电子技术的远程虚拟仿真实验教学模式探索

石婷 雷飞 奥顿 宋洪光

［摘 要］ 传统的实验教学方式难以突破地域和时空限制，且评价模式单一。近年来，远程虚拟实验教学的需求越来越迫切，多维度分析、评价学生的动手及学习能力显得尤为重要。电子技术基础及课程设计远程虚拟仿真实验，可以很好地解决这些问题。该远程虚拟仿真实验，一方面可以在线下进行实验操作，另一方面可以在线上通过一台电脑随时随地轻松远程做实验，实现线上线下虚实结合的电子实验设计、仿真与实现。传统的教学模式，互动性较少，收集、管理学生的学情数据需要花费教师大量的时间和精力，课堂时间利用率低，通过该系统可以十分便捷地收集到学生的理论和实际动手操作的实验数据，进行自动化管理和分析，通过多维度的数据报表直观反映实际的教学成果。

［关键词］ 电子技术；远程教学；虚拟仿真；实验教学

［基金项目］ 2021年度教育部基于罗克韦尔工业的“新工科”产学研赛师资团队建设（202102341001）；2021年度教育部基于TI器件的电子技术课程实验实践平台开发（202102165002）；2021年度北京市教育科学规划领导小组办公室服务“双循环”新发展格局构建跨学科复合型人才培养体系（CDAA21043）

［作者简介］ 石 婷（1984—），女，内蒙古包头人，博士，北京工业大学信息学部高级实验师，人工智能与自动化实验中心主任（通信作者），主要从事电工电子和人工智能神经网络研究；雷 飞（1972—），男，安徽桐城人，博士，北京工业大学信息学部副教授，教务处副处长，主要从事机器人和虚拟仿真实验研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）32-0086-04 ［收稿日期］ 2022-05-07

一、教学目的

近年来，对电子技术的远程虚拟仿真实验教学需求越来越迫切，尤其面对突如其来的新冠病毒感染疫情，为避免聚集，保证师生的身体健康和生命安全，必须转变为以线上教学为主体的模式，这对每一位教师来说都面临着极大的挑战。这一挑战也给教育带来了遇见未来的契机，无论是主动的还是被动，师生在新冠病毒感染疫情期间都体验了一次全过程的线上教学过程，其中对实验教学的挑战更为突出［1-5］。

通过远程虚拟仿真实验教学模式可以增强互动式教学，可形成多层次的互动：一是教师与学生的互动，教师提供资源、设计任务，学生自主学习，自主创作，通过课外研究活动建立互动，通过中心的网络信息平台进行交流；二是学生与学生的互动，通过团队实验项目的设计，促进学生之间的交流、学习和研讨，并培养他们的团队精神与合作意识；三是实验中心与校外实习基地的互动，通过与企业等实习基地的互动，引领学生走进业界，实现实验教学与社会实践的接轨［6-8］。

本课程的教学目的是通过电子实验知识、概念的学习、实验操作能力的培养，使学生加深对相关理论知识的理解，初步具备进行电子技术实验的能力。通过本课程，学生能够学会电子元器件、集成电路的识别、测试和使用知识，掌握常用电子设备和工具的使用方法，在完成几个单元实验的过程中，加深对理论知识的理解，建立实验的概念。通过对实验中出现或可能出现的故障的分析和排除，培養学生分析问题和解决问题的能力。在设计实现综合型模块化题目的过程中，学会测量、记录、分析和调试，提高学生解决实际问题的能力，获得感知，积累经验。通过电脑操作和远程实物实验的线上线下融合形式让学生综合掌握模拟电路、数字电路、电路分析等相关实验知识，充分激发学生工程思维能力，为未来就业所需电路设计能力打下基础。

二、教学实施过程

首先教师在开学前为课程的调整做了大量的准备工作，包括对授课方式的调整、课程内容的更新、线上实验环境的搭建、线上授课工具的摸索、实验过程的监督、考试形式的监控等过程进行了全方位的讨论和准备。课前通过学习通、微信群发布各类通知和各种学习资料，让学生完成预习工作；上课时，在学习通和微信群让学生签到，通过腾讯视频会议进行线上授课，详细讲解实验过程并进行模拟仿真，利用学习通和微信群进行问题讨论和答疑；课下学生进行线下模拟仿真做实验，并通过微信群与教师实时沟通、实时答疑，通过学习通和邮件提交实验过程和结果；最后通过腾讯视频进行在线考试，考试结束时在学习通和邮件上同时提交试卷。这其中还包括由于新冠病毒感染疫情没有到校的留学生，随时保持联系沟通，在网上进行了实验授课和实验任务的完成。最终保证课程和考试顺利完成［9-10］。

