虚拟实验在远程开放教育中应用研究—以江苏开放大学电子类专业为例

孙 雷

（江苏开放大学，江苏 南京 210036）

关键字：远程开放；虚拟实验；建设路径；模式

一、虚拟实验与远程开放教育实践性教学

远程开放教育是以现代远程教育方式，实现终身教育的一种新型人才培养模式，随着计算机网络技术、多媒体技术的发展促进了现代远程教育的快速发展，为社会培养了大量的应用型人才。

实验教学是远程开放教育中不可缺少的环节，尤其是理工科教学中，实验环节对于学生加深理论知识的理解、培养学生动手能力起到十分重要的作用，对于整个教学环节具有重要的支撑地位，由于远程开放教育师生分离，学生不能到直接到学校做实验，校外实验场所由于仪器等因素，也很难满足学生做实验的需要，实践性环节的教学已成为远程开放教育的薄弱环节，实践性环节的教学也是远程开放教育的重点和难点。

目前大多数远程开放教育学校采用网络课件来进行实验的演示，但这大都停留在理论知识的演示，并没有具体到实践性环节的教学。

虚拟实验的出现，特别是虚拟实验技术与Internet结合，为远程开放教育实践性教学提供一个全新的方案，虚拟实验是应用虚拟仿真技术、虚拟仪器技术等技术仿真现实世界中真实实验平台的计算机系统。构建基于web虚拟实验室，使得远程开放教育的学员不受时空的限制，通过浏览器在自己的计算机上做虚拟实验，这样的虚拟实验构成开放教育实验教学系统，用于远程开放教育的实验教学，具有重要的现实意义。

图1 江苏开放大学电子信息专业虚拟实验教学平台

二、远程开放教育虚拟实验室的构建

远程开放教育虚拟实验室包括远程教育虚拟实验实训平台和管理平台两个方面，其中虚拟实验实训平台主要功能是学生利用该平台进行虚拟实验的操作，管理平台的主要功能是教学管理，即学生通过管理平台进行身份的验证、提交实验报告，教师通过管理平台管理实验和批改实验，教学管理人员利用管理平台对人员权限、开设实验进行管理，如图1是江苏开放大学电子类专业虚拟实验室，通过虚拟实验室将学生做、教师教、管理人员管融为一体。

1、远程开放教育虚拟实验体系的构建

以江苏开放大学电子类专业为例，高等学校电子类专业的专业特点之一是实践性强、实验要求高，而将虚拟实验引入实验教学中，构建电子类专业虚拟实验体系对于远程开放教育实践性教学的开展显然具有重大意义，以江苏开放大学目前电子类虚拟实验是利用电路仿真软件、虚拟仪器技术、多媒体技术来构建电子类专业虚拟实验平台，主要包括传感器虚拟实验、电工电子技术虚拟实验、电子产品生产工艺和虚拟仪器虚拟实验。

2、远程开放教育虚拟实验的构建

以江苏开放大学电子类专业为例，目前江苏开放大学电子类专业虚拟实验室分为软件仿真实验室和虚拟仪器实验室两种类型，软件仿真实验主要由文字教材、实验视频、仿真实验组成，具有操作简单、使用方便的特点，但是缺少实际的硬件操作，虚拟仪器是用软件实现虚拟控制面板的一种计算机仪器系统，实质上是利用硬件系统完成信号的采集，虚拟仪器的虚拟实验室包括虚拟仪表系统和虚拟测控系统，目前虚拟仪器的软件通常是Labview等软件，在模拟电子应用方面，可构造虚拟多功能信号发生器、单通道示波器；在数字电子应用方面，可构造编码器、RS触发器等；在控制系统方面有RLC电路传递函数模型等；在数字信号处理应用方面，有实时谐波分析仪、小波变换检测回波等。

3、远程开放教育虚拟实验的结构

远程开放教育虚拟实验平台的总体结构如图2，由用户、web服务器、labview服务器、数据库服务器组成，web服务器是用户访问的服务器，也就是用户通过web服务器做虚拟实验，labview服务器是安装labview软件和虚拟仪器的服务器，用户通过web服务器将相关实验的数据提交到labview服务器，通过labview处理、运算得到相应的结果，用户可以及时得到实验数据，数据库服务器存放用户信息、实验数据，labview虚拟仪器可以调用数据库服务器的数据，从而保证实验得以顺利实施。

