模擬電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺

摘要：在工科教學(xué)要求逐步提升的背景下，以模擬電子技術(shù)為代表的工科課程實驗教學(xué)也在面臨新的挑戰(zhàn)，優(yōu)化實驗環(huán)境勢在必行。本文首先分析虛擬實驗平臺的開發(fā)背景，隨后設(shè)計了虛擬實驗平臺結(jié)構(gòu)，并總結(jié)應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù);虛擬;實驗平臺

引言：困擾高校開展實驗教學(xué)的因素有很多，場地因素、安全因素等等均位列其中，優(yōu)化課程實驗體系勢在必行。因此以模擬電子技術(shù)課程為例，有必要建立一種虛擬實驗平臺并說明應(yīng)用的方式和價值。

一、虛擬實驗平臺背景分析

1.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大量應(yīng)用，為教學(xué)領(lǐng)域的虛擬實驗平臺構(gòu)建提供了背景基礎(chǔ)。一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與現(xiàn)代信號處理的理念目標(biāo)相吻合，對于工業(yè)自動化控制體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。工業(yè)控制體系中出現(xiàn)的很多新方法與新體系都與互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境關(guān)系密切，更加強調(diào)人員與設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的協(xié)調(diào)操作效應(yīng)，推動工業(yè)控制體系不斷發(fā)展。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于工業(yè)控制體系中的通信效應(yīng)具有正面促進(jìn)作用，與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的深度融合也是工業(yè)控制體系發(fā)展的重要特征。例如在應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)的過程中需要充分結(jié)合控制理論體系，并完成工業(yè)控制體系數(shù)據(jù)的交換任務(wù)。伴隨著工業(yè)體系的不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)交換任務(wù)逐步增多必然意味著服務(wù)器負(fù)擔(dān)的逐步加重。由此可見構(gòu)建虛擬實驗平臺的必要性，在充分利用虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上開展網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗，發(fā)揮電子技術(shù)手段的優(yōu)勢。

2.實驗需求提升。近年來我國逐步加強工科實踐類人才的培養(yǎng)力度，對于工科實驗教學(xué)的要求逐步提升、投入力度也在加大，客觀上存在應(yīng)用虛擬實驗平臺的大量需求。以模擬電子技術(shù)課程為例，作為電子信息工程類專業(yè)的重要課程，在工科教學(xué)體系中占有重要地位，如何保證模擬電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)質(zhì)量成為重要課題。根據(jù)模擬電子技術(shù)的實驗課程特征以及計算機網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，將邏輯的理念融入其中，建立一套服務(wù)于模擬電子技術(shù)的實驗平臺。參與實驗的人員可以通過虛擬實驗平臺進(jìn)入到仿真實驗環(huán)境，在平臺中提供開展模擬技術(shù)實驗需要的器材和設(shè)備，在仿真實驗環(huán)境中選擇提供的設(shè)備器材就可以開展實驗，達(dá)到與實景實驗相仿的實驗效果。虛擬實驗平臺并行性能良好，為多名實驗者在平臺中同時開展實驗提供技術(shù)空間和條件;而且這種實驗方式有效突破空間因素桎梏，在具備計算機和網(wǎng)絡(luò)條件的環(huán)境中就可以開展實驗，實現(xiàn)實驗課程的遠(yuǎn)程教學(xué)效果。虛擬實驗平臺本質(zhì)上是計算機技術(shù)與其他軟硬件技術(shù)的結(jié)合，突出虛擬實驗平臺的仿真價值。即便是操作虛擬實驗平臺，也能夠獲取身臨其境的效果。另外在虛擬實驗平臺中還需要注意輔助軟件的應(yīng)用設(shè)計，進(jìn)一步提升模擬實驗的實際效果。在模擬電子技術(shù)實驗環(huán)節(jié)中包含很多程序設(shè)計任務(wù)，應(yīng)用輔助性軟件則為實驗過程中的編程設(shè)計環(huán)節(jié)提供很多方便，有效促進(jìn)實驗人員與平臺之間的交互效果。

