面向计算机硬件类课程的移动虚拟实验室构建策略

黎建华　胡永良　李菡

摘要：针对高校实验室建设的实际状况，在分析计算机硬件类课程教学现状的基础上，提出基于网络虚拟实验室与移动学习技术构建移动虚拟实验室的新理念，给出移动虚拟实验的构建模型及自主交互式学习/训练模型，说明移动虚拟实验室的构建策略。以突破传统的硬件类课程实验室建设模式，为新时代下计算机硬件类课程的实验室建设提供新的思路。

关键词：硬件类课程；移动虚拟实验室；移动学习；自主交互式；学习/训练周期

0.引言

实验教学作为现代教育的关键环节，是培养学生工程实践能力与创新能力的重要手段。实验室作为实验教学的主要阵地，其设备水平直接关系到实验项目的开展及效果。计算机硬件类课程的教学、基础实验与创新研究性实验的开展必须以丰富的实验设备及成熟的实验条件为依托。

1.计算机硬件类课程的教学现状

当前各高校计算机硬件类课程的教学从晶体管、计算机系统到接口电路，其内容涵盖模拟电路、数字逻辑电路、计算机组成原理、单片机与接口技术、嵌入式系统及物联网等。当前，计算机硬件类课程的相关实验室建设虽然逐步完善，但实验教学还存在诸多问题，主要表现在以下几个方面：一是实验步骤机械使用封闭式实验箱，以落后原始的手动连线和观察现象为主，按照实验步骤应付了事，电路结构的变化不灵活；二是实验平台与实验内容受限，在实验室的构建上，如师资、教学内容和实验设备的选择都有一定的侧重点，实验设备与实验内容有很大的局限性，一些实验受各种条件的限制难以开展；三是开展实验的时间和地点受限，学生需花费大量的时间在校内固定的电脑上，使学生的学习时间和地点受到极大限制；四是硬件设备陈旧导致学生不愿进实验室，计算机硬件设备更新通常比较缓慢，设备陈旧老化导致实验进度缓慢，最终使学生兴趣索然，甚至不愿走进实验室完成教师指定的实验项目。这些问题很大程度上束缚了学生的学习兴趣，更不利于学生工程创新能力的培养。

为克服实验箱的不灵活性及实验教学内容与设备的片面性，近年来国内诸多高校采用“以软仿硬”的实验方式，即在教学和实验中使用模拟仿真软件（如Multisim、Labview、Proteus等）搭建仿真实验平台，在计算机上调用元器件库进行连线画图、编写文件、确定跟踪点、调用模拟程序，在集成软件环境下设计硬件电路以克服硬件实物实验条件的限制。但这些基本都在课堂或实验室开展，实验项目扩展有限。因此，如何克服传统的计算机硬件实验室建设弊端，解决实验条件（如师资、设备等方面）的匮乏与实验需求不断增加的矛盾，使学生的学习不受时间、地点及设备数量的限制，促进实验教学质量的提高，已成为当前实验室建设的一个重要议题。

2.移动虚拟实验室构建理念的提出

2.1网络虚拟实验室

随着虚拟现实技术、仿真技术和通信网络技术的发展，网络虚拟实验室（network virtual laboratory，NVL）的出现为硬件实验的开展提供了一种新的教学方法与学习手段。网络虚拟实验室是采用服务器、客户端及实验设备构建虚拟实验场所，学生在计算机仿真实验环境下，利用鼠标等工具直接在网络上完成实验绘图、参数设定与编程，最终获得实验仿真结果与现象，从而实现对真实实验操作及实验结果的计算机软件模拟。同一实验项目，可由不同时间、不同地点的多个学生共同完成。

2.2移动学习

在未来计算机硬件类课程实验项目教学的开展过程中，学生需要一种可以摆脱时间和空间约束的学习方式，可以在课外、寝室、食堂或任何地方根据自身兴趣和知识结构的需求，利用随身携带的手机、iPad等移动设备进行无线网络的访问，随时随地开展基础型实验项目与创新性实验项目。随着4G无线通信技术、移动终端技术的发展和移动设备的普及，移动学习（M-Learning）成为数字学习（E-Learning）和远程一学习（D-Leaming）后新的发展阶段（如图1所示），因此，移动学习作为一种新型的学习方式，比数字学习更进一步，可以不受计算机环境、地点的限制。

2.3移动虚拟实验室

Batista J等人探讨了移动学习与虚拟实验室的相互关系和必要性。从长远看，虚拟实验室作为实验教学资源建设的关键环节，向移动化学习方向发展是必然趋势。

为增强实验教学的灵活性，提高实验教学的效率，真正满足实验的随时随地性、自主性和交互性，培养学生的自学及创新能力为目标，有效利用移动设备为学生提供便捷的实验方式和丰富的学习体验，基于移动学习与网络虚拟实验室的移动虚拟实验室，能为实验教学提供一种全新的模式，将成为一种构建硬件类实验室的新方向。

