基于虛擬仿真的電工電子實驗教學改革與實踐

在國家信息化發展戰略的指引下，教育信息化在教育教學領域和管理過程中受到了高度重視，其發展和應用呈現出逐步深入和不斷拓展的趨勢，有力促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。2013 年，根據教育部關于建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的要求，長安大學對學科專業進行整體規劃，以交通信息工程及控制國家級重點學科為龍頭，在4 個省級實驗教學示范中心和1 個省級工程技術研究中心分別設立虛擬仿真教學實驗室。通過統籌規劃和分批建設，組建了交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心。2015 年初，該中心被批準為國家級虛擬仿真實驗教學中心。
作為該中心下屬的4 個省級實驗教學示范中心之一，電工電子實驗教學中心承擔著全校電工電子系列課程的實驗教學任務。為更好地適應新型高素質交通信息與控制類人才的培養需求，中心在原有場地和硬件設施的基礎上，通過一系列信息化資源建設，建立了以開放共享為核心、以虛擬仿真為牽引、以遠程教學為特色、以智能管理為保障的虛擬仿真實驗教學信息化平臺，構建起多層次、網絡化的實驗教學資源體系，實現虛實結合的層層深入和良好融合，進一步完善實驗教學方法和管理機制，在電工電子虛擬仿真實驗教學改革方面探索出一條卓有成效的建設和發展之路。
1 開展虛擬仿真實驗教學的必要性
電工電子系列課程包括電工與電子技術基礎、電路理論、模擬電子技術基礎、數字電子技術、EDA 技術等，是工科院校電類專業和部分非電類專業必修的專業基礎課程。該課程的實驗環節實踐性較強，在培養體系中擔負著承上啟下的作用，是進一步學習后續課程，培養工程意識的基礎。
傳統的實驗教學是利用電工實驗臺、實驗箱及相關測試儀器來開展，通常安排在學生空余時間進行，由指導教師在實驗室進行統一授課和指導。通過對學生的調查和教師的反饋，發現傳統的教學模式在時間、空間、教學內容和形式上存在以下3 個不足。
1) 時間安排不合理。電工電子系列課程實驗通常安排在大二上學期陸續展開，該階段學生理論課程安排緊，空余時間較少。而實驗教學課時量大，授課班級多，在課程安排上經常發生沖突，有時不得不占用教師和學生的課外休息時間，在某種程度上影響到教學效果。
2) 實驗場地和設備資源利用不科學。實驗中心年均承擔約3 000 課時的實驗教學任務，根據教學日歷安排，絕大部分集中在學期的第4～ 第15 周之間進行，期間各課程和各班級在實驗場地的安排上時常發生沖突; 而在學期的其他時間段，大部分實驗室和設備均處于閑置狀態，實驗資源未得到合理有效的利用。
3) 實驗內容、形式和考核方式亟待改進。傳統的實驗過程中，學生通常是按照實驗指導書在實驗箱上進行，驗證性實驗比例偏大，難以培養綜合設計能力，而實驗項目的更新又受到硬件條件的制約; 隨著實驗設備故障率的提高，實驗教學成本中器材損耗和修理費用也日益增加; 考核成績主要參考平時表現和實驗報告給出，不能真實客觀地反映學生實際的工程實踐能力。
而伴隨著“互聯網+”背景下的虛擬現實技術、人機交互技術、仿真技術等教育信息化技術的日益發展，上述制約實驗教學的瓶頸問題都可以迎刃而解。電工電子實驗教學示范中心通過建設虛擬仿真網絡信息化平臺，把虛擬仿真實驗作為傳統實驗教學的完善與補充，最大限度地拓展電工電子實驗教學的時間和空間，豐富其內容和形式，取得了較好的效果。
2 建立網絡化、分布式的虛擬仿真實驗教學平臺
隨著教育信息化技術的不斷發展，建立實驗室信息化管理與資源共享平臺已經成為虛擬仿真中心建設的必備條件。中心根據學校信息化發展規劃，結合日常教學與管理需求，依托現有的校園網絡與企業合作開發了虛擬仿真實驗教學信息化平臺。旨在建立一個以實驗資源共享化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化、實驗教學個性化、實驗學習自主化為特征的新型虛擬實驗學習環境。該平臺以國家級“交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”網站作為網絡載體，由遠程虛擬仿真平臺、教學綜合管理平臺、大學生創新管理平臺3 個子平臺構成，如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學信息化平臺構成
各子平臺的具體功能有以下3 點。
1) 作為虛擬仿真實驗教學的核心部分，遠程虛擬仿真平臺主要為師生提供一個開放、互動、共享的虛擬實驗教學環境。學生在校園網內的任一電腦上均可訪問平臺，并可根據教學計劃安排，完成選課、虛擬實驗、請求指導、提交實驗報告、預約實驗工位等整個實驗過程。教師在實驗前發布實驗開課計劃、上傳相關學習資料、安排實驗項目; 實驗過程中可對學生進行在線指導和答疑;實驗后對實驗報告進行智能批改，并對成績進行分析和總結。師生之間還可以通過BBS 論壇的方式進行進一步的互動和交流。
2) 作為虛擬仿真實驗教學的服務保障部分，教學綜合管理平臺主要面向實驗室管理人員，負責教學事務、實驗場地、設備管理等功能。教務管理包括安排教學任務和編制開課計劃; 實驗設備管理是將設備進行分類整理并建立電子檔案，記錄使用情況、故障信息及維修記錄; 實驗場地管理是對各實驗室的使用情況進行登記，并根據教學計劃和預約記錄合理安排實驗場所。
3) 作為虛擬仿真實驗教學的拓展部分，大學生創新管理平臺主要面向學有余力的學生，目的是通過實際課題和項目的創新性訓練，提高學生的工程實踐和創新能力。該平臺與大學生創新創業訓練計劃項目、全國大學生電子設計競賽、飛思卡爾智能車大賽等相結合，可作為項目競賽的前期指導和培訓環節。通過給出項目立項和研究指南，學生可利用平臺上公開的源代碼，先自行預研、申請立項、組建團隊、參與源代碼開發，引導學生自主性、個性化研究，切身參與虛擬仿真實驗室的建設。
虛擬仿真實驗教學信息化平臺通過各子平臺之間的相互整合和補充，充分發揮“遠程教學、虛擬仿真、開放共享、智能服務”的功能，如圖2所示。涵蓋了實驗前準備、遠程虛擬仿真、實驗后反饋的整個時間流程; 明確了教師、學生和管理人員在教學平臺中的責任權限，加強了彼此之間的互動交流; 提升了實驗教學對創新能力的培養效果，促進實踐教學質量與效率的不斷提高。