二、虛擬實驗平臺設(shè)計

1.平臺前臺架構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)K。虛擬實驗平臺的前臺部分面向普通實驗人員，包括網(wǎng)絡(luò)實驗、實驗支持等多個模塊。網(wǎng)絡(luò)實驗是開展各項模擬電子技術(shù)實驗的核心，在網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)K中提供了實驗人員可以選擇的實驗類型和實驗內(nèi)容，實驗人員可以根據(jù)自身需求選擇目標(biāo)實驗。當(dāng)實驗人員進(jìn)入到實驗環(huán)境后，并不會直接開始實驗，而是獲取有關(guān)本次實驗的具體步驟、要求和內(nèi)容，幫助實驗人員對本次實驗建立初步、全面的認(rèn)識，為虛擬環(huán)境中的實驗奠定堅實基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)K中提供了很多實用價值較高的實驗器材元件，這些元件與模擬電子技術(shù)實驗課程的要求相吻合，基本覆蓋模擬電子技術(shù)課程的全部要求。其中以實驗箱和Flash模型為典型代表，在實驗箱中提供了類型豐富的實驗元件以及足夠逼真的實驗面板;選擇實驗內(nèi)容和實驗面板后，可以在實驗面板中按照實驗步驟選擇實驗元件并執(zhí)行連線操作，另外可以進(jìn)行模擬連線處理。例如在“多級放大器設(shè)計”網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境中，提供了多級放大器設(shè)計需要的電子元件和導(dǎo)線，為實驗人員落實實驗任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

（2）在線交流模塊。實驗人員在虛擬實驗平臺提供的空間中并不是獨立的，可以通過在線交流模塊根據(jù)實驗內(nèi)容進(jìn)行交流。為增強實驗人員相互之間的聊天效果，在虛擬實驗平臺中整合了常用的聊天方式，事實上形成了虛擬實驗平臺范圍內(nèi)的聊天室。這種在線交流模式不僅限于兩人之間的交流，同時滿足多人交流、群組交流的效果。在部分模擬電子實驗中需要采取多人分組方式，在虛擬實驗平臺中也可以完成與現(xiàn)實場景相吻合的人員分組任務(wù);在構(gòu)建小組的基礎(chǔ)上開展群組交流活動，針對模擬電子技術(shù)實驗中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行互動，群策群力共同解決問題。通過在線交流模塊還可以實現(xiàn)問題解答、實驗問題發(fā)布等功能，同時為模擬電子技術(shù)實驗中的學(xué)術(shù)問題開展研討。

（3）實驗輔助模塊。在模擬電子技術(shù)實驗過程中可能會需要輔助支持，通過實驗輔助模塊為實驗人員的實驗活動提供必要的支持。該模塊中可以提供多種表現(xiàn)類型的支持，例如通過文字資料為實驗提供可以借鑒的內(nèi)容。與此同時還可以為模擬電子技術(shù)實驗提供視頻、動畫、音頻等多方面的材料支持;同樣以“多級放大器設(shè)計”為例，在開展正式實驗前需要預(yù)習(xí)有關(guān)本次實驗的內(nèi)容，對實驗步驟、流程和目標(biāo)建立基礎(chǔ)認(rèn)識。實驗人員通過播放實驗視頻的方式，對“多級放大器設(shè)計”實驗的基本過程進(jìn)行梳理，從而做到對實驗內(nèi)容心中有數(shù)。在虛擬實驗平臺開發(fā)中充分整合Flash、短視頻等技術(shù)，增強實驗內(nèi)容的展示效果。與此同時提供關(guān)于本次實驗的語音介紹內(nèi)容，豐富實驗輔助模塊的體驗效果。

（4）實驗學(xué)習(xí)模塊。任何實驗課程都不能完全脫離實際，對于模擬電子技術(shù)實驗同樣如此。因此在前臺架構(gòu)中設(shè)計了實驗學(xué)習(xí)模塊，為開展與模擬電子技術(shù)實驗相關(guān)的理論學(xué)習(xí)提供便捷渠道。另外各個學(xué)校針對模擬電子技術(shù)實驗課程編寫了實驗教材，在虛擬實驗平臺中可以閱覽與實驗教材同步的內(nèi)容。這些內(nèi)容以pdf、word等多種格式體現(xiàn)在實驗學(xué)習(xí)模塊中，實驗人員在執(zhí)行實驗的過程中可以隨時查閱編撰的實驗材料，為開展實驗學(xué)習(xí)提供了自由空間。在實驗學(xué)習(xí)模塊中提供了學(xué)習(xí)成果檢驗的路徑，通過問答題、試卷等方式為實驗人員自我檢測學(xué)習(xí)成果提供了有效渠道。

2.平臺后臺架構(gòu)

