电子信息类虚拟远程实验室建设的探索

赵同刚 申仲舰

【摘 要】

网络虚拟实验教学模式应用于提高学生动手能力环节，被认为是极有发展和应用前景的教学策略之一。北京邮电大学针对电子信息类专业学生，在搭建网络虚拟实验平台方面进行了探索。在模拟电子电路和电磁场与微波技术实验中进行了应用，满足了实验的灵活性和有效性，极大地减少了实验成本和资源消耗，达到很好的教学效果。最后，探讨了协同虚拟实验环境的设计，对培养学生协作和沟通能力产生积极的影响。虚拟远程实验室建设不仅极大地弥补了远程教育模式的局限和不足，而且使远程教育的方式和方法更趋完善。

【关键词】 虚拟实验；电子信息；协同实验

【中图分类号】 G434 【文献标识码】 B 【文章编号】 1009—458x（2015）11—0051—07

远程教育已经在我国国民教育、社会生产和人才培养等环节发挥着非常重要的作用。然而，一直困扰远程教育更加深入开展的问题是实验教学难以实施。经费、场地和管理人员不足，实验设备缺乏，以及实验设备更新慢等制约着远程教育的发展。实际上，传统大学也存在类似问题——学生实践能力不能得到充分发展和提高。实验水平低已经成为我国高等教育发展的重要瓶颈。国外一些远程教育机构尝试过家庭实验箱和实验流动车等远程教学方法，但由于实验过程中缺乏师生交流、理论教学时间和实验内容设置衔接不够紧凑等原因，实验教学效果普遍没有达到预期，难以解决远程教育的实验教学问题。[1]

为了节约和高效利用资源，北京邮电大学针对电子信息类专业学生增加了一些远程虚拟实验，并对内容设置和如何开展进行了研究和探索，重点探讨在时间、空间和成本等限制下，如何高效地进行电子信息相关实验教学。虚拟实验过程中，学生和教师之间的互动更快捷，实验时间和操作也更自由；网上虚拟实验内容更容易实现教育资源共享；软件平台技术易于扩充，比较方便组织网络实验资源；学生可以随时登录网站进行各种实验、操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生动手能力。[2]

一、国内外发展现状

近些年，许多知名高校都在远程虚拟实验教学模式方面不断探索，一些著名的大学和实验室的虚拟实验项目已经具备一定规模。例如：

·iLab项目。由美国麻省理工学院与微软研究院合作的基于Web的远程实验室，MicroElectronice Weblab用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学[3]；

·VSL（Visual Systems Laboratory）虚拟实验室。由佛罗里达大学建立，用来提高计算机图形的艺术表现力，改进仿真过程的人机接口设计[4] ；

·VRICHEL（Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory）实验室。由密歇根大学建立，研究和开发虚拟现实技术在化学领域的应用 [5]；

·虚拟工程/科学实验系统。由约翰·霍普金斯大学建立，用来引导学生尽快掌握实验技能、分析问题、解决问题、数据采集和科学分析的手段[6][7]。

除此之外，卡罗莱纳州立大学的LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）利用Java技术建立基于Web的探索式虚拟物理实验室、约翰·霍普金斯大学发起的虚拟物理实验室项目和新加坡国立大学开发的用于工程教育的虚拟实验室等，都走在虚拟实验教学的前沿。[8]我国高等教育硬件资源相对薄弱，加强对远程虚拟实验教学的探索，将对我国高等学校远程教育和传统实验教学起到很好的促进作用。[9][10]

北京邮电大学在电子信息类传统实验教学中一直有着自己的专业特色和优势，但是模拟电路、数字电路、电磁场、移动通信、智能网、下一代网络、光纤通信系统和集成电路等重点学科，有的涉及原理知识非常抽象，有的专业实验设备价格高昂，有的内容辐射大有安全隐患（如天线测量），加上老校区场地有限，一些专业实验不易现场开展。如果能在实验教学设计中，穿插远程虚拟实验，在保证有效性和增加灵活性的同时，尽可能减少大型实验的资源消耗、成本压力和场地限制，使教学效果更加显著。

