软硬结合的模拟电路实验教学模式探索与实践

引言：实践教学是高校人才培养的重要环节，“新工科”建设也对学生的创新意识和实践能力提出了更高的要求。模拟电路课程是电子信息类相关专业应用性较强的必修课程，实验实践是其不可或缺的教学手段。然而该课程受众广、内容多，教学实施难度较大。在当前“新工科”建设大背景要求下，以及新型冠状病毒肺炎疫情的不断侵扰下，必须对实践教学模式做出调整，以适应新形势的需要。

1传统的实践教学方式：传统的实践教学是依托硬件实验室完成的。模拟电路实验涉及的实验仪器比较多，至少包括直流稳压电源、示波器、信号源、万用表、计算机等，学校花费巨额经费采购相应设备建设实验室，然后每年再投入不菲经费进行设备维护。学生按照教学安排在限定的时间、空间和已有设备的基础上，根据实验课程设计的内容依次完成实验。实验教师在完成实验内容讲授、实验辅导、实验验收、实验报告批改的教学工作内容以外，还需要花大量时间对实验设备进行维护，工作负担重、工作效率低。这种传统的实验教育模式是各大高校常规采用的方式。虽然该方式简明、直接，有助于学生迅速进入学习状态，但其学习效率低，受时空影响大，尤其是当前严峻的疫情形势下，线下实验的实施异常困难，急需有与时代相适应的新的模式来替代。

2 新兴的基于EDA工具的虚拟仿真实验：随着计算机技术的不断成熟，近年来逐步发展起来的虚拟仿真实验可借助计算机营造一个虚拟的实验环境，特別是与电子信息类相关课程，有多款成熟的仿真软件可供选择，如Proteus、Multisim等。相对于传统实验方式，基于EDA工具的虚拟仿真实验方式有诸多优点。首先，该方式比较便捷，无需硬件仪器设备支持，只需一台计算机就可完成实验，包括设计和测试。其次，该方式比较灵活，可以突破硬件实验室的时空限制。在学生已经掌握仿真软件使用方式的情况下，无需集中实验。另外该方式比较高效，虚拟仿真实验电路搭建比较便捷，单位时间内学生可以完成更多的实验内容。然而，虚拟仿真环境也带着天生的劣势。比如，虚拟仿真的电路环境是理想环境，和真实的工作环境还是有很大差异。特别是模拟电路实验，真实电路受实际输入信号、元器件误差、芯片输出误差以及线路损耗等影响，产生的系统误差和随机误差相对较大且随机变化。虚拟仿真环境不可能无差别的再现真实环境。其次，学生理论课上学习的都是抽象概念，本可以在实验环节加强感性认识，然而，虚拟仿真环境无法提供电路及相关器件的真实感受。能否有另外一种模式既可以保留传统实验模式的真实、即视的特点，又能兼顾虚拟仿真实验便捷、高效的优势。

3软硬结合的实验模式：传统实验模式之所以效率低、损耗大，关键在于众多实验仪器的维护保障工作难度大。硬木课堂推出的模数混合综合实验平台完美解决了这个问题。该平台提供了模拟电路、数字电路实验必须的硬件模块，如电源模组、示波器模组、信号源模组、数字万用表模组、多功能数字I/O模组，以及面包板和基础实验模块。实验时，可以基于面包板任意构建电路，也可以直接采用基础实验模块。实验平台和上位机连接后，所有实验仪器都由上位机软件实现。与虚拟仿真实验方式不同的是，实验电路是真实存在、实时搭建的。实验信号也是真实的，只是信号的发生和测量由上位机软件控制，在上位机上显示。如此，该模式既保留了传统实验模式的真实、即视的特点，又能像虚拟仿真实验那样便捷。甚至该模式可以支持远程在线实验。实验平台和本地上位机连接，远程主机再和本地上位机建立连接。这样，远程主机就可以实现对实验平台的控制、测量和信号观察。

以模拟电路单管放大电路为例。传统方式肯定是基于各种实验箱完成的，如图1所示。学生需要连线构建电路、调整信号、测量信号，效率低。

虚拟仿真方式如图2所示。仿真软件不但可以完成电路构建，也可以完成信号测量。

本方案的实现方式如图3所示。被测电路是真实的单管放大电路，该电路板依托综合实验平台与上位机连接，信号的生成和测量则由Electronics Pioneer虚拟仪器完成。

4下一步探索的方向：2020年底，距离新冠疫情爆发已经2年，西安又爆发了严重疫情，高校所有课程全部改为线上实施。有了前两年抗击疫情的经验，理论课程线上教学比较容易实施，但对实践课程来说，难度较大。即使我们提出的软硬结合远程在线实验模式可以实施，也无法满足大规模的并发在线访问，只适合个别学生远程实验。所以，我们下一步探索的一个方向就是如何支持多主机并发访问，实现大规模软硬结合在线实验。其次，结合当前比较主流的理论课SPOC教学模式，可实现实验班级管理、实验内容预习、实验预约、实验操作和实验报告提交等课程过程自动化管理，进一步提高教学效率。

结语：综上，我们在对比了传统模拟电路实验教学模式和虚拟仿真实验模式的基础上，提出了软硬结合的实验教学模式。该模式既保留了传统实验模式基于真实电路的特点，又兼容了虚拟仿真实验方便快捷，便于操作的特点。

参考文献：

[1] 肖 瑾，赵承韬等.电气技术实践课程“虚实结合”的探究式教学改革及实践[J]. 实验技术与管理，2021，38（3）：219-224

[2] 徐 梅.基于“ 分层+MOOC/SPOC”的大学公共计算机课教学研究与实践[J]. 遵义师范学院学报，2018，20（3）：113-117

[3] 王伟，蔡燕等. 虚实结合型嵌入式课程实验教学设计[J].电子技术

作者简介：陈勉（1981—），男，陕西周至人，讲师、硕士、西安电子科技大学计算机科学与技术学院教师。研究方向：分布式计算、移动智能计算。