基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李麗

[摘 要] 當(dāng)前很多高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室利用、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置和學(xué)生對(duì)技術(shù)的要求不相符，單一的教學(xué)實(shí)驗(yàn)不能滿足學(xué)生與時(shí)代發(fā)展的需求?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是改變這一現(xiàn)狀的重要途徑，有效節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的設(shè)備、設(shè)施和資金，而且在后期維修方面也非常便捷，優(yōu)化了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字信息，提高了高校的教學(xué)水平。從當(dāng)前我國(guó)的高校虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀入手，分析了存在的問(wèn)題并對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探究。

[關(guān) 鍵 詞] 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬；電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）27-0154-02

電路、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路、模擬這四種電子實(shí)驗(yàn)構(gòu)成了我國(guó)各高校的電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)電工電子實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，能夠掌握實(shí)驗(yàn)中需要用到的儀器和實(shí)驗(yàn)方式及各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)要領(lǐng)，以擁有自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技能。同時(shí)對(duì)課程中用到和學(xué)到的理論知識(shí)有一個(gè)很好的鞏固和驗(yàn)證。

一、我國(guó)當(dāng)前電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，用于構(gòu)建虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)也得到了一定發(fā)展，例如在電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中用到的EDA技術(shù)得到了很大的重視，Multisim等工具也在電工電子教學(xué)中獲得了廣泛的利用。但是，新技術(shù)的發(fā)展并沒有完全改變當(dāng)前基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，傳統(tǒng)的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)阻礙了新技術(shù)和平臺(tái)的應(yīng)用，并與當(dāng)前我國(guó)各高校不斷擴(kuò)招的情況不適應(yīng)，不僅不能滿足高校在教學(xué)資源方面日益增加的需求，也不能滿足社會(huì)用人方面對(duì)能力不斷提高的要求。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了以下存在的主要問(wèn)題。

（一）學(xué)生缺乏實(shí)際的操作

在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，時(shí)間和地點(diǎn)制約了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行，學(xué)生不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作和練習(xí)，只能看教材中的理論知識(shí)和原理，而教材中實(shí)驗(yàn)理論較抽象難懂，學(xué)生沒有通過(guò)實(shí)際的練習(xí)去驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，就很難理解抽象的理論和實(shí)驗(yàn)原理及步驟，加大了實(shí)際基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)難度。實(shí)驗(yàn)課堂上學(xué)生因?yàn)闆]有提前進(jìn)行過(guò)練習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和使用的儀器等較生疏，很容易出現(xiàn)差錯(cuò)，不僅加大了教師的教學(xué)量，還占用了大量的課堂時(shí)間，讓學(xué)生無(wú)法在有限的時(shí)間里掌握應(yīng)該掌握的知識(shí)和技能，出現(xiàn)學(xué)生在課程完結(jié)后仍然處于迷茫的狀態(tài)或者課程未教授完的現(xiàn)象。

（二）缺乏靈活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

大多數(shù)高校的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的是實(shí)驗(yàn)箱這種教學(xué)方式，這種方式固定了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和項(xiàng)目，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作陷入了固定不變按照要求進(jìn)行測(cè)試、連線的被動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和內(nèi)容嚴(yán)格按照教師要求進(jìn)行，不能選擇自己喜歡的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，很大程度上限制了學(xué)生思維的發(fā)展和創(chuàng)新。

（三）學(xué)生缺乏對(duì)儀器的熟悉和了解

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)以及儀器數(shù)量的限制，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和了解大多通過(guò)教師的講解和示范而獲得。因而，學(xué)生對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備等沒有很好的了解，更無(wú)法達(dá)到熟悉的要求，在實(shí)驗(yàn)操作中往往會(huì)因?yàn)閮x器設(shè)備的不熟悉而出現(xiàn)各種失誤和問(wèn)題。

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中構(gòu)建虛擬的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效地改變當(dāng)前存在的問(wèn)題，不再受限于時(shí)間和空間的限制，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和水平，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)散和創(chuàng)新。

二、虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

（一）虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成部分

電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬儀器儀表系統(tǒng)構(gòu)成了虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵因素，主要由虛擬電路、虛擬數(shù)字、虛擬模擬和虛擬高頻這四種電路系統(tǒng)組成。電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作的作用，包含了對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、原理等的查閱和分析，且具有一定的仿真性，對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果有很大的改善作用。電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面比較容易操作和學(xué)習(xí)，具體的操作流程為“選擇實(shí)驗(yàn)課程—選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目—查看實(shí)驗(yàn)原理、步驟—進(jìn)入仿真電路界面—用萬(wàn)用表測(cè)量觀察測(cè)試點(diǎn)的電壓、電流，用示波器觀察測(cè)試點(diǎn)的波形—分析電路的工作特性”。通過(guò)該流程的操作能夠?qū)滩闹械膶?shí)驗(yàn)原理進(jìn)行驗(yàn)證，而且學(xué)生可以根據(jù)自己喜歡的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行修改，以觀察電路所具有的特征。

2.虛擬儀器儀表學(xué)習(xí)系統(tǒng)

