引入虚拟仿真技术，促进电工学改革

张雪辉，刘素贞，李 华，黎 霞，耿跃华

（河北工业大学 电气与自动化学院，天津300130）

0 引言

电工与电子技术系列课程是高等学校非电类各专业的技术基础课程，在高等教育本科教学中占有很重要的地位。近几年来，我国高等教育的改革与发展取得重大进展，特别是本科教育的规模迅速扩大，随着社会主义市场经济体制的完善和经济结构的战略性调整，社会各方面都对高等教育人才培养的质量提出了新的更高的要求，原来的人才培养模式已经不适应时代发展的需要。为了使学生在校期间能够接触和了解先进、前沿的科学技术，同时使他们在毕业后能够尽快适应经济建设和社会发展的需求，必须对传统的教学模式不断进行改革。

实验是理论与实际结合的桥梁，是大学理工科教学的一个重要环节，实验条件是反映办学水平和科研水平的重要标志之一。为了提高实践教学环节的质量，很多院校在实验教学中开始应用计算机技术和网络技术来构建网络化的虚拟实验室。一方面，虚拟实验室最大限度的共享了实验资源，降低了实验成本，提高了实验的使用效率，有利于实验设备的更新；另一方面，学生可以突破时空的限制在计算机上完成各种实验，获得与真实实验一样的体会。

1 网络虚拟实验室的发展现状

现代教育技术把多媒体技术、信息技术、虚拟现实技术、网络技术及智能传感控制技术综合运用并引人课堂，实现了在传统教学模式中无法实现的教学过程。其中，虚拟现实技术应用前景广阔，目前在娱乐、教育及艺术领域广泛应用，在军事与航空、医学领域、机器人、商业领域以及可视化计算、制造业等领域均占有一定比重［1］，为高校教学的发展带来了新的契机。

虚拟实验室是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。目前，国外网络虚拟实验室的研究已日趋成熟，国内的研究尚处于起步发展阶段，一些大学纷纷建立自己的虚拟实验室。从众多的网络虚拟实验室来看，按其实现的功能可以把它们分成以下两类［2］：

1.1 软件仿真形式的网络虚拟实验室

实验室以仿真软件为基础，提供虚拟实验环境，使用者通过网络进入实验室，分享各种学习资源，自主设计并测试各种电子电路。

1.2 直接操作远程实验的网络实验室

这类实验室与第一类网络实验室最主要的区别在于控制对象是真实的实验设备。客户端共享网络实验室的仪器设备，服务器端接收客户端的实验请求和实验参数，通过实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，进行实验，并将实验结果返回客户端。更为先进的是远程控制实验室，除了实验仪器、实验数据的共享之外，客户端可远程控制实验仪器设备，可以一边调整参数，一边控制和观看实验的真实运行过程。直接操作远程实验的网络实验室利用了有限的实验资源，收到了较好效果，是目前网络实验室研究发展的一个重要方向。

可见，直接操作远程实验的网络实验室具有许多优越性，但需要较多的投资，开发周期较长；而纯软件的网络虚拟实验室投资较少，实验可以任意扩充，形式丰富多样，易于开发，具有很高的实用价值。河北工业大学电工与电子技术课程组根据自身条件设计并实现了以仿真软件为基础的网络虚拟实验室。

2 电工电子虚拟实验室的设计及实现

河北工业大学电工与电子技术课程组利用网站开发工具 Macromedia DreamWeaver，设计了以仿真电子实验开发软件EWB为基础的电工电子虚拟实验室［3］。

2.1 电工电子虚拟实验室模块介绍

课程组采用基于 Web的浏览器／服务器（B／S）结构［4］，设计了电工电子虚拟实验室系统。虚拟实验室包括系统简介、软件介绍、软件基本操作、虚拟实例操作演示、虚拟实验习题库、自己动手、软件下载、参考文献和友情链接等九个模块。结构如图1所示，部分模块具有如下功能。

图1 电工电子虚拟实验室模块划分

（1）软件介绍

该模块介绍了虚拟实验常用的四种仿真软件EWB、PSpice、Multisim 200l和 Max－plus的基本功能和特点，并提供相关文件的下载，学生可以根据需要，选择使用仿真软件进行电路设计和测试。