二、电子信息远程实验体系总体架构

虚拟实验教学平台的搭建非常关键，这是整个远程实验能否合理实现的基础。依据北京邮电大学电子工程学院实验管理及教学特点，考虑到计算机网络平台的功能特点，按功能将整个虚拟实验教学架构分为实验前、实验中和实验后三个部分[11]。实验前，包括选课、实验设计、实验库的维护、实验教学安排；实验中，开展教师全程指导、过程监控；实验后，进行报告的批改、成绩统计和师生互动交流。[12]整个平台架构如图1所示。

·角色访问控制：该平台采用了基于角色的访问控制。系统管理员赋予用户不同的角色，配置相应权限，使用户具备不同的使用范围。学生用户拥有进行网上虚拟实验、资料下载等基本权限；教师可以进行学生实验管理；管理员专门负责虚拟实验后台，是整个平台的核心成员。

·实验前：学生在虚拟平台上进行选课和相关课程的辅助学习；教师负责对实验课程进行设计并根据内容和承载能力安排实验；管理员进行课题的安排和课程计划。

·实验中：学生在熟悉虚拟平台的前提下，自主完成虚拟实验；答疑是解决学习过程中遗留问题的主要途径，教师对学生同步网上答疑，及时辅导。

·实验后：学生通过平台提交实验报告并进行后续的自主实验和拓展实验；教师通过平台批改学生作业和实验报告，形成成绩结果和分析；实验后的考核包括数据处理、成绩统计与评定管理等。实验报告的提交可通过上传压缩包和电子邮件等方式；考核结束后，系统自动生成成绩分布图表 [13]。

总之，教师和学生可以通过该系统对实验过程和教学资源进行流程管理。教师网上同步指导，通过智能答疑系统随时解决学生的学习困难，学生可搜索常见问题，向教师发送邮件实现师生互动。管理者对实验过程的数据进行翔实的统计与分析，通过大数据挖掘，发现教学过程中的问题，改进实验教学。

三、电子信息类虚拟实验教学实例

依托虚拟实验教学平台，教师分别在模拟电路、数字电路、电磁场与微波技术实验和集成电路设计等多门课程中建设虚拟实验内容。

实例1：模拟电子电路是电子信息类学生的必修课程。其中，晶体管共射极单管放大电路一直是该课程的必修实验。为满足远程实验要求，开发了模拟电路的虚拟仿真平台。该平台的实验操作环境（如图2-1所示）提供了电路实验常用的元件，包括电阻、电容、电感、二极管、场效应管、集成运算放大器、信号源等。同时，还提供万用表、信号发生器、示波器和直流稳压电源等多种虚拟仪器仪表。学生可以根据自己掌握的模拟电路的相关内容，自行设计放大电路以满足实验要求，也可以调用一台虚拟模拟实验用示波器（如图2-2所示），该虚拟示波器按钮和旋钮都按照真实示波器具备的功能设计。利用虚拟示波器显示输入输出波形，和真实环境结果一致。通过改变参数值，很容易观察到失真、饱和和截止等现象。对不清楚的实验现象，可以在线提问，教师线上答疑。学生可以方便地改变电阻、电容等各种参数，而不必担心实物实验中更换器件带来的操作不便，便于学生掌握相关知识点。

实例2：数字电路实验中，计数器的使用频率最高，用于时钟脉冲计数、定时、分频、产生脉冲序列和进行数字运算等。因此，以计数器为例开展系列仿真实验。学生在数字电路仿真平台中，可以方便调用T触发器构成，进行同步计数器的设计。图3-1为学生在虚拟实验过程中自行设计的T触发器的前面板，图3-2是系统中T触发器的程序框图。

图3-1 T触发器前面板

图3-2 T触发器的程序框图

实例3：电磁场与微波技术实验中，阻抗匹配是微波测量实验课程的重点内容。由于设备和条件所限，在做阻抗匹配这个实验时，也采用了虚拟仿真的教学方法，和实物实验相结合，教学方面收到不错的效果。[14][15]实验内容包括：设计单枝节匹配网络，确定分支线与负载的距离和分支线的长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率，计算微带线物理长度和宽度。学生可选择电阻和电感串联的形式作为负载阻抗，工程的频率为1.8—2.2GHz。图4是学生在平台上进行的虚拟仿真实验。

图4 单枝节开路短截线匹配电路图

除了上述典型的基础虚拟实践教学环节，在这些课堂中都配套了相关自主实验和创新实验，如单管放大电路设计与实验环节引入差分放大电路设计、运算放大器应用等实验内容；微波测量实验环节，引入双枝节匹配实验内容作为扩展，学有余力的学生可以在课下进行更多扩展内容的学习，提高学生的学习兴趣与设计能力。