远程虚拟仿真实验教学模式的实验方法描述：

☆根据实验内容，学习、掌握实验原理；

☆根据实验原理，设计实验系统框图；

☆根据系统框图，设计各个模块的电路图；

☆用仿真软件仿真所设计电路图并优化；

☆搭建实物连接电路进行验证；

☆记录实验结果及实验过程中遇到的问题。

远程虚拟仿真实验教学模式的学生交互性操作步骤说明：

☆学生学习具体实验项目的实验原理，不理解的地方与教师沟通；

☆根据原理，设计系统框图，提交给教师审核，教师反馈审核结果，学生优化，完成实验系统框图；

☆根据框图，设计模块电路，用仿真软件仿真，查看仿真软件结果；

☆在仿真软件结果不理想的情况下，需要核对模块电路设计，在仿真软件结果理想的情况下，跳过该步骤；

☆仿真软件结果不理想，自己没查找到问题的情况时，需要与教师进行沟通，完成模块电路的优化设计；

☆搭建具体的实物实验电路，确保实物与实验原理图的型号对得上，否则无法完成实验；

☆观察仪器是不是正确的结果，如果结果不正确，需要自己查找资料或者与教师沟通交互；

☆记录仪器的测试结果或者上位机显示的实验结果；

☆与其他同学沟通测试结果，或者将实验结果直接提交；

☆编写完整的实验报告，提交给教师，教师反馈审核结果后，进行优化。

以“555振荡器”实验为例进行说明。

（一）课内开展

1.教师讲解“555振荡器”的基本原理，以便学生对实验的基本原理进行了解。此部分一般10分钟内完成，教师只讲解基本原理，重点在于学生对此实验进行电路搭建和调试。

2.学生自主搭建实验电路。主要要求学生进行不同的电路搭建方法的尝试，并对同一电路改变不同电阻值等操作，通过示波器对电路信号频率、幅度、占空比等项进行测量，记录测量数据并提交实验报告。在此过程中，学生对实验电路进行自由搭建，并通过对不同阻值的调整，可以掌握此电路相关知识，并能突出感受到真实物理器件和虚拟器件的特性区别。

3.教师对学生实验数据的分析。在班级学生进行整体实验过程中，每一个学生的每一次实验过程所产生的测量数据、测量仪器的屏幕截图、学生实际搭建的电路图，教师都可以通过后台数据进行实时获取。教师会通过对整体实验进行大数据分析，得出此次实验对于学生掌握的难点和易错点，以便更好地了解学生对知识点的掌握程度；教师也会对重点学生的单独实验数据进行查询和分析，以便针对个别学生进行重点了解。

4.教师针对易错点和难点进行重点讲解。针对大数据分析后的难点和易错点，教师进行整体的重点讲解，对于之前错误的学生，进行再次实验和学习，直至学生掌握为止。

（二）课外开展（学生可以任意时间进行远程实物实验）

1.教师将课外实验常用的元器件和测试仪器保持在开机状态，供学生使用。

2.对还未开展的实验，学生可以自由查看实验指导书和原理图，以便对实验进行预习。

3.对已经结束的实验，学生可以自由查看教师总结的难点和易错点，以便对实验进行巩固学习。

4.学生可以自主进行创新实验或者拓展实验的学习，对于拓展实验部分，教师会提供指导书和原理图以便学生自由查看；而自主创新实验，则充分发挥学生的主觀能动性，教师只提供基本元器件和测试仪器等工具，以便更好地拓展学生的工程思维能力。

5.对于预习、复习、拓展实验、自主创新实验，学生每一次课外进行的时间、时长、测量数据、仪器截图、电路图等，教师都会在后台进行实时查询和获取，并根据学生的实际实验情况，对学生进行重点的指导和培养。

三、教学考核要求

设置了实操能力考核、个人作品考核、小组作品考核、理论知识笔试考核相结合的多元化考核方式。力求做到理论知识考核和运用理论知识综合解决实际问题的能力考核相结合，个体考核与学习小组考核相结合，学习结果考核与学习过程考核相结合，以确保考核的科学性和准确性。

实验教学中心的具体考核采用行程性与终结性相结合的方法，即结合课程特点与教学要求，建立以基本理论和基本技能为基础，以综合运用能力为重点，以学习态度为参照的综合考评体系，注重考评方式的多样化和考评指标的规范化，以保持对学生学习成绩和教师教学效果检验的客观公正性。基础性实验和专业特色的综合性实验主要从考勤、实验过程检查和实验报告三个方面综合考核并确定成绩。创新性与设计性实验一般单独考试和记分，采用对申请优秀的实验小组以现场展示、提问、学生做简单答辩的方法考核后再确定最终成绩。

