石婷 雷飛 奧頓 宋洪光

［摘 要］ 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式難以突破地域和時(shí)空限制，且評價(jià)模式單一。近年來，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求越來越迫切，多維度分析、評價(jià)學(xué)生的動(dòng)手及學(xué)習(xí)能力顯得尤為重要。電子技術(shù)基礎(chǔ)及課程設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以很好地解決這些問題。該遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，一方面可以在線下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，另一方面可以在線上通過一臺電腦隨時(shí)隨地輕松遠(yuǎn)程做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)線上線下虛實(shí)結(jié)合的電子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，互動(dòng)性較少，收集、管理學(xué)生的學(xué)情數(shù)據(jù)需要花費(fèi)教師大量的時(shí)間和精力，課堂時(shí)間利用率低，通過該系統(tǒng)可以十分便捷地收集到學(xué)生的理論和實(shí)際動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)化管理和分析，通過多維度的數(shù)據(jù)報(bào)表直觀反映實(shí)際的教學(xué)成果。

［關(guān)鍵詞］ 電子技術(shù)；遠(yuǎn)程教學(xué)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度教育部基于羅克韋爾工業(yè)的“新工科”產(chǎn)學(xué)研賽師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)（202102341001）；2021年度教育部基于TI器件的電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺開發(fā)（202102165002）；2021年度北京市教育科學(xué)規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室服務(wù)“雙循環(huán)”新發(fā)展格局構(gòu)建跨學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)體系（CDAA21043）

［作者簡介］ 石 婷（1984—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部高級實(shí)驗(yàn)師，人工智能與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心主任（通信作者），主要從事電工電子和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究；雷 飛（1972—），男，安徽桐城人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部副教授，教務(wù)處副處長，主要從事機(jī)器人和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）32-0086-04 ［收稿日期］ 2022-05-07

一、教學(xué)目的

近年來，對電子技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求越來越迫切，尤其面對突如其來的新冠病毒感染疫情，為避免聚集，保證師生的身體健康和生命安全，必須轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃€上教學(xué)為主體的模式，這對每一位教師來說都面臨著極大的挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)也給教育帶來了遇見未來的契機(jī)，無論是主動(dòng)的還是被動(dòng)，師生在新冠病毒感染疫情期間都體驗(yàn)了一次全過程的線上教學(xué)過程，其中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)更為突出［1-5］。

通過遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以增強(qiáng)互動(dòng)式教學(xué)，可形成多層次的互動(dòng)：一是教師與學(xué)生的互動(dòng)，教師提供資源、設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主創(chuàng)作，通過課外研究活動(dòng)建立互動(dòng)，通過中心的網(wǎng)絡(luò)信息平臺進(jìn)行交流；二是學(xué)生與學(xué)生的互動(dòng)，通過團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生之間的交流、學(xué)習(xí)和研討，并培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)精神與合作意識；三是實(shí)驗(yàn)中心與校外實(shí)習(xí)基地的互動(dòng)，通過與企業(yè)等實(shí)習(xí)基地的互動(dòng)，引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)業(yè)界，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與社會(huì)實(shí)踐的接軌［6-8］。

本課程的教學(xué)目的是通過電子實(shí)驗(yàn)知識、概念的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)，使學(xué)生加深對相關(guān)理論知識的理解，初步具備進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的能力。通過本課程，學(xué)生能夠?qū)W會(huì)電子元器件、集成電路的識別、測試和使用知識，掌握常用電子設(shè)備和工具的使用方法，在完成幾個(gè)單元實(shí)驗(yàn)的過程中，加深對理論知識的理解，建立實(shí)驗(yàn)的概念。通過對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的故障的分析和排除，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綜合型模塊化題目的過程中，學(xué)會(huì)測量、記錄、分析和調(diào)試，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，獲得感知，積累經(jīng)驗(yàn)。通過電腦操作和遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)的線上線下融合形式讓學(xué)生綜合掌握模擬電路、數(shù)字電路、電路分析等相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識，充分激發(fā)學(xué)生工程思維能力，為未來就業(yè)所需電路設(shè)計(jì)能力打下基礎(chǔ)。

二、教學(xué)實(shí)施過程

首先教師在開學(xué)前為課程的調(diào)整做了大量的準(zhǔn)備工作，包括對授課方式的調(diào)整、課程內(nèi)容的更新、線上實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建、線上授課工具的摸索、實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)督、考試形式的監(jiān)控等過程進(jìn)行了全方位的討論和準(zhǔn)備。課前通過學(xué)習(xí)通、微信群發(fā)布各類通知和各種學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生完成預(yù)習(xí)工作；上課時(shí)，在學(xué)習(xí)通和微信群讓學(xué)生簽到，通過騰訊視頻會(huì)議進(jìn)行線上授課，詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)過程并進(jìn)行模擬仿真，利用學(xué)習(xí)通和微信群進(jìn)行問題討論和答疑；課下學(xué)生進(jìn)行線下模擬仿真做實(shí)驗(yàn)，并通過微信群與教師實(shí)時(shí)溝通、實(shí)時(shí)答疑，通過學(xué)習(xí)通和郵件提交實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果；最后通過騰訊視頻進(jìn)行在線考試，考試結(jié)束時(shí)在學(xué)習(xí)通和郵件上同時(shí)提交試卷。這其中還包括由于新冠病毒感染疫情沒有到校的留學(xué)生，隨時(shí)保持聯(lián)系溝通，在網(wǎng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)授課和實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成。最終保證課程和考試順利完成［9-10］。

遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)方法描述：

☆根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)習(xí)、掌握實(shí)驗(yàn)原理；

☆根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖；

☆根據(jù)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的電路圖；

☆用仿真軟件仿真所設(shè)計(jì)電路圖并優(yōu)化；

☆搭建實(shí)物連接電路進(jìn)行驗(yàn)證；

☆記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題。

遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的學(xué)生交互性操作步驟說明：

☆學(xué)生學(xué)習(xí)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理，不理解的地方與教師溝通；

☆根據(jù)原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖，提交給教師審核，教師反饋審核結(jié)果，學(xué)生優(yōu)化，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖；

☆根據(jù)框圖，設(shè)計(jì)模塊電路，用仿真軟件仿真，查看仿真軟件結(jié)果；

☆在仿真軟件結(jié)果不理想的情況下，需要核對模塊電路設(shè)計(jì)，在仿真軟件結(jié)果理想的情況下，跳過該步驟；

☆仿真軟件結(jié)果不理想，自己沒查找到問題的情況時(shí)，需要與教師進(jìn)行溝通，完成模塊電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)；

☆搭建具體的實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路，確保實(shí)物與實(shí)驗(yàn)原理圖的型號對得上，否則無法完成實(shí)驗(yàn)；

☆觀察儀器是不是正確的結(jié)果，如果結(jié)果不正確，需要自己查找資料或者與教師溝通交互；

☆記錄儀器的測試結(jié)果或者上位機(jī)顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

☆與其他同學(xué)溝通測試結(jié)果，或者將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接提交；

☆編寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交給教師，教師反饋審核結(jié)果后，進(jìn)行優(yōu)化。

以“555振蕩器”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

（一）課內(nèi)開展

1.教師講解“555振蕩器”的基本原理，以便學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的基本原理進(jìn)行了解。此部分一般10分鐘內(nèi)完成，教師只講解基本原理，重點(diǎn)在于學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行電路搭建和調(diào)試。

2.學(xué)生自主搭建實(shí)驗(yàn)電路。主要要求學(xué)生進(jìn)行不同的電路搭建方法的嘗試，并對同一電路改變不同電阻值等操作，通過示波器對電路信號頻率、幅度、占空比等項(xiàng)進(jìn)行測量，記錄測量數(shù)據(jù)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在此過程中，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行自由搭建，并通過對不同阻值的調(diào)整，可以掌握此電路相關(guān)知識，并能突出感受到真實(shí)物理器件和虛擬器件的特性區(qū)別。

3.教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。在班級學(xué)生進(jìn)行整體實(shí)驗(yàn)過程中，每一個(gè)學(xué)生的每一次實(shí)驗(yàn)過程所產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)、測量儀器的屏幕截圖、學(xué)生實(shí)際搭建的電路圖，教師都可以通過后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取。教師會(huì)通過對整體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出此次實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生掌握的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，以便更好地了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度；教師也會(huì)對重點(diǎn)學(xué)生的單獨(dú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，以便針對個(gè)別學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)了解。

4.教師針對易錯(cuò)點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。針對大數(shù)據(jù)分析后的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，教師進(jìn)行整體的重點(diǎn)講解，對于之前錯(cuò)誤的學(xué)生，進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，直至學(xué)生掌握為止。

（二）課外開展（學(xué)生可以任意時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)）

1.教師將課外實(shí)驗(yàn)常用的元器件和測試儀器保持在開機(jī)狀態(tài)，供學(xué)生使用。

2.對還未開展的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自由查看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和原理圖，以便對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)。

3.對已經(jīng)結(jié)束的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自由查看教師總結(jié)的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，以便對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)。

4.學(xué)生可以自主進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)或者拓展實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，對于拓展實(shí)驗(yàn)部分，教師會(huì)提供指導(dǎo)書和原理圖以便學(xué)生自由查看；而自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，則充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，教師只提供基本元器件和測試儀器等工具，以便更好地拓展學(xué)生的工程思維能力。

5.對于預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、拓展實(shí)驗(yàn)、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生每一次課外進(jìn)行的時(shí)間、時(shí)長、測量數(shù)據(jù)、儀器截圖、電路圖等，教師都會(huì)在后臺進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和獲取，并根據(jù)學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，對學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)的指導(dǎo)和培養(yǎng)。

