虚拟化、网络化电工电子实验教学平台的构建

陈福彬 付晓辉

北京信息科技大学 北京 100101

虚拟化、网络化电工电子实验教学平台的构建

陈福彬 付晓辉

北京信息科技大学 北京 100101

随着虚拟实验及网络技术的飞速发展，高校实验教学的虚拟化、网络化成为一种发展趋势并受到广泛重视。将虚拟仪器技术、网络技术以及网络管理等技术有机结合，构建先进的电工电子实验教学平台，实现了实验教学理念与教学手段的变革，克服了传统实验教学模式呆板固化、仪器功能难以扩展等弱点，有力地支持了常规实验教学和工程创新型实验的开展，对学生的实践能力和创新能力的培养起到了良好的促进作用。

虚拟仪器；网络技术；电工电子实验教学平台

传统的电工电子实验教学侧重于仪器设备的使用和单元电路的设计测试，并使用了一些电路设计仿真软件，促进了学生对理论知识的掌握和其实践能力的提高；但教学过程存在着技术手段陈旧、学习效率不高以及软硬件使用脱节等问题，并且对学生工程创新类实验环节支持力度不足，限制了对学生实践能力和创新能力的培养。

随着教学改革工作的深入开展，全国各高校对电工电子实验课程在教学体系与内容、教学方法方面不断地进行摸索创新。我们结合先进的虚拟仪器技术和网络技术，构建了一种虚拟化网络化电工电子实验教学平台，实现了灵活高效的实验教学模式，形成了由基本概念理解、基本技能掌握、工程实践能力培养以及开发研究能力训练等系列化的实践教学体系，有力地支持了常规实验教学和工程创新型实验的开展，对学生的实践能力和创新能力培养起到了良好的促进作用。

1 实验技术与教学手段的发展

随着电子信息和计算机技术的发展，除了实验教学内容更新之外，新的实验方法和手段在不断出现。适应电气信息类技术的发展水平，加强实践教学环节，实现以教师为主导、学生为主体的教育教学模式，实现实验室的开放式运行和管理，是当前各高校实验教学改革工作所追求的目标，而实验教学平台的虚拟化、网络化是先进教学体系建设的重要手段，在教学过程中将最新的技术和方法展现给学生，也是培养创新型人才的途径之一。

1.1 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件完成各种测试、测量、自动化的应用。随着测试技术的数字化和自动化，虚拟仪器在许多领域中逐步取代了传统仪器设备。

在高校的电工电子实验教学工作中，以计算机和虚拟仪器构建的集成化测试平台，具有多台仪器的功能，不但能提高设备利用率，而且改善了实验教学效果，也有利于实验教学管理现代化，降低教学成本。特别是在工程创新类实验环节中，虚拟仪器软件的处理能力和灵活性方便了功能的扩展，可视化的软件开发过程也加速了项目的开发进度，有助于学生顺利完成实验项目。目前虚拟仪器在实验室的应用范围正在日益扩大，例如开发数据采集、记录和分析仪器设备，自动测试和自动控制系统等。

虚拟仪器硬件实验平台由计算机(带有LabVIEW软件平台)、程控仪器、数据总线接口以及电子电路四部分组成。计算机是整个系统的核心，自动测试基于LabVIEW软件平台上[1]，可以完成测试参数的设置、测试数据的分析处理等任务，最后将测试结果自动保存输出。电路特性程控测试实验软件界面如图1所示。

图1 电路特性程控测试实验软件

1.2 基于虚拟实验的网络技术

网络技术的主要内容是基于局域网络的虚拟教学和网络实验室，实验的数据一旦上传至计算机，教师和学生不再受时空的限制，可通过计算机网络交换实验信息。这种程控测试加虚拟仿真的网络实验室改变了传统的实验方法。不仅减少贵重仪器设备的配备数量，提高其使用效率，还可以进行客观的成绩管理，实现人力资源和仪器设备资源的合理配置。

虚拟技术和网络技术的融合是建设现代教学实验室的技术关键。虚拟实验室要充分利用网络技术才会发挥出更好的教学效果。网络技术的优势主要体现在软件模拟仿真和硬件实时测量[2]两方面。软件模拟仿真部分是对实际实验平台界面的虚拟呈现。让教师在课堂讲授同时可直接通过网络进入，演示给学生。学生可在进实验室之前事先在网络终端操作，预先了解实验内容，熟悉具体的实验步骤，检验学生的预习程度。硬件实时测量部分是在实验室借助程控或虚拟仪器技术构建的测试平台，通过实际设计制作、调试分析和测量数据，结合软件仿真的结果相互对比，加深理解和真正的掌握电子设计技术。[3]