圖2 虛擬仿真實驗教學信息化平臺功能圖
3 實驗教學改革的措施與效果
學校從2012 學年起，在自動化專業電工電子系列課程中引入虛擬實驗環節，利用虛擬化的仿真實驗環境和信息化的實驗管理系統，有效提升了實驗教學效果和管理水平。通過對教師和學生的調查可知，對比傳統的實驗教學模式，虛擬仿真實驗教學在實驗模式、信息化管理和拓展技能訓練3 個方面顯示出其特有的優勢，得到師生的廣泛認可。
3. 1 虛實結合的實驗方式提升教學效果
通過搭建虛擬化的實驗環境開展教學活動，同時進行實驗和仿真的對比驗證，真正做到虛實結合，逐步將抽象的理論概念通過仿真進行驗證，加深了理解并轉化為實際電路，有效激發學生的學習興趣。
1) 模擬理想化的實驗環境，減小實驗誤差。
如在傳統的差動放大電路實驗中，受信號發生器數量限制，雙端差模輸入信號無法提供，只能用單端輸入來代替其效果; 在實驗過程中，由于元器件的差異性，也無法做到雙端電路完全對稱，需要在實驗前先通過“調零”環節加以彌補。而在虛擬仿真搭建的理想實驗環境下，完全可以滿足上述要求，因而可以有效減小誤差，加深學生對差動放大電路作用的認識。
2) 采集系統化的實驗數據，提升實驗效果。
如模擬電子技術中的串聯型直流穩壓電源實驗，交流電通過變壓、整流、濾波、穩壓4 個步驟轉換成直流輸出，每一步的波形只能用示波器依次讀取，然后再后續整理得出整個過程。而利用虛擬仿真系統可以采集到系統化的實驗數據，通過設置多個參數檢測端子，可以觀測到交流電轉化為直流電的整個過程，如圖3、圖4 所示，給學生留下直觀而深刻的印象，有效提升實驗教學效果。