三、教學(xué)考核要求

設(shè)置了實(shí)操能力考核、個(gè)人作品考核、小組作品考核、理論知識筆試考核相結(jié)合的多元化考核方式。力求做到理論知識考核和運(yùn)用理論知識綜合解決實(shí)際問題的能力考核相結(jié)合，個(gè)體考核與學(xué)習(xí)小組考核相結(jié)合，學(xué)習(xí)結(jié)果考核與學(xué)習(xí)過程考核相結(jié)合，以確?？己说目茖W(xué)性和準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的具體考核采用行程性與終結(jié)性相結(jié)合的方法，即結(jié)合課程特點(diǎn)與教學(xué)要求，建立以基本理論和基本技能為基礎(chǔ)，以綜合運(yùn)用能力為重點(diǎn)，以學(xué)習(xí)態(tài)度為參照的綜合考評體系，注重考評方式的多樣化和考評指標(biāo)的規(guī)范化，以保持對學(xué)生學(xué)習(xí)成績和教師教學(xué)效果檢驗(yàn)的客觀公正性?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)特色的綜合性實(shí)驗(yàn)主要從考勤、實(shí)驗(yàn)過程檢查和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三個(gè)方面綜合考核并確定成績。創(chuàng)新性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般單獨(dú)考試和記分，采用對申請優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)小組以現(xiàn)場展示、提問、學(xué)生做簡單答辯的方法考核后再確定最終成績。

四、教學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

（一）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新

充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程在線化。支持本地和在線實(shí)驗(yàn)，突出“資源共享”，解決因不可抗力因素不能到實(shí)驗(yàn)室時(shí)也能照常做實(shí)驗(yàn)的問題。支持驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，完成模電、數(shù)電、電子線路、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，支持創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，支持教師根據(jù)課程內(nèi)容自有更改實(shí)驗(yàn)電路。以學(xué)生為中心需要實(shí)驗(yàn)過程的大數(shù)據(jù)，為科學(xué)評價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和教學(xué)結(jié)果做支撐。具備本地、遠(yuǎn)程、教學(xué)、考試一體化的能力。適應(yīng)課程性、未來升級性、不斷滾動(dòng)課程內(nèi)容，打造特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（二）教學(xué)方法創(chuàng)新

引入長三角、珠三角地區(qū)的優(yōu)質(zhì)高新技術(shù)企業(yè)，深度產(chǎn)教融合共同打造以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)課程體系。以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目式教學(xué)為切入點(diǎn)，以學(xué)習(xí)過程中采集的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)為依據(jù)，采取個(gè)性化學(xué)習(xí)，針對學(xué)生知識點(diǎn)薄弱的環(huán)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)提醒并推送相關(guān)內(nèi)容。貫穿式學(xué)習(xí)，從基礎(chǔ)驗(yàn)證到綜合設(shè)計(jì)到行業(yè)應(yīng)用，在同一平臺上完成。

（三）評價(jià)體系創(chuàng)新

因采集學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)而讓教師可以不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而有針對性地實(shí)施知識的傳遞。學(xué)生因?yàn)橛袑W(xué)習(xí)過程大數(shù)據(jù)，從而可以不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，直到達(dá)標(biāo)。對學(xué)生個(gè)體、對班級情況、對專業(yè)情況依據(jù)大數(shù)據(jù)分析出問題，并不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對人才的系統(tǒng)培養(yǎng)。

（四）對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

貫穿式教學(xué)，基礎(chǔ)+進(jìn)階+高階訓(xùn)練+行業(yè)應(yīng)用。聯(lián)動(dòng)產(chǎn)業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)集教、學(xué)、訓(xùn)練、應(yīng)用為一體。24小時(shí)的開放模式，大大提高了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的效率，讓學(xué)生有更多時(shí)間進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)。

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Exploration of Remote Virtual Simulation Experiment Teaching Mode of Electronic Technology

SHI Ting， LEI Fei， AO Dun， SONG Hong-guang

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： The traditional experimental teaching methods are difficult to break through the limits of region and time， and the evaluation mode is single. In recent years， with the frequent outbreak of epidemics in many places， the demand for remote virtual experiment teaching is becoming more and more urgent， and multi-dimensional analysis and evaluation of students practical and learning abilities are particularly important. The remote virtual simulation experiment of Electronic Technology Foundation and Course Design can solve these problems well. According to the remote virtual simulation experiment， on the one hand， actual experiment operation can be carried out offline， and on the other hand， the experiment can be easily and remotely carried out online through a computer at any time and any place， so that online and offline virtual and real combined electronic experiment design， simulation and realization are realized. The traditional teaching mode is less interactive， and it takes a lot of time and energy for teachers to collect and manage students learning data， so the utilization rate of classroom time is low. Through this system， students theoretical and practical experimental data can be collected conveniently， managed and analyzed automatically， and the actual teaching results can be reflected intuitively through multi-dimensional data reports.

Key words： electronic technology; distance learning; virtual simulation; experimental teaching