2 虚拟化、网络化电工电子实验教学平台的构建

在电工电子实验教学平台的建设中，通过软件实现友好的人机界面，可以对虚拟仪器及数字化程控仪器进行控制，实现数据采集、数据分析以及结果输出的功能。另外，系统还可以实现学生实验过程及仪器的网络化管理功能。通过软件、网络及虚拟仪器的有效结合，着力打造数字化、智能化的现代电工电子实验教学平台。[4,5]

根据电工电路课程实践教学计划的要求，整个虚拟化网络化电子实验教学平台的结构如图2所示。

图2 电工电子实验教学平台结构

系统结构主要由基于C/S(Client/Server)的仪器设备控制及数据采集处理和基于B/S(Browser/Server)的实验管理两部分组成。2台服务器互为备份，主要实现两大功能：一是作为C/S模式下数据服务器，二是作为B/S模式下的WEB服务器。其中仪器设备控制模块完成数据采集及仪器设备控制的功能；数据处理模块包括数据分析及结果输出、存储，由计算机上的软件编程实现；数据传输基于现有的局域网设备，通过开发TCP/IP协议的网络通信软件实现；实验过程管理模块采用B/S模式开发。[6]

3 虚拟化网络化电工电子实验教学平台的运行管理

3.1 教学平台的实验教学过程

利用学校的“一卡通”实现实验过程桌面级别管理，学生通过操作实验台上的计算机对仪器设备控制，完成数据采集、参数测量、数据分析、结果存储等操作；在确认实验结果无误后，通过网络将测量数据及实验分析结果以报告的形式上传到数据服务器，供教师评阅。

3.2 教学平台的网络化管理

参加实验的学生可以在网内的个人计算机上进行访问，从网上下载实验课件，浏览实验大纲，熟悉实验流程，通过聊天室的形式与实验指导教师交流。指导教师可通过网络进行实验系统运行管理，修改实验内容，上传实验教材，增减、拓展虚拟仪器功能并及时发布到实验教学平台中，以便及时更新教学资源。也可以在网上回答问题，指导实验操作，对学生的实验结果给出评价，在网上批阅实验报告，并能够以网页的形式将完成批阅的报告发给相应学生。

4 结束语

虚拟化网络化电工电子实验教学平台采用虚实结合、软硬结合、远近结合的构建方式，能充分满足不同专业、不同层次实验技能培养的要求，为学生随时获取新知识提供了便利及强有力的支持。它是建立在现代信息技术平台之上的一种新颖的实验教学模式，是对高校教育理念、教学方式的改革和发展。

[1] 陈福彬,柴海莉,高晶敏.基于Labview的自动化测试平台的设计[J].国外电子测量技术,2012(11):9-14.

[2] 王铁流,宋罹黎,王者思.基于USB 接口程控仪器的虚拟测试平台[J].电子技术应用,2008,25(4):91-94.

[3] 王铁流,陈东升,袁海英,雷飞.电工电子实验室虚拟化网络化教学平台[J].实验技术与管理,2008,27(7):14-17.

[4] 李琳辉,周雅夫,连静,胡平,高仁璟.远程可操控式虚拟电子实验平台的构建台[J].实验技术与管理,2012,29(9):83-85.

[5] 尤丽华,周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建立[J].实验技术与管理,2011,28(2):83-86.

[6] 张友生,陈松乔.C /S与B /S混合软件体系结构模型[J].计算机工程与应用,2003(23):193-195.

Construction of Virtualization and Networking Teaching Platform of Electrical and Electronic Experiment

Chen Fubin，Fu Xiaohui
Beijing Information Science and Technology University， Beijing， 100101， China

With the rapid development of virtual experiment and network technology， virtual and network development trend has been paid wide attention to. With the cooperation of virtual instrument， network technology and network management， advanced electrical and electronic experimental teaching platform is constructed. The revolution of experimental teaching philosophy and method is realized， the constructed platform can avoid that traditional experimental teaching mode is dull and Instrument function is difficult to extend， which can effectively support the conduct of conventional experimental teaching and engineering innovative experiment， and play a good role in promoting student's practice and innovative ability.

virtual instruments； network technology； electrical and electronic teaching platform

2014-10-23

陈福彬，硕士，讲师。

北京信息科技大学2012年度教学改革立项资助(编号：2012JGYB67)。