电子专业实验室虚拟化与网络化教学平台的建设

吴笳宁 耿丹

本文从实验室建设出发，提出了电子专业实验室虚拟化与网络化的建设方案，同时对虚拟实验室在教学中的应用进行了探讨。

【关键词】实验教学；虚拟实验室；网络化实验室

1 引言

随着计算机技术与网络技术的发展，高等教育的教学模式发生了巨大的改变。MOOC（Massive open online courses大型开放式网络课程）、翻转课堂、微课等教学模式的应用，改变了传统的课堂教学，不仅使教学内容、教学形式更加丰富多彩，更可以让学生自由地选择课程、选择学习方式及学习进程，并能够选择到更好地教学资源。这些新型的教学模式能更好地提高学生的自主学习能力与自我管控能力。

高等教育中的实验教学模式借助于先进的计算机技术与网络技术也发生着改变。MOOE（Massive Open Online Experiments大规模在线开放实验）、虚拟实验室、基于虚拟仪器的网络化实验室等实验室与实验中心的建立，彻底改变了原有的实验教学模式：即学生要根据课程安排在固定的时间和实验室内完成同一个实验的情况。

在线开放实验、虚拟实验室、网络化实验室实现了真正意义上的开放式实验教学。开放式的实验教学不仅是“全天侯”的全面开放实验场所，还包括实验教学内容与形式的开放，更多地是为学生提供自主学习、自主实践、开展综合性实验、创新性实验的平台，从而调动学生的积极性与主动性，提高学生的实践能力与创新能力。

电子专业的实验课程随着仿真技术、设计技术以及测试技术的数字化和自动化，虚拟化、网络化实验室可以满足大部分的实验教学要求，并能节约设备投资，提高实验的教学效果。

2 虚拟化网络化实验室的建设

虚拟实验室是基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统。

2.1 虚拟仿真软件的应用

随着EDA（Electronic Design Automation 电子设计自动化）技术的发展，电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件等得到了广泛的普及，不仅使电子电路设计方法发生了彻底的变革，而且为实验教学的改革提供了强大的工具。

Multisim、SPICE、Matlab、Altium Designer、Proteus等是现今高等院校电子专业电路设计、PCB设计中普遍应用的软件。这些软件均提供了丰富的电子元器件库、常用的仪器设备库、完整的函数库等，以及强大的仿真功能，可供学生自行完成配置、连接、调试及仪器设备的使用等。现今，这些软件都不是单一功能的软件，在功能实现上会有交叉，但因其某一功能的强大而被广泛使用。

比如Proteus软件是目前比较好的单片机及外围器件的仿真工具，它是电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，但在PCB设计教学中我们仍采用Altium Designer。因为它在原理图设计、PCB绘制编辑、自动布线方面被应用的比较早，且普及率高，所以在PCB设计中大家还是习惯使用Altium Designer。

虚拟化实验室的优势还在于实验过程中允许学生出错，甚至出现故障，但却不会造成人身與设备的损害。

2.2 网络化实验室的实现

虚拟实验室的网络化是开放式实验教学的关键，只有充分利用网络技术才能真正实现不受时间、空间、设备等限制的开放实验室。基于上述软件再结合Web技术就可以构建开放式的网络化虚拟实验室。

实验室的网络化采用B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式）网络结构模式，B/S最大的优点就是客户端的零安装与零维护，学生操作简单。而且只要在实验室的服务器上安装SQL Server数据库，客户端浏览器使用Internet Explorer，浏览器就可通过Web Server同数据库实现数据交互。

网络化实验室具有用户管理、网上交流、实验考核、提交实验报告、下载实验资料等功能。

3 虚拟化网络化实验室的应用

我校的电子专业现已开出基于Proteus的微机原理与应用实验、单片机原理与应用实验、单片机课程设计，基于Altium Designer的“电子线路CAD”课程及课程设计，基于Matlab的信号与系统实验、数字信号处理实验，基于 Multisim的模拟电子技术实验、数字电子技术实验。

3.1 基础性实验

各虚拟实验室均配有软件安装与基本操作的微课视频、实验指导讲义、课件等，供学生自学与预习。学生在实验开课前通过自学微课视频来掌握各仿真软件的安装方法与基本操作，这样不仅可以节省实验课时，还能培养和提高学生的软件安装能力，软件使用能力以及自学能力。教师通过网络交流平台解答学生在自学过程中遇到的问题，同时学生之间也可以通过网络进行交流。