（2）软件基本操作

该模块主要介绍了本系统设计中采用的仿真软件EWB的基本操作。详细介绍了EWB主窗口、菜单栏、工具栏、元件库和仪器库的操作和使用，并配有相应的视频操作演示。通过对该模块学习，学生能够掌握该软件的基本操作，对比较简单的电路能够自行设计和测试。

（3）虚拟实例操作演示

该模块分为基本电路实验、模拟电路实验和数字电路实验三部分（如图2所示），每一部分由不同类型的典型电路实验组成。为了让学生更好地掌握电工与电子技术课程典型电路实验，对每一个典型电路的设计都配有器件选择、参数设置以及电路性能测试仿真的视频演示。通过该模块对电工与电子技术课程典型电路实验的设计和性能测试，可加深学生对所学知识的理解与掌握，同时熟悉EWB软件的使用。

图2 虚拟实例结构框图

（4）虚拟实验习题库

该模块包括基本电路实验、模拟电路实验、数字电路实验和综合电路设计四个部分，提供了电工与电子技术课程相关的验证性实验和综合性实验电路的EWB源程序文件，学生可以把对应的源程序下载到自己的计算机上，利用EWB仿真软件实现电路的性能测试，进一步理解和掌握所学知识。为了构建以学生为主体的教学模式，加强对学生创新能力的培养，该模块给出了一些趣味性的电路设计，如交通灯控制电路以及各种报警电路等。

同时，该模块充分利用虚拟电子实验室能够实现较复杂电路的优势，进行难度较大的综合性实验设计，如数字时钟，它是数字电路中计数、分频、译码、显示及时钟脉冲振荡器等组合逻辑电路与时序逻辑电路的综合应用，通过综合性或设计性实验，进一步培养学生的动手和科研能力。

（5）自己动手

该模块分为基本电路实验、模拟电路实验和数字电路实验三部分，学生可根据以Word文档形式给出的实验设计要求，设计相应的仿真电路并进行测试。通过该模块，检验学生利用EWB软件进行各种电路设计的能力，并进一步加深学生对知识的理解。模块提供了源程序下载，以供学生参考。

2.2 电工电子虚拟实验室的实现

我校电工电子虚拟实验室采用Macromedia公司的网页编辑器 Macromedia DreamWeaver8.0作为网站开发工具，制作了网站主页及各级网页；其中网站主页采用表格方式嵌入文本，其效果如图3所示。用户通过点击网页左边的栏目导航，即可进入相应网页，进行相关知识的学习或文件下载。

传统实验教学中，教师讲解实验一般以挂图、胶片、板书、实物等为对象，这对于复杂实验的线路或功能较多的仪器（如示波器等）不够形象，教师讲解吃力，学生费解，结果往往是事倍功半。虚拟技术的引入，使得实验教学的效果得以提高。与传统实验相比，电工电子虚拟实验具有不可比拟的优点：元器件及测试仪器仪表齐全，可以做各种类型实验，弥补了实验室元器件不全的缺陷；可以方便地仿真实际中我们不能完成或者比较难完成的实验；可方便地对测试结果进行分析，利用打印机直接打印输出实验数据、测试曲线和电路原理图；实验不消耗器材，实验所需器材种类和数量不限制，成本低；速度快，效率高，容易开展各种设计性实验；使那些抽象、枯燥、难懂的学习内容以生动形象的形式表现出来，增强学习效果；可以彻底打破空间、时间的限制，同时也保障了学生和设备的安全。

图3 电工电子虚拟实验室网页

3 结语

电工电子虚拟实验室可以最大限度地利用教学资源，拓展学生的知识面，使本来难以解释的问题变得可视化，充分发挥学生的教学主体作用，激发学生的学习兴趣，达到常规教学不能实现的教学效果。虚拟现实技术对探索和发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验环境、优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才将产生深远影响。

［1］ 余华鸿.虚拟现实技术的应用现状及发展.今日科苑，2009（4）：182

［2］ 刘蕴红，高峰，王伟等.网络实验室的构建及其在实验教学中的应用.微计算机信息，2009，25（2－3）：128－130

［3］ 俞伟宏.电子电路仿真软件“EWB”在电子电工实验中的应用.中等职业教育，2009（8）：41－42

［4］ 吴晓.基于浏览器／服务器的虚拟仪器实验室研制.机器制造与自动化，2005（1）：90－92