模拟电子技术网络虚拟实验平台

摘要：在工科教学要求逐步提升的背景下，以模拟电子技术为代表的工科课程实验教学也在面临新的挑战，优化实验环境势在必行。本文首先分析虚拟实验平台的开发背景，随后设计了虚拟实验平台结构，并总结应用效果。

关键词：模拟电子技术;虚拟;实验平台

引言：困扰高校开展实验教学的因素有很多，场地因素、安全因素等等均位列其中，优化课程实验体系势在必行。因此以模拟电子技术课程为例，有必要建立一种虚拟实验平台并说明应用的方式和价值。

一、虚拟实验平台背景分析

1.网络技术发展。网络技术的大量应用，为教学领域的虚拟实验平台构建提供了背景基础。一方面，互联网技术的应用与现代信号处理的理念目标相吻合，对于工业自动化控制体系产生深远影响。工业控制体系中出现的很多新方法与新体系都与互联网环境关系密切，更加强调人员与设备在互联网环境中的协调操作效应，推动工业控制体系不断发展。另一方面，互联网技术对于工业控制体系中的通信效应具有正面促进作用，与网络通信技术的深度融合也是工业控制体系发展的重要特征。例如在应用通信网络的过程中需要充分结合控制理论体系，并完成工业控制体系数据的交换任务。伴随着工业体系的不断扩大，数据交换任务逐步增多必然意味着服务器负担的逐步加重。由此可见构建虚拟实验平台的必要性，在充分利用虚拟网络环境的基础上开展网络虚拟实验，发挥电子技术手段的优势。

2.实验需求提升。近年来我国逐步加强工科实践类人才的培养力度，对于工科实验教学的要求逐步提升、投入力度也在加大，客观上存在应用虚拟实验平台的大量需求。以模拟电子技术课程为例，作为电子信息工程类专业的重要课程，在工科教学体系中占有重要地位，如何保证模拟电子技术课程的实验教学质量成为重要课题。根据模拟电子技术的实验课程特征以及计算机网络的优势，将逻辑的理念融入其中，建立一套服务于模拟电子技术的实验平台。参与实验的人员可以通过虚拟实验平台进入到仿真实验环境，在平台中提供开展模拟技术实验需要的器材和设备，在仿真实验环境中选择提供的设备器材就可以开展实验，达到与实景实验相仿的实验效果。虚拟实验平台并行性能良好，为多名实验者在平台中同时开展实验提供技术空间和条件;而且这种实验方式有效突破空间因素桎梏，在具备计算机和网络条件的环境中就可以开展实验，实现实验课程的远程教学效果。虚拟实验平台本质上是计算机技术与其他软硬件技术的结合，突出虚拟实验平台的仿真价值。即便是操作虚拟实验平台，也能够获取身临其境的效果。另外在虚拟实验平台中还需要注意辅助软件的应用设计，进一步提升模拟实验的实际效果。在模拟电子技术实验环节中包含很多程序设计任务，应用辅助性软件则为实验过程中的编程设计环节提供很多方便，有效促进实验人员与平台之间的交互效果。

二、虚拟实验平台设计

1.平台前台架构

（1）网络实验模块。虚拟实验平台的前台部分面向普通实验人员，包括网络实验、实验支持等多个模块。网络实验是开展各项模拟电子技术实验的核心，在网络实验模块中提供了实验人员可以选择的实验类型和实验内容，实验人员可以根据自身需求选择目标实验。当实验人员进入到实验环境后，并不会直接开始实验，而是获取有关本次实验的具体步骤、要求和内容，帮助实验人员对本次实验建立初步、全面的认识，为虚拟环境中的实验奠定坚实基础。在网络实验模块中提供了很多实用价值较高的实验器材元件，这些元件与模拟电子技术实验课程的要求相吻合，基本覆蓋模拟电子技术课程的全部要求。其中以实验箱和Flash模型为典型代表，在实验箱中提供了类型丰富的实验元件以及足够逼真的实验面板;选择实验内容和实验面板后，可以在实验面板中按照实验步骤选择实验元件并执行连线操作，另外可以进行模拟连线处理。例如在“多级放大器设计”网络实验环境中，提供了多级放大器设计需要的电子元件和导线，为实验人员落实实验任务奠定基础。