四、虚拟实验中注重协同学习环境建设

在一些小型的虚拟实验场景中，学生可以自行登录实验平台，独立实验，教师在线管理。一些大型真实实验，教师传统采用实验模块划分的教学手段，学生分组进行，这对培养学生的协作能力非常重要。应用大型虚拟实验，利用管理平台创设出适应协同虚拟学习环境显得相当重要。这对鼓励学生一起工作，培养学生增强协作沟通意识十分有益。显然，协作策略在协同学习中十分重要，管理者利用虚拟现实、网络和多媒体技术创造一个虚拟实验组，在虚拟实验过程中促进生生、师生之间的交流与合作。[16][17]

如图5所示，小组成员之间、学生和教师之间对实验原理、装置和操作过程中遇到的问题通过网络进行交流。管理平台是一个宽松、自由的网络交流空间，可以通过网络会议介绍自己的实验设计和结果，分享经验，共同提高小组成员的实验技能。

图5 协同实验模式的教学模式设计

天线内容是无线通信教学中的重点和难点，天线方向测试辐射强，设备费用高，不易开展。通过设计和实现远程天线参数测量的远程控制实验系统的案例，不仅解决了辐射场安全性、合理有效地利用设备等问题，而且可以对学生进行分组协作实验，学生远程控制实验系统，教师参与过程指导，最终通过远程实验获取待测天线参数，取得比较好的教学效果（如图6所示）。学生通过互联网和远程摄像头观察到测试场景，通过友好的操作界面进行天线方向图测试，得到表征天线性能的重要参数，如主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度和副瓣电平等[18]。

图6 天线方向图测试平台

实验前，教师先把天线测量环境的硬件系统（转台、天线固定支架等）搭建完成，将核心测试设备矢量网络分析仪通过射频电缆连接至发射和接收天线，发射天线和待测天线分别固定在天线支架和转台上，对设备进行统一介绍。学生提前预习实验内容，预约自己的实验时间，通过互联网登录远程微波测量实验室，开启网络摄像头，远程观察实验室的所有设备状况。通过制定实验方案，例如采用旋转测量法，学生自己定义待测频率，配置旋转角，在许可范围内调整天线高度，远程操作矢量网络分析仪发射信号，通过待测天线接收该信号，并通过矢量网络分析仪进一步处理。学生通过已经连接好的串口将矢量网络分析仪测量结果存储至主控计算机，把测试的实验结果发送到自己的邮箱留作实验后再分析。在整个过程中，学生远程对矢量网络分析仪进行操作，天线的旋转、升降都可以按照设计进行，并通过网络摄像头在远程实时监控。最后，学生根据自己设计的实验方案得到相关方向图等数据，线下分析和处理，网上提交实验报告。有兴趣的学生可以拓展进行天线极化方向和阻抗特性的测定等。

在实验过程中，学生和教师共同控制终端，通过互联网连接至实验环境。学生通过E-mail或其他方式取回数据，上传到学习讨论组，方便组员对数据进行处理，并对测试结果进行交流和讨论，教师也可以参与其中。由于摄像头对天线的旋转状况、矢量网络分析仪的工作状况进行了全程监控，持不同终端的用户可以通过网络接入到讨论组进行不同天线的测试设计，非常清楚自己的测试方案是否得到验证。学生之间在实验中采取文字聊天、实验数据共享、群组讨论等方式进行互动，发现实验中不懂的地方，可以邀请教师加入讨论组进行网上讨论，教师可以使用图片和数据针对实验过程和难点进行点评和说明。

图7-1是一组学生在远程天线实验过程中，远程操控天线转动平台，返回的远程控制界面截图；图7-2则是通过网络现场传回的一组矩形天线方向图测量数据分析结果。

学生通过远程实验，不仅有效地利用了大型实验资源，减少现场实验的电磁辐射伤害，而且加深了对诸如为什么方向图中会测试到两个或多个瓣，不同天线主瓣和副瓣的分布原理、阻抗特性，以及天线增益大小等很多抽象概念的理解。

