黃春媚

【摘 要】當前電子技術(shù)實驗教學(xué)傳統(tǒng)模式已不能滿足教育信息化和開放性實驗研究的需要，電子技術(shù)虛擬實驗室的建立彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，使教學(xué)形式更加生動，實驗的設(shè)計更加靈活。

【關(guān)鍵詞】電子技術(shù)課程 虛擬實驗 傳統(tǒng)實驗

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）03C-0181-03

教育信息化迎來了教育理念和模式改革的深刻革命，為更好地培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的實踐創(chuàng)新人才，全國高校紛紛進行了開放性實驗教學(xué)的改革，傳統(tǒng)的以元器件操作、紙質(zhì)記錄的實體性實驗?zāi)Ｊ揭巡荒軡M足開放性實驗研究的需要。開放性大學(xué)的日益發(fā)展，越來越多的人加入了終身學(xué)習(xí)的行列。電子技術(shù)是在實驗的基礎(chǔ)上進行理論研究的學(xué)科，其內(nèi)容較多，實驗次數(shù)有限，課程內(nèi)容較抽象。隨著虛擬電子實驗技術(shù)的成熟，仿真實驗室在電子技術(shù)教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值日益凸顯。2014年3月，教育部發(fā)出了批準建設(shè)全國首批100個國家級虛擬仿真實驗室的通知。虛擬電子技術(shù)實驗室作為傳統(tǒng)實驗的有效補充和延伸，已經(jīng)成為電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生進行專業(yè)課程設(shè)計的重要實驗平臺，是電子技術(shù)課程教學(xué)的一項重要創(chuàng)新。

一、電子技術(shù)虛擬實驗室國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自21世紀以來，教育數(shù)字化已經(jīng)成為世界教育活動發(fā)展的一種新潮流。最早提出虛擬實驗室概念的Willaim Wolf教授形象的把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心”。目前，國外在電子學(xué)方面，麻省理工學(xué)院的Web Lab遠程實驗室早在13年前就開發(fā)并使用在電路設(shè)計課程和微電子學(xué)的實驗。西班牙大學(xué)的電子儀器虛擬工作平臺，意大利帕瓦多大學(xué)的遠程虛擬教育實驗室都是世界上一流的電子虛擬實驗室。還有LAA Physics（Lean Any time Any where Physics）物理實驗室是由美國北卡羅來那大學(xué)研制的，它提出了“隨時隨地學(xué)習(xí)物理”的口號，其目的就是建立一個自由、開放的物理課程實驗室。

從知網(wǎng)查詢對于電子技術(shù)虛擬實驗的研究，從中可以看出學(xué)術(shù)界對于電子技術(shù)的學(xué)術(shù)關(guān)注度呈逐年上升的趨勢。國內(nèi)電子虛擬實驗室的建設(shè)在這幾年也得到了快速的發(fā)展。國家開放大學(xué)的物理虛擬實驗室，北京郵電大學(xué)的開放式網(wǎng)上虛擬實驗室，電子科技大學(xué)的電子與通信系統(tǒng)虛擬仿真實驗室，西安電子科技大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)的電子信息與通信虛擬仿真實驗室等都逐步建成并投入使用。

電子電路以及整個系統(tǒng)的設(shè)計是一個不斷調(diào)試、糾錯而呈螺旋式上升的過程，它需要耗費大量的人力、物力和財力。采用虛擬實驗平臺進行電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計可有效解決實驗設(shè)備的不足，這使得虛擬仿真實驗愈加適合電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)教育。

二、電子技術(shù)虛擬實驗方式與傳統(tǒng)實驗方式的區(qū)別

教育的信息化使電子線路課程體系隨著信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，電子器件從電子管、晶體管到集成電路的發(fā)展，也在高校電子技術(shù)課程的教學(xué)領(lǐng)域引起相應(yīng)的變化。虛擬仿真實驗室的創(chuàng)立，能很好地化解實驗硬件的不足，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，仿真技術(shù)能更充分調(diào)動學(xué)生的積極性。