（2）在线交流模块。实验人员在虚拟实验平台提供的空间中并不是独立的，可以通过在线交流模块根据实验内容进行交流。为增强实验人员相互之间的聊天效果，在虚拟实验平台中整合了常用的聊天方式，事实上形成了虚拟实验平台范围内的聊天室。这种在线交流模式不仅限于两人之间的交流，同时满足多人交流、群组交流的效果。在部分模拟电子实验中需要采取多人分组方式，在虚拟实验平台中也可以完成与现实场景相吻合的人员分组任务;在构建小组的基础上开展群组交流活动，针对模拟电子技术实验中发现的问题进行互动，群策群力共同解决问题。通过在线交流模块还可以实现问题解答、实验问题发布等功能，同时为模拟电子技术实验中的学术问题开展研讨。

（3）实验辅助模块。在模拟电子技术实验过程中可能会需要辅助支持，通过实验辅助模块为实验人员的实验活动提供必要的支持。该模块中可以提供多种表现类型的支持，例如通过文字资料为实验提供可以借鉴的内容。与此同时还可以为模拟电子技术实验提供视频、动画、音频等多方面的材料支持;同样以“多级放大器设计”为例，在开展正式实验前需要预习有关本次实验的内容，对实验步骤、流程和目标建立基础认识。实验人员通过播放实验视频的方式，对“多级放大器设计”实验的基本过程进行梳理，从而做到对实验内容心中有数。在虚拟实验平台开发中充分整合Flash、短视频等技术，增强实验内容的展示效果。与此同时提供关于本次实验的语音介绍内容，丰富实验辅助模块的体验效果。

（4）实验学习模块。任何实验课程都不能完全脱离实际，对于模拟电子技术实验同样如此。因此在前台架构中设计了实验学习模块，为开展与模拟电子技术实验相关的理论学习提供便捷渠道。另外各个学校针对模拟电子技术实验课程编写了实验教材，在虚拟实验平台中可以阅览与实验教材同步的内容。这些内容以pdf、word等多种格式体现在实验学习模块中，实验人员在执行实验的过程中可以随时查阅编撰的实验材料，为开展实验学习提供了自由空间。在实验学习模块中提供了学习成果检验的路径，通过问答题、试卷等方式为实验人员自我检测学习成果提供了有效渠道。

2.平台后台架构

（1）信息维护模块。在该模块中主要维护关于虚拟实验平台的各项信息，后台管理员可以管理参与模拟电子技术实验的人员信息。由于虚拟实验平台在学校或者单位范围内进行，因此要做好虚拟实验平台操作人员的权限管理工作。例如实验人员在使用平台前需要注册账号信息，并提供证明本人身份的信息;这部分信息提交后需要后台管理员的审核验证，在确定注册人员身份后方可允许实验人员操作平台。通常情况下需要验证人员的姓名、院系、专业等信息，进而建立虚拟实验平台的人员信息体系。

虚拟实验平台的大量信息内容与实验课程、实验步骤有关，在信息维护模块中构建完整的数据信息体系。例如在实验内容信息管理功能中，实现对实验电路图、实验人员、时间等信息的管理功能，妥善保存某次实验的结果。对于实验课程信息的管理同样如此，操作信息维护模块可以建立有关模拟电子技术实验课程的台账，体现每次实验课程的标题、描述内容、实验要求等信息。

总体来讲，信息维护模块是虚拟实验平台与数据库体系交互的重要模块，上述信息最终都会保存在虚拟实验平台数据库中。后台管理人员操作的全部信息都来自数据库，在数据库中设计了有关模拟电子技术信息的数据表，为信息维护模块提供充足的信息支撑。

（2）实验报告管理模块。每次模拟电子技术实验后，实验人员都应当根据此次实验情况编写实验报告，关于这部分实验报告信息的管理则由管理人员在后台完成。一份完整的实验报告，应当清晰体现一次模拟技术实验的目的、过程和结果。后台管理员可以对全部实验报告信息进行全面管理，教师用户可以对个人负责学生的实验报告进行批阅并给出成绩，建立成绩与实验报告之间的对应关系。由于实验报告涵盖内容较多，因此在实验报告管理环节需要设计批阅、查询、修改等多项功能，确保实验报告信息能够贯穿模拟电子技术实验过程。