图2 远程开放教育虚拟实验平台总体结构

4、远程开放教育仿真实验的设计

远程开放教育仿真虚拟实验主要是利用软件来模拟实验的全过程，因此也称之为仿真虚拟实验室，该类虚拟实验可以通过网络进行发布，内容都集中在服务器上，用户无需安装软件，仿真虚拟实验室大都采用flash开发，可以逼真的模拟出学习者进行实验操作的整个过程，该类型的虚拟实验有虚拟教学、交互操作、练习测试等功能，下面以江苏开放大学“传感器技术仿真实验——光电传感器测速实验”为例来说明远程开放教育电子类软件仿真实验：

（1）实验原理

“传感器技术仿真实验——光电传感器测速实验”首先进行实验原理的说明，实验原理包括：a实验原理和实验目的的概述；b实验步骤的提升。

（2）连接设备

交互性是衡量虚拟实验课件质量的一个重要的指标，“传感器技术仿真实验——光电传感器测速实验”，采用连接设备来进行交互，连接设备操作有实验步骤提示和操作提示，用户根据操作提示进行操作，使用鼠标像实际做实验一样自行选择实验仪器，实现交互性。

（3）原理实验

“传感器技术仿真实验——光电传感器测速实验”采用了“将电源电压从2V调到15V马达转速由低到高，记录下马达电压与频率的读数”，其原理图采用动画的方式计算出初始状态和增加电压状态下的数据。

（4）数据分析

“数据分析”描述电机转速与马达之间的关系，并用图表表示，通过数据分析得出实验结论。

5、远程开放教育基于Labview虚拟实验的设计

以远程开放教育电子类实验为例，电子类实验往往需要大量的仪器设备，虚拟仪器的出现，使得利用基于虚拟仪器搭建该专业的实验平台成为可能，基于虚拟仪器的实验平台具有功能容易增强和扩展、实验过程准确、直观等特点。

远程开放教育基于虚拟仪器的电子实验平台的硬件部分主要由PC机、数据采集卡、电路实验装置组成，电路实验装置是指实验所指的硬件电路，可以搭建多种功能的实验电路，数字采集卡一般通过PCI插槽或者USB口与PC机相连，位于PC机中的软件部分可以使用各种虚拟仪器的开发，其中以Labview最为常用。

以江苏开放大学构造电压的采集虚拟实验为例进行说明，本实验用来监控服务器端的电压信号，当服务器端的电压信号大于特定值时，服务器端的灯就会闪亮，本实验采用虚拟示波器进行数据分析，用户只需要在客户端测得的数据上传保存，点显示，就可以把自己测得数据在labview虚拟示波器中显示出来，其中数据是通过波形的振幅来表示，该实验对于实际生活中对电压灵敏度要求较高的企业有着较强的现实意义，对于远程开放教育实验的开展提高学生动手能力有着很强的现实意义。

6、虚拟实验在远程开放教育的教学应用

（1）远程开放教育电子类虚拟实验教学原则

远程开放教育虚拟实验应遵循以下原则：a开放性，在确定课程教学计划以后，编写出实验教学计划，设计虚拟实验教学的策略；b交互性，远程开放的学生通过虚拟实验进行实验操作，教师通过后台对学生的操作进行同步指导，对学生的实验数据实时进行反馈；c有教学评价，通过实验报告、数据分析等手段对其实验操作进行评价。

（2）虚拟实验在远程开放教育中的教学过程

远程开放教育电子类专业虚拟实验分为软件仿真实验和虚拟仪器实验，软件仿真实验主要有实验要求、仿真连线等，虚拟仪器实验主要是将虚拟仪器应用到传感器实验教学中，将传感器实验仪与计算机结合起来，在实验仪上连接电路，在计算机上显示出来。虚拟实验教学过程是首先进行仿真实验，教师提出实验要求和实验目的，学生学习实验帮助和实验指导，再进行仿真实验，学生通过仿真实验了解了实验的操作和仪器的使用，在完成了仿真实验以后，再进行虚拟仪器的操作，操作完以后，学生写实验报告并提交，老师修改实验报告并将结果反馈给学生，这种实验的教学模式更有利于学生的动手能力的提高和实践性教学环节的开展。

三、小结

实验教学一直是远程开放教育的难点，本文围绕远程开放教育虚拟实验实训的特点，以江苏开放大学“电子信息”专业为实例，对该专业实验实训项目进行梳理，探索构建远程开放教育电子信息专业虚拟实验的路径，提出了构建远程开放教育虚拟实验的模式，即采用虚拟仿真实验和虚拟仪器实验的混合模式，两种模式相辅相成综合使用，构建出完整的远程开放教育虚拟实验室，在此基础上利用虚拟实验平台在远程开放教育中开展实验教学，对于远程开放教育实践性教学环节的实施具有很强的推广价值。