四、教学实验创新之处

（一）实验方案设计思路创新

充分利用互联网技术，实现实验课程在线化。支持本地和在线实验，突出“资源共享”，解决因不可抗力因素不能到实验室时也能照常做实验的问题。支持验证性实验，完成模电、数电、电子线路、创新实验的相关实验，支持创新型实验，支持教师根据课程内容自有更改实验电路。以学生为中心需要实验过程的大数据，为科学评价学生实验过程和教学结果做支撑。具备本地、远程、教学、考试一体化的能力。适应课程性、未来升级性、不断滚动课程内容，打造特色的实验项目。

（二）教学方法创新

引入长三角、珠三角地区的优质高新技术企业，深度产教融合共同打造以学生为中心的实验课程体系。以学生为中心，以项目式教学为切入点，以学习过程中采集的学习过程数据为依据，采取个性化学习，针对学生知识点薄弱的环节系统自动提醒并推送相关内容。贯穿式学习，从基础验证到综合设计到行业应用，在同一平台上完成。

（三）评价体系创新

因采集学习过程数据而让教师可以不断优化实验内容，从而有针对性地实施知识的传递。学生因为有学习过程大数据，从而可以不断优化实验方法，直到达标。对学生个体、对班级情况、对专业情况依据大数据分析出问题，并不断优化课程内容，实现对人才的系统培养。

（四）对传统教学的延伸与拓展

贯穿式教学，基础+进阶+高阶训练+行业应用。联动产业资源，实现集教、学、训练、应用为一体。24小时的开放模式，大大提高了基础实验的效率，让学生有更多时间进行探索性实验。

参考文献

［1］用屏幕照亮前程 用技术跨越障碍“停课不停学”的中国经验［N］.光明日报，2020-04-21（14）.

［2］于海雁，庞杰，李晓游，等.线上线下混合式“金课”的建设与实践：以“模拟电子技术”课程为例［J］.高教学刊，2020（28）：66-68.

［3］陈军波，周慧，杨丹丹，等.新工科背景下“模拟电子技术”课程教学改革探索［J］.电气电子教学学报，2020，42（3）：41-44+48.

［4］任君玉.模拟电子技术实验教学改革与创新人才培养［J］.实验技术与管理，2019，36（9）：219-221.

［5］康凤娥，孔令德.电子技术实验成绩分阶评价体系的构建与实践［J］.大学教育，2020（1）：105-108.

［6］顾秋洁，谭爱国.模拟电子实验教学考核体系的改革与实践［J］.实验科学与技术，2018，16（3）：81-84.

［7］桑林，付強，师楠，等.电工电子技术实验多元化考核方式的研究与实践［J］.当代教育实践与教学研究，2019（19）：112-113.

［8］王培元.新工科背景下电子设计自动化课程建设探究［J］.轻工科技，2019，35（2）：164-165.

［9］董建彬，王军芬，马艳玲.电子技术课程实验考核体系的构建与实践［J］.轻工科技，2021，37（9）：132-133.

［10］周子楠.电子技术基础与技能课程网络教学资源建设的实践研究初探［J］.现代职业教育，2021（38）：184-185.

Exploration of Remote Virtual Simulation Experiment Teaching Mode of Electronic Technology

SHI Ting， LEI Fei， AO Dun， SONG Hong-guang

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： The traditional experimental teaching methods are difficult to break through the limits of region and time， and the evaluation mode is single. In recent years， with the frequent outbreak of epidemics in many places， the demand for remote virtual experiment teaching is becoming more and more urgent， and multi-dimensional analysis and evaluation of students practical and learning abilities are particularly important. The remote virtual simulation experiment of Electronic Technology Foundation and Course Design can solve these problems well. According to the remote virtual simulation experiment， on the one hand， actual experiment operation can be carried out offline， and on the other hand， the experiment can be easily and remotely carried out online through a computer at any time and any place， so that online and offline virtual and real combined electronic experiment design， simulation and realization are realized. The traditional teaching mode is less interactive， and it takes a lot of time and energy for teachers to collect and manage students learning data， so the utilization rate of classroom time is low. Through this system， students theoretical and practical experimental data can be collected conveniently， managed and analyzed automatically， and the actual teaching results can be reflected intuitively through multi-dimensional data reports.

Key words： electronic technology; distance learning; virtual simulation; experimental teaching