（一）傳統(tǒng)實驗

電子技術(shù)實驗課程主要強調(diào)硬件知識和技能的獲取。其包括元器件、單元電路以及由此組成的電路與系統(tǒng)，通過實驗掌握這些硬件電路的結(jié)構(gòu)原理以及分析設(shè)計。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)需要設(shè)計、調(diào)試、實驗、分析四個階段，但如果對自己的制作工藝沒有充分的把握，都不敢通電實驗，擔(dān)心存在的危險會影響實驗數(shù)據(jù)的收集。隨著電子元件的增多，比如手機電路板的尺寸很小，電路的層數(shù)也多，布線就有了相當?shù)碾y度，導(dǎo)致無法用手工設(shè)計。再者，隨著元件數(shù)量的增多，各元件之間的相互干擾，使耦合也變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的實驗方式優(yōu)點是：實體感強，進行小型電路設(shè)計時，布線明了，操作完成后更有成就感。

（二）虛擬實驗

虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗室為開設(shè)各種虛擬實驗課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似。學(xué)生可利用虛擬器材庫中的器材，自由搭建實驗教學(xué)計劃中的實驗教學(xué)項目，完成綜合性、設(shè)計性實驗方案的實現(xiàn)。在虛擬實驗室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識、科學(xué)的指導(dǎo)和及時的反饋。而且采用電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計成本低、功能全、易糾錯。虛擬實驗的優(yōu)點是：學(xué)生可隨時隨地動手配置、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備，縮短了設(shè)計周期。虛擬教學(xué)使實驗的安全系數(shù)提高，在教學(xué)中更便于教師監(jiān)控，減少實驗報告的抄襲情況。

三、虛擬實驗技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）基于軟件的虛擬電子技術(shù)設(shè)計實驗應(yīng)用

基于信息化時代，計算機可以幫助我們在進行電子技術(shù)實驗的時候進行計算、信息存儲和制圖等多項工作。比如，EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)的應(yīng)用，它是在電子輔助教學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件，其以計算機為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)和智能化技術(shù)的最新成果，主要能進行電子電路設(shè)計、IC設(shè)計和PCB設(shè)計。EDA技術(shù)將先進、豐富生動的教學(xué)方式引入到電子技術(shù)的教學(xué)之中，使復(fù)雜抽象、不易理解的電子技術(shù)變得生動形象、簡單易學(xué)。

EDA工具層出不窮，目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件主要有加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、美國Cadence公司的OrCAD、澳大利亞Altium公司的PROTEL、美國Mentor Graphics公司的PADS等。

各類基于應(yīng)用軟件的EDA軟件的設(shè)計都大體相同，以電子電路工作平臺EWB（Electronic Workbench）軟件為例，如圖2所示，其界面操作簡單，工作桌面上裝有進行電子實驗的若干元器件以及實驗設(shè)備，像傳統(tǒng)操作一樣在計算機上完成接線，然后在指定按鈕（計算機窗口中）上按一下鼠標 ，計算機將顯示出實驗結(jié)果。其儀器儀表庫中還提供了信號發(fā)生器、萬用表、電壓表、掃頻儀、雙蹤示波器、邏輯分析儀等儀器儀表。面板上也提供了各種建模精確的元器件，電阻、電感、電容、二極管、三極管、繼電器等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路。它完全基于電腦中的軟件進行電子電路實驗，電路的設(shè)計可以與實驗同時進行，邊實驗邊通過電腦進行分析并形成實驗報告。

利用軟件式的虛擬平臺輔助教學(xué)，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)效果，從而提高教師的教學(xué)效率。也可對仿真電路進行破壞性連接，方便地檢測不同故障情況下的電路工作狀況。但它的特點是要事先對軟件進行了解，學(xué)習(xí)軟件的操作方式，此類軟件也適合比較復(fù)雜的電路安裝調(diào)試或者電路的設(shè)計。

