虚拟实验方式在电子技术实验教学中的应用

黄春媚

【摘 要】当前电子技术实验教学传统模式已不能满足教育信息化和开放性实验研究的需要，电子技术虚拟实验室的建立弥补了传统实验的不足，使教学形式更加生动，实验的设计更加灵活。

【关键词】电子技术课程 虚拟实验 传统实验

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）03C-0181-03

教育信息化迎来了教育理念和模式改革的深刻革命，为更好地培养适应社会需求的实践创新人才，全国高校纷纷进行了开放性实验教学的改革，传统的以元器件操作、纸质记录的实体性实验模式已不能满足开放性实验研究的需要。开放性大学的日益发展，越来越多的人加入了终身学习的行列。电子技术是在实验的基础上进行理论研究的学科，其内容较多，实验次数有限，课程内容较抽象。随着虚拟电子实验技术的成熟，仿真实验室在电子技术教育领域的应用价值日益凸显。2014年3月，教育部发出了批准建设全国首批100个国家级虚拟仿真实验室的通知。虚拟电子技术实验室作为传统实验的有效补充和延伸，已经成为电子技术专业学生进行专业课程设计的重要实验平台，是电子技术课程教学的一项重要创新。

一、电子技术虚拟实验室国内外研究现状

自21世纪以来，教育数字化已经成为世界教育活动发展的一种新潮流。最早提出虚拟实验室概念的Willaim Wolf教授形象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。目前，国外在电子学方面，麻省理工学院的Web Lab远程实验室早在13年前就开发并使用在电路设计课程和微电子学的实验。西班牙大学的电子仪器虚拟工作平台，意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室都是世界上一流的电子虚拟实验室。还有LAA Physics（Lean Any time Any where Physics）物理实验室是由美国北卡罗来那大学研制的，它提出了“随时随地学习物理”的口号，其目的就是建立一个自由、开放的物理课程实验室。

从知网查询对于电子技术虚拟实验的研究，从中可以看出学术界对于电子技术的学术关注度呈逐年上升的趋势。国内电子虚拟实验室的建设在这几年也得到了快速的发展。国家开放大学的物理虚拟实验室，北京邮电大学的开放式网上虚拟实验室，电子科技大学的电子与通信系统虚拟仿真实验室，西安电子科技大学、杭州电子科技大学的电子信息与通信虚拟仿真实验室等都逐步建成并投入使用。

电子电路以及整个系统的设计是一个不断调试、纠错而呈螺旋式上升的过程，它需要耗费大量的人力、物力和财力。采用虚拟实验平台进行电子电路和系统的设计可有效解决实验设备的不足，这使得虚拟仿真实验愈加适合电子技术课程的基础教育。

二、电子技术虚拟实验方式与传统实验方式的区别

教育的信息化使电子线路课程体系随着信息技术的发展而发展，电子器件从电子管、晶体管到集成电路的发展，也在高校电子技术课程的教学领域引起相应的变化。虚拟仿真实验室的创立，能很好地化解实验硬件的不足，改变传统的教学模式，仿真技术能更充分调动学生的积极性。

（一）传统实验

电子技术实验课程主要强调硬件知识和技能的获取。其包括元器件、单元电路以及由此组成的电路与系统，通过实验掌握这些硬件电路的结构原理以及分析设计。传统的实验教学需要设计、调试、实验、分析四个阶段，但如果对自己的制作工艺没有充分的把握，都不敢通电实验，担心存在的危险会影响实验数据的收集。随着电子元件的增多，比如手机电路板的尺寸很小，电路的层数也多，布线就有了相当的难度，导致无法用手工设计。再者，随着元件数量的增多，各元件之间的相互干扰，使耦合也变得越来越复杂。传统的实验方式优点是：实体感强，进行小型电路设计时，布线明了，操作完成后更有成就感。

（二）虚拟实验

虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似。学生可利用虚拟器材库中的器材，自由搭建实验教学计划中的实验教学项目，完成综合性、设计性实验方案的实现。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识、科学的指导和及时的反馈。而且采用电子设计自动化（EDA）技术开发的产品设计成本低、功能全、易纠错。虚拟实验的优点是：学生可随时随地动手配置、调节和使用实验仪器设备，缩短了设计周期。虚拟教学使实验的安全系数提高，在教学中更便于教师监控，减少实验报告的抄袭情况。

三、虚拟实验技术在电子技术教学中的应用

（一）基于软件的虚拟电子技术设计实验应用

基于信息化时代，计算机可以帮助我们在进行电子技术实验的时候进行计算、信息存储和制图等多项工作。比如，EDA（电子设计自动化）技术的应用，它是在电子辅助教学技术的基础上发展起来的计算机软件，其以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术和智能化技术的最新成果，主要能进行电子电路设计、IC设计和PCB设计。EDA技术将先进、丰富生动的教学方式引入到电子技术的教学之中，使复杂抽象、不易理解的电子技术变得生动形象、简单易学。

EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件主要有加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、美国Cadence公司的OrCAD、澳大利亚Altium公司的PROTEL、美国Mentor Graphics公司的PADS等。

各类基于应用软件的EDA软件的设计都大体相同，以电子电路工作平台EWB（Electronic Workbench）软件为例，如图2所示，其界面操作简单，工作桌面上装有进行电子实验的若干元器件以及实验设备，像传统操作一样在计算机上完成接线，然后在指定按钮（计算机窗口中）上按一下鼠标 ，计算机将显示出实验结果。其仪器仪表库中还提供了信号发生器、万用表、电压表、扫频仪、双踪示波器、逻辑分析仪等仪器仪表。面板上也提供了各种建模精确的元器件，电阻、电感、电容、二极管、三极管、继电器等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。它完全基于电脑中的软件进行电子电路实验，电路的设计可以与实验同时进行，边实验边通过电脑进行分析并形成实验报告。

利用软件式的虚拟平台辅助教学，可以更好地培养学生的学习兴趣，增强学习效果，从而提高教师的教学效率。也可对仿真电路进行破坏性连接，方便地检测不同故障情况下的电路工作状况。但它的特点是要事先对软件进行了解，学习软件的操作方式，此类软件也适合比较复杂的电路安装调试或者电路的设计。

（二）基于网页的虚拟电子技术基础实验应用

基于网页（web）的虚拟实验室利用多媒体网络技术，将整个实验操作过程进行计算机模拟。有的是采用交互式Flash技术开发的网络实验室。基于Flash技术开发的实验界面美观、视觉冲击效果强、体积小、简单易学，可直接在浏览器中进行操作，不需要安装。学习者通过网络浏览器的鼠标操作，就可以像操作真实的实验设备一样，完成实验过程。这种模式比较适用于在电子技术的基础教学中，一些简单的实验可以通过鼠标的操作完成。

在基于网页的虚拟实验室中，实验者也可以进行实验预约、交互性虚拟实验、实验报告的提交等。基于WEB的方式，学习者无需学习软件，完全是“所见即所得”，看到的是真实的仪器而不是符号，比较适合完成电子技术课程中一些入门式的实验及初学者。网络虚拟实验室就是一个无墙的实验中心，是终身学习、社区教育的一个强大的教学后盾。比如要测量变化的磁场是不是形成电流，就可以直接用鼠标拖动磁铁上下移动，看一下电表的变化就可以清楚地看到形成的电流变化，如图3。

（三）基于传感器的虚拟电子技术实验应用

传感器技术的内容涵盖了电磁学、光学、化学、声学、材料学、力学、微电子学等多个学科交叉。它通过感受物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，利用某些材料自身所具有的内在特性去感受被测量，并转换成可用电信号导入计算机进行处理，因为其实验数据最终结果是通过输入电脑去进行记录、整理、计算、作图、分析，所以，我们也把它归为虚拟实验方式的一类。其结构流程图如图4。

四、云计算时代电子虚拟仿真实验室的展望

（一）改变教育方式

基于网络的虚拟实验室使远程教育更趋完善，它向人们展示了信息时代一种全新的教育方式。其打破了传统实验的模式，师生不受时空限制，共享数据和计算资源，减少重复投资。

（二）节省经费

传统实验室为提高学生的动手能力，需要配置大量的元件和电子仪器，存在投资大、维护难的问题。造成科研活动耗资大，实验设备价格昂贵。在虚拟实验室中，仪器和元件不存在损坏，当整个电路系统先虚拟仿真成功再投入实际运作，可以降低科研成本。

（三）数据存储云同步

云时代增强了师生交互、协作和资源共享的能力，实现基于网络的远程虚拟现实通过Internet服务为个人用户提供海量甚至无限量的个人存储空间。多个个人设备中的数据可以与云存储数据自动同步。

大数据时代，把实验室放到“云”上，使实验教学具有开放性，大众化，学生们利用各种网络终端自由地进入虚拟实验室，方便地操作仪器进行实验。但是，电子技术虚拟实验方式的改革还必须与实体实践相结合。毕竟网络虚拟实验不是实体操作，电路工艺、线路长短、仪器的精密都会存在差异，其只能作为电子技术实验教学的一个延伸和补充。

学生通过电子技术虚拟实验室的人机交互界面来完成所设定的实验，可以接受更大量、更具体、更完整的信息。不同层次的实验，不同的人群选择不一样的虚拟实验方式，更好地契合了开放性学习“以学生和学习为中心”的学习模式。采用科学的实验室装备，进行多种形式的实验方式，可以促使我们与最先进的电子实验同步，更好地提高实验教学的水平。

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