五、远程虚拟实验教学效果

针对北京邮电大学电子信息类专业特点设计的远程虚拟实验平台包含了诸多主题，涉及的学科包括模拟和数字电子测量、微波实验和天线测试等。 从2012年起，北京邮电大学针对2011级和2012级电子信息科学与技术专业四个班的学生，分别在模拟电子测量、数字电路测量实验和微波实验中开展了虚拟网络实验的教学探索。这四个班，高考成绩相当，理论课程进度相同。将前两个班（每班30人）设置为实验组，在部分实验中开展虚拟实验课程教学；另外两个班作为控制组，依旧采用传统课程实验的模式，由相同授课教师执教。课程结束后，根据服务器记录的课下预约实验时间、预约人数，是否提出实验拓展实验方案，以及实验后和教师探讨等环节，将实验组和控制组进行对比分析（如表1所示）。在学期末实验整体结束后，对学生发放了问卷调查，调查数据如表2所示。

通过以上数据可看出：控制组的学生在完成现场实验后，在整理报告过程中即使发现实验数据有问题，由于种种原因（实验室资源紧张和双方时间不易协调等），很少再来预约实验室进行拓展性实验学习，验证自己的想法。虚拟网络实验的引入，更能激发实验组学生的学习热情，根据平台上给教师的反馈意见、提问和留言，以及通过登录平台后服务器上的实验时间和实验内容记录来看，实验组的学生在课下主动参与实验的时间远多于控制组。在共射放大电路研究这个典型案例中，在验证直流工作点设计、失真分析等知识点时，网上进行虚拟实验的人数显著增加，服务器记录的实验时间大部分集中在晚上 9：00 -11：00之间。学生普遍认为通过虚拟实验，时间安排自由，对动手能力提高和知识掌握有很大帮助。

通过收回的调查问卷可以看出：实验组大部分学生认为自己更容易安排实验时间，学习过程更加有趣。有学生在主动评价中写道：“模拟电路的虚拟实验让我非常受益，控制静态工作点变得容易，终于观察到传说中的饱和失真和截止失真。”控制组的学生由于只进行实物实验，为了观察到饱和失真、截止失真和正常放大现象，要不断更换电阻、电容，调试过程经常让学生焦头烂额，加上时间有限，部分学生由于来不及现场计算，没有达到很好的实验效果。在微波方向图实验结束后，有学生在主动评价中留言：“我一直对微波和无线技术感兴趣，但天线辐射功率大，去实验室现场实验总有顾虑，现在终于有了远程控制实验平台，和现场实验感觉一样，安全性好，太棒了……”“通过虚拟实验小组的形式进行讨论、开展实验，对培养自己的团队合作意识有很大帮助”“利用网络平台和老师进行互动交流更方便，自己的实验效率也有所提升”。

总之，通过主动评价、个人平时表现（考勤、登录平台次数、登录时间和讨论等）以及个人和小组的作业来看，学生在学习过程中，主动拿实验结果和理论知识对比的学习主动性明显增强，教师安排实验场地的时间也更加充裕，资源使用率更高。学生在预习实验和了解实验原理等方面，都比过去更加有效；实验教师通过平台发布操作实验指导书，和学生交流更顺畅；实验时间自由，学生有更多时间进行思考；把理论与实验结果相结合来分析和讨论；随时可以登录网站、预约实验、拓展实验、师生互动和交流实验心得，整个实验水平和实验效率都得到了提升。

随着互联网技术和多媒体教学的不断发展，远程虚拟实验具有非常好的前景。北京邮电大学电子信息类虚拟远程实验的探索，重点是利用自身互联网优势、挖掘适合学习者学习的虚拟实验内容、设计开发虚拟实验管理平台。本文根据实验教学积累的一些真实案例，展现了适合电子信息类学生进行虚拟仿真的平台开发和实验内容案例。实践证明，通过虚拟实验，不仅节约了空间，而且可远程操作，方便、真实，大大节省了实验室的建设费用。相信通过不断完善，一定可以营造出更好的学生协同实验环境，教师和学生网上交流互动更顺畅，学生彼此合作与协同能力被充分调动，达到更好的教学效果。

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收稿日期：2014-10-15

定稿日期：2015-05-24

作者简介：赵同刚，副教授，博士，北京邮电大学电子工程学院实验中心主任（100876）。

申仲舰，硕士研究生，北京邮电大学电子工程学院（100876）。

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