（1）信息維護(hù)模塊。在該模塊中主要維護(hù)關(guān)于虛擬實驗平臺的各項信息，后臺管理員可以管理參與模擬電子技術(shù)實驗的人員信息。由于虛擬實驗平臺在學(xué)?；蛘邌挝环秶鷥?nèi)進(jìn)行，因此要做好虛擬實驗平臺操作人員的權(quán)限管理工作。例如實驗人員在使用平臺前需要注冊賬號信息，并提供證明本人身份的信息;這部分信息提交后需要后臺管理員的審核驗證，在確定注冊人員身份后方可允許實驗人員操作平臺。通常情況下需要驗證人員的姓名、院系、專業(yè)等信息，進(jìn)而建立虛擬實驗平臺的人員信息體系。

虛擬實驗平臺的大量信息內(nèi)容與實驗課程、實驗步驟有關(guān)，在信息維護(hù)模塊中構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)信息體系。例如在實驗內(nèi)容信息管理功能中，實現(xiàn)對實驗電路圖、實驗人員、時間等信息的管理功能，妥善保存某次實驗的結(jié)果。對于實驗課程信息的管理同樣如此，操作信息維護(hù)模塊可以建立有關(guān)模擬電子技術(shù)實驗課程的臺賬，體現(xiàn)每次實驗課程的標(biāo)題、描述內(nèi)容、實驗要求等信息。

總體來講，信息維護(hù)模塊是虛擬實驗平臺與數(shù)據(jù)庫體系交互的重要模塊，上述信息最終都會保存在虛擬實驗平臺數(shù)據(jù)庫中。后臺管理人員操作的全部信息都來自數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計了有關(guān)模擬電子技術(shù)信息的數(shù)據(jù)表，為信息維護(hù)模塊提供充足的信息支撐。

（2）實驗報告管理模塊。每次模擬電子技術(shù)實驗后，實驗人員都應(yīng)當(dāng)根據(jù)此次實驗情況編寫實驗報告，關(guān)于這部分實驗報告信息的管理則由管理人員在后臺完成。一份完整的實驗報告，應(yīng)當(dāng)清晰體現(xiàn)一次模擬技術(shù)實驗的目的、過程和結(jié)果。后臺管理員可以對全部實驗報告信息進(jìn)行全面管理，教師用戶可以對個人負(fù)責(zé)學(xué)生的實驗報告進(jìn)行批閱并給出成績，建立成績與實驗報告之間的對應(yīng)關(guān)系。由于實驗報告涵蓋內(nèi)容較多，因此在實驗報告管理環(huán)節(jié)需要設(shè)計批閱、查詢、修改等多項功能，確保實驗報告信息能夠貫穿模擬電子技術(shù)實驗過程。

（3）統(tǒng)計評價模塊。對于實驗人員的具體表現(xiàn)以及實驗成績需要綜合評價，與此同時模擬電子技術(shù)實驗的評分項目較多，因此在統(tǒng)計評價模塊中設(shè)計了分步驟打分、成績計算等功能。教師根據(jù)實驗人員在各個流程步驟的表現(xiàn)給出合理的分?jǐn)?shù)，虛擬實驗平臺執(zhí)行成績計算功能確定實驗人員的最終分?jǐn)?shù)。教師在掌握實驗人員最終分?jǐn)?shù)和操作過程的基礎(chǔ)上，確定對本次模擬電子技術(shù)實驗內(nèi)容的掌握程度。在此基礎(chǔ)上給出相對客觀公正的評價。參與模擬電子技術(shù)實驗的人員信息、成績信息乃至課程內(nèi)容信息是一筆龐大的數(shù)據(jù)資源，因此在整合大數(shù)據(jù)技術(shù)的前提下，建立了成績數(shù)據(jù)評價體系。后臺用戶可以實驗人員、院系、實驗課程等信息為維度，檢索模擬電子技術(shù)實驗信息并深入分析，確定院系內(nèi)不同班級、或者班級內(nèi)不同實驗人員的總體表現(xiàn)，為教師優(yōu)化教學(xué)方案提供重要的依據(jù)。平臺功能架構(gòu)如圖1所示。