（二）基于網(wǎng)頁的虛擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗應(yīng)用

基于網(wǎng)頁（web）的虛擬實驗室利用多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將整個實驗操作過程進行計算機模擬。有的是采用交互式Flash技術(shù)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實驗室。基于Flash技術(shù)開發(fā)的實驗界面美觀、視覺沖擊效果強、體積小、簡單易學(xué)，可直接在瀏覽器中進行操作，不需要安裝。學(xué)習(xí)者通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的鼠標操作，就可以像操作真實的實驗設(shè)備一樣，完成實驗過程。這種模式比較適用于在電子技術(shù)的基礎(chǔ)教學(xué)中，一些簡單的實驗可以通過鼠標的操作完成。

在基于網(wǎng)頁的虛擬實驗室中，實驗者也可以進行實驗預(yù)約、交互性虛擬實驗、實驗報告的提交等。基于WEB的方式，學(xué)習(xí)者無需學(xué)習(xí)軟件，完全是“所見即所得”，看到的是真實的儀器而不是符號，比較適合完成電子技術(shù)課程中一些入門式的實驗及初學(xué)者。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室就是一個無墻的實驗中心，是終身學(xué)習(xí)、社區(qū)教育的一個強大的教學(xué)后盾。比如要測量變化的磁場是不是形成電流，就可以直接用鼠標拖動磁鐵上下移動，看一下電表的變化就可以清楚地看到形成的電流變化，如圖3。

（三）基于傳感器的虛擬電子技術(shù)實驗應(yīng)用

傳感器技術(shù)的內(nèi)容涵蓋了電磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、微電子學(xué)等多個學(xué)科交叉。它通過感受物理量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置，利用某些材料自身所具有的內(nèi)在特性去感受被測量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號導(dǎo)入計算機進行處理，因為其實驗數(shù)據(jù)最終結(jié)果是通過輸入電腦去進行記錄、整理、計算、作圖、分析，所以，我們也把它歸為虛擬實驗方式的一類。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖4。

四、云計算時代電子虛擬仿真實驗室的展望

（一）改變教育方式

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室使遠程教育更趨完善，它向人們展示了信息時代一種全新的教育方式。其打破了傳統(tǒng)實驗的模式，師生不受時空限制，共享數(shù)據(jù)和計算資源，減少重復(fù)投資。

（二）節(jié)省經(jīng)費

傳統(tǒng)實驗室為提高學(xué)生的動手能力，需要配置大量的元件和電子儀器，存在投資大、維護難的問題。造成科研活動耗資大，實驗設(shè)備價格昂貴。在虛擬實驗室中，儀器和元件不存在損壞，當整個電路系統(tǒng)先虛擬仿真成功再投入實際運作，可以降低科研成本。

（三）數(shù)據(jù)存儲云同步

云時代增強了師生交互、協(xié)作和資源共享的能力，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠程虛擬現(xiàn)實通過Internet服務(wù)為個人用戶提供海量甚至無限量的個人存儲空間。多個個人設(shè)備中的數(shù)據(jù)可以與云存儲數(shù)據(jù)自動同步。

大數(shù)據(jù)時代，把實驗室放到“云”上，使實驗教學(xué)具有開放性，大眾化，學(xué)生們利用各種網(wǎng)絡(luò)終端自由地進入虛擬實驗室，方便地操作儀器進行實驗。但是，電子技術(shù)虛擬實驗方式的改革還必須與實體實踐相結(jié)合。畢竟網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗不是實體操作，電路工藝、線路長短、儀器的精密都會存在差異，其只能作為電子技術(shù)實驗教學(xué)的一個延伸和補充。

學(xué)生通過電子技術(shù)虛擬實驗室的人機交互界面來完成所設(shè)定的實驗，可以接受更大量、更具體、更完整的信息。不同層次的實驗，不同的人群選擇不一樣的虛擬實驗方式，更好地契合了開放性學(xué)習(xí)“以學(xué)生和學(xué)習(xí)為中心”的學(xué)習(xí)模式。采用科學(xué)的實驗室裝備，進行多種形式的實驗方式，可以促使我們與最先進的電子實驗同步，更好地提高實驗教學(xué)的水平。

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