学生在实验前通过下载实验指导讲义、课件PPT等相关资料，进行预习，并按要求完成实验前的准备工作，课上按要求完成实验步骤，获得实验结果与结论，课堂上主要完成实验原理的解析和讨论及研讨教师提出的问题。最后在网上提交实验报告。

之前在传统实验室完成基础性实验时，实验过程中学生急于完成实验步骤，得出实验结果，而不注重探究实验原理、理解电路原理、掌握常用仪器的使用，不能积极思考解决出现的问题。所以实验教学要达到通过实验验证原理及掌握常用仪器使用的效果不明显。

在虚拟化网络化实验室完成基础性实验时，增加了学生自学与预习的内容，学生在實验前必须按要求做好充足的准备，课堂上教师可以有充足的时间与学生解析实验的原理并纠正学生们出现的问题与错误。同时，学生可以利用课余时间在虚拟实验室中的练习常用仪器设备的使用，因为虚拟实验室中的设备与现实设备的使用方法是一致的。

3.2 综合性、设计性实验。

在网上提供的实验资料中还包括往届学生优秀的综合性、设计性实验的实例，供学生在完成课程设计与毕业设计时参考。

在虚拟实验室中，学生可以充分借助软件的设计与仿真功能完成自己的设计，并通过反复地仿真测试与修改，达到设计目标并符合实际要求。设计满意后再制作成品，最后对成品进行测试与修正，以实现设计目标。这样的设计方法与流程也符合现代电子产品的设计与开发过程。

3.3 实践技能训练

对于需要熟练掌握的应用软件，虚拟实验室提供了大量的训练实例，供学生进行练习。

例如Altium Designer软件的应用，网上的实验资料中有很多校外实践基地提供的电路原理图与PCB板图的实例供学生练习。同时在电子线路CAD课程设计中，由校外实践基地的企业工程师为学生授课，并通过网络对学生进行指导、与学生交流、评定学生成绩等。

图1中所示为校外实践基地企业实际生产中的电路，课程设计时由企业工程师講解电路的原理及原理图、PCB板图设计的规范与规则等，然后要求学生按照制板的规范来完成此电路原理图的绘制及PCB板的设计，同时要求学生自行设计一个给定参数的大功率稳压电源电路。设计过程中，学生要完成电路原理的分析与计算，元器件的选择，原理图的绘制及PCB板图的设计。之后依据学生的设计图纸由企业加工出PCB板，再经过学生焊接制成成品，进行最后测试。

此课程设计将模拟电子技术与PCB板设计相结合，使学生对理论知识的理解更加深入，同时学生对于自己设计成果的实现非常有成就感，如图2所示。

4 虚拟实验室与实践相结合

虚拟实验室虽然具有强大的设计与仿真功能，但虚拟实验仍不能完全替代实物实验。学生可以在虚拟仿真软件上轻松的绘制出电路图，但可能在实验箱上卻搭建不出实际的电路。而且在综合性、设计性实验中，只有实际的产品通过了测试才是真正实现了设计目标。

比如单片机课程设计中完成的无线遥控小车，要实现小车在行进、转弯时的适宜速度、实现无线遥控的功能等，就必须要经过成品的反复调试与修改过程。

所以在实验教学中将虚拟实验室与实践相结合，处理好虚拟实验与实物实验的关系。学生动手实践的环节不能省略，否则就会培养出只能“纸上谈兵”的理论型人才。

5 结束语

如今，我校的电子信息科学与技术专业正在推进专业转型，实践教学的改革刻不容缓，实验教学作为实践教学的重要环节，更需要不断地加强与创新。建设适合我校特点的电子专业虚拟化网络化实验室，有利于实验教学的改革，有利于学生自主的学习，有利于提高教学水平。

参考文献

[1]杨蕊，王晓燕，杨婷.基于multisim虚拟仿真技术的电工电子实验室建设[J].实验技术与管理，2015（10）.

[2]姜莉，马远新.基于仿真软件的虚拟电工电子实验室的建设[J].福建电脑，2010（06）.

[3]陈福彬，付晓辉. 虚拟化、网络化电工电子实验教学平台的构建[J].中国现代教育装备，2015（04）.

作者单位

1.鞍山师范学院物理科学与技术学院 辽宁省鞍山市 114007

2.鞍山师范学院科技处 辽宁省鞍山市 114007