验教学整体方案设计

2.1 实验教学系统方案设计

本方案可以实现在线仿真实验、软硬结合、虚实互补的实验教学系统，系统结合传统面授与在线实验特点，将课前实验任务预习、课中考核与交互、课后复习与评估等环节无缝衔接，从而呈现了一个“时时，处处、人人”开放共享型的数字化学习实验课堂，提升实验教学效果与质量[6]。实验教学系统方案设计如图3 所示。

图3 实验教学系统方案设计

2.2 实验教学系统内容设计

系统内容包括：课程管理、资源建设与管理、实验教学、学习资源、在线互动、学情分析、成绩管理，课外学习、实验预习、实验复习、课后作业、小组管理、在线签到点名、在线仪器测量监控、在线仿真实验、实验数据/图像采集、电子实验报告、报告智能化在线批阅、智能考核、交流答疑、评估评价等功能，为师生在课堂内实现一对多的智能在线互动实验教学考核体系。同时为翻转课堂、一体化课堂、MOOC 课等教学形式提供了强大的实验辅助支撑[7]。

3 实验教学系统功能设计

3.1 专业课程群共建共享设计

该功能覆盖整个实验教与学全过程，集课程内容、课程实验、学习资源、课堂考核、作业、通知公告实现课程专业的深度融合，促进学习生态良性循环。学生可以跟随老师同步学习，也可以课下自主学习。

（1）优质课程：一体化系统资源库与教师资源库的共同搭建，系统自带多种优质电子基础课程资源（实验库、考核库、作业库），支持教师一键导入文档，可上传视频、课件、实验设计模版等资源。

（2）课程教学管理：该系统支持一位教师建设多课程教学管理，或者单课程由多位教师共同管理与维护、增删查改、参与实验项目的设计、实验预习、布置作业、交流协作、统计评测、教学协作及成果评测、课程动态、课程链接管理等功能；

（3）资源建设与管理：支持多个课程资源课件同时上传，支持多种文件格式在线转码和预览，统计分析每个资源的使用情况，实验项目资源种类至少包含：实验案例、微视频，工程或源代码，实验教学原理、实验内容、实验模板、实验步骤与实验结果校验等。

3.2 学习报告智能教学环节设计

（1）课程实验环节流程设计

支持学生在线便捷快速撰写实验/考核/作业报告，除了标准的文本，一件导入word 文本、图像自动快速生成报告，任意截取仿真结果实验现象及手机拍摄实验结果即刻上传，内置强大的计算公式库，随时随地编辑保存实验报告，解决学生繁琐的实验报告过程，告别传统厚重的纸质报告，提高报告完成效率[8]。课程实验环节流程如图4 所示。

图4 课程实验环节流程

（2）课程作业环节

系统支持作业模式：课下作业和课堂作业。课下作业由个人作业和小组作业构成，课堂作业只针对课堂老师临时发布的作业，系统提供给学生两种应用场景下的作业提交方式。

课下作业模式：教师可以根据教学需求发布个人作业，也可以发布小组作业，将所任课程班级下的学生划分成几个学习小组，设立组长一名，小组成员共同完成报告编辑，对组员评分后，组长统一提交。

课堂作业环节：老师可以随堂发布小作业，即时批改作业，以一种高效、便捷、直观的方式了解学生对本堂课程知识的掌握情况。特定教学场景只需教师电脑端发起课堂作业，学生不仅可以借助PC 端上传作业，还可以手机扫码拍照上传作业，最终形成智能化电子报告。

课程考核环节：多题型考核，自由组卷，配合随机考核和整班考核方式，让考核更具灵活性；技术防伪，保证考核真实性；课程考核环节流程设计如图5 所示。

图5 课程考核环节流程设计

3.3 智能评估评价体系

多种模式评判方式：实验结果自动批改功能：支持学生提取后的实验数据在线注入或填写到实验表格中，包括测量的实验区间数如：0.2～0.5V、中文等字符，提交实验结果后系统自动评判，给出对错，提高批改效率；

报告智能化批阅：对于学生提交的报告系统自动生成规范的文本，教师在线批注、画圈、批阅，同时对学生仿真实验结果在线预览，无需下载学生提交的工程文件，节约教师时间，报告批改结束给出评语意见总结，添加积分鼓励评价，对象多样化：系统除支持个人单独提交报告批阅外，还支持小组提交，由组长对小组成员评分后，教师再给整组评分。

3.4 实验教学数据实时交互

Proteus 仿真数据实时采集：可以截取仿真软件的动态实验现象插入报告，进行仿真实验预习、模拟实验操作；通过系统可以获取Proteus 的实时实验数据，实验结果生成图片，并加上时间戳以保证报告的真实性。实验教学数据实时交互如图6所示。

图6 实验教学数据实时交互

实验教学数据实时交互主要包括：（1）主流仪器数据截取：仪器连接电脑后，可以采集主流厂家的仪器设备数据，智能实时数据测量，详实记录实验数据/图像在线保存，为实验过程评价和实验报告评价提供有效的数据基础。（2）动态仪器监测：学生可以通过系统智能提取实验数据/图像，教师对学生的实验仪器进行实时监测与管控，在线设置学生设备仪器初始化，实时掌控学生实验过程，从而真正意义上实现软硬结合、虚实互补的理念，为实验教学提供更为高效、便捷的支持。（3）在线互动跟踪与指导：支持课程下的师生在线交流互动答疑、可自定义选择开放交流时间和一键关闭禁言功能，支持学生私密教师留言，同时课程教师可以随时删除学生的不正言论和系统自动屏蔽敏感词汇，详实有效记录学生学习过程、讨论过程。

3.5 教学数据统计分析

数据统计分析与反馈：教学实验数据可视化呈现，通过平台挖掘提取教师日常教学任务计划，课程建设情况，报告评语批改情况、资源使用率情况，高发错误问题点及学生的日常预习，学习兴趣，教学效果等多维度数据，快速生成直观精准的统计图表。

在线签到点名：支持教师手机或PC 在线发起点名，学生手机签到或扫描系统随机生成的一分钟有效二维码进行签到、同时记录学生手机型号与签到IP 智能判决代签到异常行为，支持一键签到，缺勤、请假，并生成统计图表批量导出考勤数据；

问卷调查：支持针对课程实验创建问卷，对课前情况统计、课中知识点提问、课后掌握程度调查，对于学生提交问卷内容自动批改，结果统计、对比、分析。

4 结语

基于Proteus 的智慧实验教学系统通过Proteus 仿真平台，实现了实验预习、测验与仿真实验的功能。学生在线获取实验数据并生成实验报告，老师可在线批注与评价。满足多个电子基础课程的实验教学要求，通过网络提交或获取实验数据，支持现场实验考核。构建相应课程的实验教学资源和学习空间，对实验测试和实验考核实现智能诊断。根据学生预习、测试或实验考核情况生成统计分析图表。该教学系统适应更多用户需求，多要素实现时间上的统一调配管理，避免时间冲突，为教育教学精细化管理提供了教学基础。