（3）统计评价模块。对于实验人员的具体表现以及实验成绩需要综合评价，与此同时模拟电子技术实验的评分项目较多，因此在统计评价模块中设计了分步骤打分、成绩计算等功能。教师根据实验人员在各个流程步骤的表现给出合理的分数，虚拟实验平台执行成绩计算功能确定实验人员的最终分数。教师在掌握实验人员最终分数和操作过程的基础上，确定对本次模拟电子技术实验内容的掌握程度。在此基础上给出相对客观公正的评价。参与模拟电子技术实验的人员信息、成绩信息乃至课程内容信息是一笔庞大的数据资源，因此在整合大数据技术的前提下，建立了成绩数据评价体系。后台用户可以实验人员、院系、实验课程等信息为维度，检索模拟电子技术实验信息并深入分析，确定院系内不同班级、或者班级内不同实验人员的总体表现，为教师优化教学方案提供重要的依据。平台功能架构如图1所示。

三、虚拟实验平臺应用优势

1.扩展实验空间。传统模拟电子技术实验体系主要在实验室现场进行，由于实验教学资源终究有限，实验中心通常要容纳全部工科学科的实验教学任务，具体到每一类实验课程仅能分到2～3间实验室，需要教务人员根据学生规模制定实验方案并开展分批实验，间接延长实验周期并降低一学期内可以开展的模拟电子技术实验课程内容。应用虚拟实验平台则有效突破空间层面的桎梏，由于平台中包含全部实验课程，教师可以根据实验课程的简繁难易程度进行甄选;对于基础性较强、对现场依赖度较低的实验课程则可以完全在虚拟实验平台环境中完成，对于相对复杂的课程则可以采用“平台+现场”的实验教学模式，通过虚拟实验平台达到预习效果，随后在现场环境中实地操作。由此可见虚拟实验平台的优化效应非常显著，实验中心实验室资源的利用效率也会显著提升，模拟电子技术实验体系中的全部课程都可以在规定教学学时内完成，保证实验教学全面铺开。

2.有助于培养创新意识。虚拟实验平台有效拓宽了实验环境，实验人员可以充分利用平台提供的各种资源进行拓展实验，很多传统实验环境中的束缚因素被彻底去除。实验人员在积极开展实验的同时不断探索模拟电子技术课程的未知领域，真正体现工科教学“基于课程高于课程”的理念。虚拟实验平台真正利用互联网资源，为开展试验开拓空间。

3.降低实验成本。虚拟实验平台本质上是将现场实验环境搬移到网络环境中，在很多领域起到与现场实验同等的作用。一直以来实验环境建造和实验设备配置是学校开展实验活动的难题，很多实验设备历经多年使用，已经出现明显的损耗或者计数不清的现象，利用这种设备开展模拟电子技术实验的意义已经不大;另一方面，学校需要在实验中心建设以及实验设备更换方面投入较多经费，提升了学校运营成本。虚拟实验平台的应用显著降低对实体实验设备的依赖程度，学校在制定实验中心建设方案时更有针对性，诸多设备元件通过网络环境就可以实现，实体设备元件的使用频率明显降低，提升实验设备的使用寿命并延长周转周期，很多成本由此被节省。

4.提升容错性。模拟电子技术虽然主要在弱电环境中进行，但是潜在的伤害因素不容忽视，有可能会对实验人员造成人身伤害。应用虚拟实验平台则会提升模拟电子技术实验环境的安全性，实验过程完全在网络环境中进行，实验人员无需要担心由于实验带来的安全隐患，能够更好地投入实验过程。另一方面，模拟实验操作出现失误，可能会对设备本身造成难以挽回的损害，存在容错度较低的特征;应用虚拟实验平台，对于实验设备起到显著的保护作用，即便实验人员在实验中出现错误，也有很大的挽回余地，实验行为的容错性明显提升。

结束语：虚拟实验平台的应用，对于传统实验教学体系是一次彻底新的突破，也为模拟电子技术实验教学的发展开辟新的空间。在应用虚拟实验平台的过程中要注意积累经验和方法，力争获得更好的教学效果。

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作者简介：杨秀峻，男，1998年8月，本科生，黑龙江工业学院，电气工程及其自动化，专业学生。

黑龙江工业学院  黑龙江  鸡西  158100