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中需要用到的儀器的練習(xí)可以通過(guò)虛擬儀器儀表學(xué)習(xí)系統(tǒng)而進(jìn)行，主要是對(duì)示波器、發(fā)生器等常用儀表儀器的了解和練習(xí)。

（二）構(gòu)建虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法

1.實(shí)現(xiàn)電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法

電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和開發(fā)要對(duì)實(shí)驗(yàn)界面、原理、步驟等方面進(jìn)行加工，以及設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)的表格和電路的仿真，依據(jù)的軟件是Multisim和VB。

Multisim軟件具有能夠模擬實(shí)驗(yàn)效果的特點(diǎn)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)電路的創(chuàng)建帶來(lái)很大的便利，還能仿真分析電路的性能，且元器件庫(kù)內(nèi)容充足，包含了無(wú)源和有源器件、模式和數(shù)字器件等多種器件。而且還擁有種類豐富的儀表儀器，有萬(wàn)用表、直流電源等較通用的儀器，還包括了實(shí)際實(shí)驗(yàn)室少見的儀器，例如數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等，這些儀器可以對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行直觀的演示。

VB的圖形界面的編程能力非常強(qiáng)大，主要在實(shí)驗(yàn)界面的制作中用到。

2.如何構(gòu)建虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬儀器儀表系統(tǒng)的開發(fā)主要基于的是Labview，一種實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的總和，由美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)，其強(qiáng)大的功能使其在當(dāng)前的虛擬儀器中用于最快的發(fā)展速度和最廣的使用范圍。Labview界面中創(chuàng)建出的虛擬實(shí)驗(yàn)儀表儀器和實(shí)際的儀表儀器在功能等各方面都非常相似。

電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器中常用的器材是示波器和信號(hào)發(fā)生器，雖然不同的發(fā)生器和示波器擁有不同的面板和功能，但是這些面板和功能在大體上是相似的，因此主要功能的實(shí)現(xiàn)是開發(fā)中最主要的問(wèn)題。例如，參考了SS-7802示波器開發(fā)的虛擬示波器，功能的實(shí)現(xiàn)主要包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)用到的波形水平、垂直和觸發(fā)控制的考慮。

（三）Web在電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)方法

虛擬實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的重要模式在于以Web為基礎(chǔ)的瀏覽器。

Web的接入服務(wù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的開放、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)都是Web主要提供的?？蛻舳藱C(jī)安裝的軟件主要有Labview、Multisim這種專業(yè)的軟件，當(dāng)然還包括一些其他的專業(yè)軟件，這些軟件主要是為了客戶端瀏覽器和操作系統(tǒng)的安裝。

三、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何應(yīng)用虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)計(jì)和開發(fā)虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要目的在于為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)際操作前進(jìn)行練習(xí)的平臺(tái)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的整體教學(xué)模式是先預(yù)習(xí)再實(shí)訓(xùn)。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室之前，要先在虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行練習(xí)，再進(jìn)行實(shí)際的操作。

（一）虛擬儀表儀器學(xué)習(xí)系統(tǒng)

學(xué)生可以在電腦上自主使用虛擬儀表儀器學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行儀表儀器的了解和練習(xí)。該系統(tǒng)豐富的元器件庫(kù)為學(xué)生提供了充足的器件，如信號(hào)發(fā)生器和示波器，學(xué)生通過(guò)元器件庫(kù)提供的器件分析儀表儀器的原理和結(jié)構(gòu)，也可以練習(xí)如何使用相關(guān)儀表儀器。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室以后能夠快速上手，減少失誤，減輕教師的教學(xué)量，在有限的時(shí)間內(nèi)獲得最多的知識(shí)和最好的實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生對(duì)Labview這些虛擬軟件的應(yīng)用和了解，能夠?yàn)閷W(xué)生在將來(lái)的工作中提供很大的便利。

（二）電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)箱和虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的電壓和電流測(cè)試是形似的。二者對(duì)于電壓和電流的測(cè)試分析都只能看到電路符號(hào)，實(shí)現(xiàn)方法也都是連接線的改變，在測(cè)試點(diǎn)上連接示波器和萬(wàn)用表。電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是“先仿真再實(shí)訓(xùn)”，能夠使實(shí)驗(yàn)效果和效率得到很大的提高。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的科學(xué)性和操作性，在于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和技能，因此在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇喜歡的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行大膽的實(shí)驗(yàn)，使思維活躍起來(lái)，激發(fā)思維的發(fā)散性和思維的創(chuàng)造性，隨意進(jìn)行電路的改變，并認(rèn)真觀察和總結(jié)，從而提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的操作興趣和思維發(fā)散能力。

既然是用于教學(xué)中，那么教師的教學(xué)也要充分利用虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)前通過(guò)該平臺(tái)講解原理，展示仿真操作，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，是學(xué)生擁有預(yù)習(xí)平臺(tái)的前提保障，能夠減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)中操作的失誤，提高教學(xué)效率。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不具有實(shí)際實(shí)驗(yàn)的全部特點(diǎn)，主要的操作還要依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)而獲得，因此基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要對(duì)虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有正確的認(rèn)識(shí)并能合理使用，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和技能，促進(jìn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好發(fā)展。

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