基于Virtools的电子技术虚拟实验系统及其在项目式教学中的实现

张志田 刘云芳

（湖南工业职业技术学院,湖南长沙,410208）

1 Virtools的电子技术虚拟实验系统

虚拟实验系统将所有虚拟场景、虚拟仪器及实验者集成于一个系统中，使用标准的统一命令来实现功能服务；与真实实验室不同的是，虚拟实验室是通过网络技术由虚拟技术实现的。它是一个能够完成实验效果的系统。其最大的优点就是能够再现真实实验室的实验效果，通过3D效果使在虚拟实验室平台中的实验者有逼真的效果，仿佛就在现场操作实验一样，同时用户之间还可以交流信息。所以说，虚拟实验室应该具备可操作性、开放性和仿真性的特点[2]。也能象真实的实验室一样，添加、修改和删除仪器和实验，甚至可以设置虚拟线路仪器故障，以使虚拟室验系统能够更加适应教学验目标及能力目标。

图1 实验室构成示意图

1.1 虚拟实验室原理

本着“技术为教学服务”的原则，提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟实验室的架构方案。虚拟实验室主要由实验用户识别系统、网络系统、虚拟验室管理系统、虚拟实验系统、效果评估系统、互动系统等组成，其中虚拟实验系统中包括了EWB、Protel软件。实验室的组成原理图如图1所示。

采用身份识别机制，用户若要进入虚拟实验室，首先必须登录，以核对用户是否有使用权限。这样一方面可以阻止非法用户的使用；另一方面可针对用户的属性，赋予不同的使用权限。例如:教师在登陆虚拟实验系统后，布置实验教学内容，并对学生实验中出现的情况进行辅导。学生凭自己的帐号和密码登录访问虚拟实验室。进入虚拟实验室后，学生选择好自己要做的实验项目后，进入相应的虚拟实验软件来进行实验。其后进入相应的虚拟仪器控制台，通过虚拟仪器控制面板发出实验操作指令，输入实验参数，虚拟仪器向物理仪器传输操作指令及实验参数。物理仪器接受指令和参数后执行操作，完成相应的实验内容，最后将实验所获得的实验数据通过虚拟仪器、计算机网络返回到远程实验用户，用户既可以自行分析处理这些数据，也可将这些数据直接交给虚拟实验室的数据处理系统进行分析处理。系统网络结构如图2所示。

图2 系统网络结构

1.2 虚拟实验系统的特点

虚拟实验系统为实验教学提供了实验的平台、教学环境以及相关的学习资源老师借助这个虚拟实验平台，实现教学中的交流互动，达到实验教学的目的。包括教师的教学、辅导，学生的合作、自主学习等内容。在实验教学过程中教师与学生教学活动流程如图3所示。

图3 虚拟实验系统的教互图

2 电子技术课程项目式教学在虚拟实验系统的实现

2.1 虚拟实验系统教学流程

教师在登陆虚拟实验系统后，布置实验教学内容，并对学生实验中出现的情况进行辅导。学生在登陆虚拟实验系统后，根据老师布置的实验教学任务进行实验学习，及时提交完成的实验教学任务，以便教师批改；在实验教学过程中师生可以通过虚拟系统平台提供的站内消息进行沟通交流，同时也可以借助聊天工具进行在线交流。虚拟实验系统教学流程如图4所示。

图4 虚拟实验系统教学流程

2.2 虚拟实验系统实验实现

例如：共发射放大电路静动态分析实验项目。首先，要交代清楚对本次实验的目的以及实验要求，再次，在虚拟实验系统中选择适合的实验工具来完成电路的创建，构建好的电路。并将电路保存，以备调用。实验电路图如图5所示，信号源 Vi=10mV,f=1KHz。三极管为 Q2N2222,R1=51KΩ、R2=11KΩ,R3=5.1KΩ,R4=1Ω,R5=3.9Ω,电源电压 V=12V,图中已标示。求放大倍数。

输入输出波形的观察和数据记录界面如图6，图7所示。

图5 共发射放大电路

图6 输入信号波形图

图7 输出信号波形图

在图6中，红色为输入波形，将竖线1和竖线2分别置于最高点和最低点由VA1和VA2可求得输入电压峰值VIPP=VA1—VA2=9.8723—（-9.9396）=19.8124mV输出电压周期 T=2*（T2-T1）=2（7679.2-7678.7）=1.0ms,频率 f=1/T=1KHz输出波形。在图7中，绿色为输出波形，将竖线1和竖线2分别置于最高点和最低点由VA1和VA2可求得输出电压峰值VoPP=VA1—VA2=998.1845—（-1174.5）=2172.6845mV，则输出电 压 周 期 T=2*（T2-T1）=2（7679.2-7678.7）=1.0ms,频 率f=1/T=1KH。

观察输出输入波形可知，输出电压和输入电压反相，这是由于电路为共发射极电路，集电极输出电压与基极输入电压反相。可求得放大倍数Av=2172..6845/19.8124=109.662；还可以进行静态工作点的测量等实验内容，这里就不一一介绍了。

总之，本虚拟系统基于Virtools平台，达到逼真的实验效果，又同时具有高交互性的特点，能满足实验教学的目的与要求。在实验考核方面拟建立虚拟实验考核题库，包括考核学生电路设计能力和线路故障排除等方面的能力。来实现培养学生的创新精神和实践能力为主的实验教学目标。

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