3.移动虚拟实验室的构建模型

移动虚拟实验室的构建模型对于实验室建设具有决策性和指导性意义，在建立移动虚拟实验室模型时应综合考虑服务器和客户端的综合性能，合理划分服务器和客户端的功能。

图2给出了移动虚拟实验的构建模型，主要包含移动虚拟实验服务器（Serrer）和客户端（Client）两部分。移动虚拟实验Server主要负责实验室的日常管理、实验教学项目发布与实验结果分析反馈、虚拟实验项目仿真运行以及用于存储管理各种元件、设备、用户等的数据库。移动虚拟实验的Client端通过在终端设备上运行应用程序负责实验项目的图形化展示、实验项目的创建与修改及实验仿真结果的可视化显示。移动学习Client端作为人机交互界面的虚拟实验环境，表现为一个电路图形编辑器，学习者用鼠标自由拖拽器件连接电路，就像在真实电路板上搭接电路一样。考虑到移动终端设备的性能有限，实验过程中的仿真、调试、程序运行及数据分析都放在Server端，以减轻Client端的负担。

移动实验用户借助移动终端设备（智能手机、PDA等）通过无线网络（WiFi、无线传感网、4G网）访问移动虚拟实验室Server站点，通过实验室管理平台进入虚拟实验平台及数据库，选择相应的实验项目后直接在移动终端上点击或拖拽元器件和仪器设备，进行实验操作或绘制电路并编写程序，然后通过网络提交给虚拟实验室Server站点进行分析处理，Server站点将处理的结果传送到移动学习Client端，并对实验中产生的各种数据进行实时的记录、分析，然后自动生成实验报告。教师、学生相互协作完成数据库中的元器件、设备和实验项目库的动态更新，以丰富实验项目的学习与开展。

根据虚拟实验项目的要求，数据库包含具有逼真外形的元器件库、设备库、实验项目库、用户库和实验报告库。元器件库包含有基本元器件（如电阻、电容和电感等）、基本集成电路（如各种门电路、译码器）、复杂集成电路（如CPU、RAM/ROM、8255、8259等）；设备库主要存放电源、信号发生器、LED显示器等虚拟设备；通常元器件库和设备库可由第三方工具（如Protel、Multisim、Proteus等）提供。实验项目库包含基本实验项目库、创新性实验项目及自由实验项目库，其中基本实验项目库存放为满足教学的基本要求而设计的实验项目；创新性自由实验项目库主要要求学生根据选定的主题进行创新性设计，存放学生设计、编辑的实验项目；用户库用于保存用户的添加、删除等管理任务；实验报告库自动生成实验报告、管理打印等功能。

4.自主交互式学习/训练周期模型

移动学习基于行为主义理论，核心是内容设计、传递和无线交互，它从电脑和互联网的内容设计与传递转移到手持式设备和无线网络的移动学习。认知主义理论在移动学习系统的设计上强调的内容就是对教学资源的分析、对学习者特征的调查以及对教学策略的设计等。因此，移动学习的模型和方式对提高学生的学习兴趣与效率至关重要，探讨自主交互式学习/训练周期模型，让学生实现按需索取专业知识。

图4给出了一个在移动实验用户终端上对数字逻辑电路进行建模的自主交互式学习/训练周期模型。

Server端发布的实验项目通常包含文本、图片和视频文件等多媒体素材。Server端负责的学习/训练任务包括用户管理、学习/训练的交互式实验项目发布、学习进度管理与学习进度评价机制以及对数字化模型仿真的支持。移动实验用户接收Server端的实验任务，然后利用运行在移动终端上的应用程序进行电路建模，并将建立的模型投递给Server端，基于模拟仿真器的Server端可对接收的数据进行解释并将仿真运行的结果返回给实验用户，实验用户端应用程序依次对返回的仿真结果进行可视化展示。在整个交互过程中，用户也可能会收到建模错误的提示信息。Server端通过分析用户的错误问题来决定是否重新对其进行训练，例如设置更容易的实验任务、额外为用户安排与特定实验项目相关的学习资料等。Server端对从移动实验用户端接收的实验项目解答自动评估，如果对评估结果不满意，Server端通知实验用户并为用户提供相应的帮助与提示，逐步引导用户找到训练项目的正确答案；如果用户答案完全或部分正确，Server端将进一步引导移动实验用户学习课程的其他部分或相应的实验项目。

5.结语

笔者以计算机硬件类课程群的实验室构建为对象，以移动性、自主交互式和创新性学习为目标，探索了移动虚拟实验室的构建模型、学习/训练周期模型。该模型有效减少部分实验仪器购置、降低实验成本；满足实验教学不断提出的新要求，满足更多更新的实验项目要求；开展“实物实验”难于开设的实验项目；突破实验的时间、地点和设备数量的限制。下一步将研究移动虚拟实验室具体实施的技术方案，形成一套完整的“理念-构建模型-学习周期-实施技术方案”的移动虚拟实验室构建策略。

（编辑：孙怡铭）