圖3 直流穩壓電源仿真實驗電路原理圖

( a) 變壓器副邊輸出波形  ( b) 橋式整流后波形

( c) RC 濾波后輸出波形( AC 耦合)
圖4 直流穩壓電源仿真實驗結果圖
3) 提供簡潔高效的設計過程，提高實驗效率。如數字電子技術中的電子秒表實驗，電路設計結構復雜，元器件和線路連接數量多，極易造成偶發性故障，實驗效率受到客觀條件制約，通常需要4 個課時完成。而利用虛擬仿真實驗系統，學生根據要求先設計實驗電路，并在虛擬環境下完成元器件的選取、連接、功能仿真等過程，根據結果再進行修改和調試，最終得到滿意的方案。避免了實際操作中復雜的連線過程和可能出現的偶發性故障，實驗課時壓縮在2 個課時之內，大大提高了實驗效率，同時可以有效減少元器件損耗，控制實驗成本。
需要特別注意的是，虛擬仿真實驗項目應當遵循“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則合理選取，以“基本驗證型—綜合設計型—創新開發型”為主線由淺入深、循序漸進的開展分層分類教學。虛擬仿真作為一種實驗方式，不應該也不可能完全取代傳統的實驗方法，二者應當取長補短、有機結合，達到事半功倍的效果。通過仿真軟件的使用，讓學生在實際操作實驗前提前預習實驗內容，掌握實驗原理，熟悉實驗所需設備、器材等，這樣可以減少因為對儀器設備不熟悉和操作不當損壞實驗設備; 另一方面，通過將實驗中的實測值和虛擬仿真得到的理論值進行比對，實驗目標明確，既能節省學生實驗教學時間，讓學生抓住實驗重點，又能夠做到理論聯系實際，學以致用。
3. 2 智能化的過程監督提高教學管理水平
利用虛擬仿真實驗教學信息化平臺，實現流程化的教學管理和智能化的教學服務，從而對實驗教學過程、實驗室場地設備等進行信息化監督和管理。
1) 在課前預習階段，采用智能組卷技術對學生進行相關理論知識的測試，學生通過測試后方能提出實驗申請。針對教師普遍反映的部分學生忽視實驗預習，對實驗目標和要求不明確，影響教學效果的情況，該舉措可有效督促學生鞏固相關理論知識，了解實驗背景，使得實驗過程有的放矢，更好地為理論教學服務。
2) 在虛擬實驗過程中，針對普遍性的問題設置有系統智能指導，可引導學生完成整個實驗過程，針對學生個性化的需求，教師也可進行個別輔導; 在實物驗證過程中，教師更多的是解決學生在實際操作中出現的問題，著力提高學生工程實踐能力。整個教學過程中，學生和教師之間既有網絡上的互動，也有面對面的交流。通過遠程指導和課堂教學相結合，有效減輕實驗指導教師的工作量，提高實驗教學的質量和效果。
3) 實驗后，學生完成實驗報告并在線提交，教師可設置智能化批改準則，給出評閱意見。實驗成績是根據平臺中記錄的虛擬和實物實驗的整體完成情況，并結合實驗報告進行綜合評定，更加客觀有效地體現出學生在實驗過程中的實際表現。實驗室管理者和教師亦可以對實驗數據進行詳實的統計與分析，對實驗教學過程進行評價，通過大數據挖掘，發現教學過程中的問題，改進實驗教學。
4) 教務管理人員將實驗室的使用情況進行統
一規劃，通過預約制度進行管理。這樣既可以有效對學生進行考勤監督，又可以更加科學合理的利用實驗資源; 將實驗設備設立電子檔案，在學生預約實驗時進行合理調配，在滿足教學需要的同時，還可外借給各類興趣小組和學科競賽使用通過各類實驗資源的有效利用，切實提高實驗管理工作的效率和規范。
3. 3 經常性的課外科技活動培養學生創新能力
為強化學生創新能力培養，以全面提高學生綜合設計和工程實踐能力為出發點，依托大學生創新管理平臺，不斷拓展電工電子類課程虛擬仿真教學的內涵和外延。
1) 利用長安大學的影響力與軟件公司的“大學計劃”項目進行合作，購入功能完備的正版網絡教學軟件， 包括Multisim，Altera Quartus II，LabVIEW、Proteus、Cadence 等，將虛擬仿真技術延伸到相關專業課程教學改革過程中，繼續完善虛擬仿真實驗教學資源體系。
2) 加強實驗教學與學生課外科技活動之間的聯系。通過虛擬仿真教學改革，夯實學生的知識基礎，激發學生的學習興趣和參與科技活動的熱情，扎實提高工程實踐能力; 同時，又可以將學科競賽中取得的成果、科研項目中的典型工程案例、運行數據等轉化為原創性的虛擬仿真實驗教學資源，從而拓展實驗教學范圍，豐富實驗教學內容。
4 結束語
結合國家級“交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”的建設，未來幾年，電工電子實驗教學中心將明確自身角色定位，繼續堅持信息技術與教育教學的深度融合，在虛擬仿真實驗教學中心的能力體系、資源共享的長效機制、實驗教學管理與共享平臺、實驗教學管理隊伍等方面繼續探索，重點建設以下兩方面內容。
1) 進一步完善虛擬仿真實驗教學資源的開放共享機制。考慮到網絡安全等因素，目前的虛擬仿真教學活動還局限于校園網內，校際、校企之間還沒有形成優質實驗教學資源的共享。未來將在保障信息安全的前提下，提升優質教學資源的持續性共享，擴大教學資源的覆蓋面，使更多的企業、學校和師生參與到教學資源的建設過程中。
2) 研究虛擬仿真實驗教學資源的評價機制。建立完善的虛擬仿真實驗教學資源評價標準，加強專家、教師和學生三者之間的交流共享，淘汰不適應虛擬仿真實驗教學的資源和管理體制，避免低水平資源的增長，提升優秀資源質量。