三、虛擬實驗平臺應(yīng)用優(yōu)勢

1.擴(kuò)展實驗空間。傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實驗體系主要在實驗室現(xiàn)場進(jìn)行，由于實驗教學(xué)資源終究有限，實驗中心通常要容納全部工科學(xué)科的實驗教學(xué)任務(wù)，具體到每一類實驗課程僅能分到2～3間實驗室，需要教務(wù)人員根據(jù)學(xué)生規(guī)模制定實驗方案并開展分批實驗，間接延長實驗周期并降低一學(xué)期內(nèi)可以開展的模擬電子技術(shù)實驗課程內(nèi)容。應(yīng)用虛擬實驗平臺則有效突破空間層面的桎梏，由于平臺中包含全部實驗課程，教師可以根據(jù)實驗課程的簡繁難易程度進(jìn)行甄選;對于基礎(chǔ)性較強、對現(xiàn)場依賴度較低的實驗課程則可以完全在虛擬實驗平臺環(huán)境中完成，對于相對復(fù)雜的課程則可以采用“平臺+現(xiàn)場”的實驗教學(xué)模式，通過虛擬實驗平臺達(dá)到預(yù)習(xí)效果，隨后在現(xiàn)場環(huán)境中實地操作。由此可見虛擬實驗平臺的優(yōu)化效應(yīng)非常顯著，實驗中心實驗室資源的利用效率也會顯著提升，模擬電子技術(shù)實驗體系中的全部課程都可以在規(guī)定教學(xué)學(xué)時內(nèi)完成，保證實驗教學(xué)全面鋪開。

2.有助于培養(yǎng)創(chuàng)新意識。虛擬實驗平臺有效拓寬了實驗環(huán)境，實驗人員可以充分利用平臺提供的各種資源進(jìn)行拓展實驗，很多傳統(tǒng)實驗環(huán)境中的束縛因素被徹底去除。實驗人員在積極開展實驗的同時不斷探索模擬電子技術(shù)課程的未知領(lǐng)域，真正體現(xiàn)工科教學(xué)“基于課程高于課程”的理念。虛擬實驗平臺真正利用互聯(lián)網(wǎng)資源，為開展試驗開拓空間。

3.降低實驗成本。虛擬實驗平臺本質(zhì)上是將現(xiàn)場實驗環(huán)境搬移到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在很多領(lǐng)域起到與現(xiàn)場實驗同等的作用。一直以來實驗環(huán)境建造和實驗設(shè)備配置是學(xué)校開展實驗活動的難題，很多實驗設(shè)備歷經(jīng)多年使用，已經(jīng)出現(xiàn)明顯的損耗或者計數(shù)不清的現(xiàn)象，利用這種設(shè)備開展模擬電子技術(shù)實驗的意義已經(jīng)不大;另一方面，學(xué)校需要在實驗中心建設(shè)以及實驗設(shè)備更換方面投入較多經(jīng)費，提升了學(xué)校運營成本。虛擬實驗平臺的應(yīng)用顯著降低對實體實驗設(shè)備的依賴程度，學(xué)校在制定實驗中心建設(shè)方案時更有針對性，諸多設(shè)備元件通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境就可以實現(xiàn)，實體設(shè)備元件的使用頻率明顯降低，提升實驗設(shè)備的使用壽命并延長周轉(zhuǎn)周期，很多成本由此被節(jié)省。

4.提升容錯性。模擬電子技術(shù)雖然主要在弱電環(huán)境中進(jìn)行，但是潛在的傷害因素不容忽視，有可能會對實驗人員造成人身傷害。應(yīng)用虛擬實驗平臺則會提升模擬電子技術(shù)實驗環(huán)境的安全性，實驗過程完全在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行，實驗人員無需要擔(dān)心由于實驗帶來的安全隱患，能夠更好地投入實驗過程。另一方面，模擬實驗操作出現(xiàn)失誤，可能會對設(shè)備本身造成難以挽回的損害，存在容錯度較低的特征;應(yīng)用虛擬實驗平臺，對于實驗設(shè)備起到顯著的保護(hù)作用，即便實驗人員在實驗中出現(xiàn)錯誤，也有很大的挽回余地，實驗行為的容錯性明顯提升。

結(jié)束語：虛擬實驗平臺的應(yīng)用，對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)體系是一次徹底新的突破，也為模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)的發(fā)展開辟新的空間。在應(yīng)用虛擬實驗平臺的過程中要注意積累經(jīng)驗和方法，力爭獲得更好的教學(xué)效果。

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作者簡介：楊秀峻，男，1998年8月，本科生，黑龍江工業(yè)學(xué)院，電氣工程及其自動化，專業(yè)學(xué)生。

黑龍江工業(yè)學(xué)院 ?黑龍江 ?雞西 ?158100