張　里，汪　波，曾　雯，楊小會

(重慶理工大學　電子信息與自動化學院，重慶　400054)

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基于自適應調節(jié)機制的網絡虛擬實驗平臺

張里，汪波，曾雯，楊小會

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054)

介紹了網絡虛擬實驗平臺的組成，對虛擬實驗區(qū)進行了4個層次的劃分，提出了一種網絡虛擬實驗的自適應調節(jié)機制。該平臺既能實時采集當前學生虛擬實驗的信息，又能對學習結果進行評估，還能根據(jù)評估數(shù)據(jù)，對實驗難易度做出相應調節(jié)，以便學生更好地掌握實驗知識點和實驗技能；同時，老師能及時掌握學生實際情況。為虛擬實驗教學提供了一個新的研究方向。

網絡平臺；虛擬實驗；自適應調節(jié)機制

傳統(tǒng)實驗容易受實驗設備、實驗環(huán)境(如低溫、高壓)等因素限制，部分實驗內容常因此無法開展。網絡虛擬實驗平臺能彌補這一缺陷。在計算機上進行的虛擬實驗操作可以不受場地、環(huán)境的影響，給學生提供更多動手操作的機會進而獲得傳統(tǒng)實驗無法獲得的實驗感知[1-3]。網絡虛擬實驗平臺具有交互性和開放性，能給使用者提供足夠的思考空間[4-6]；能夠實現(xiàn)遠程交流和網絡資源共享，不受時域和地域的影響，為各高校教師提供交流教學經驗、共享教學資源的活動平臺；學生在下載教學課件和實驗要求等文件的同時，可以發(fā)表實驗心得體會，從而調動學習積極性，提高學習效率；來自不同地區(qū)的學生可以通過實驗平臺相互交流討論，共同進步。網絡虛擬實驗平臺在我國已經運用于實踐，實踐效果十分理想。

1　網絡虛擬實驗平臺的組成

網絡虛擬實驗平臺是以計算機為控制中心，利用軟件技術構建系統(tǒng)的邏輯結構模型，協(xié)調相關硬件設備技術及自適應調節(jié)機制形成的虛擬實驗綜合系統(tǒng)[7-8]。自適應機制是一個能夠對學生的實驗數(shù)據(jù)進行分析，給出評分，最后提出合理的實驗建議的調節(jié)機制。它不僅可以對學生的學習進行正確的引導，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新意識，還有助于老師掌握學生最新的學習情況。

我校網絡虛擬實驗平臺結構如圖1，主要面向工科和部分理科學生，學生可登錄網絡虛擬實驗平臺，在教學資源區(qū)、虛擬實驗區(qū)、用戶交流區(qū)中調用所需資料或進行虛擬實驗。

1.1教學資源區(qū)

教學資源區(qū)包括基礎元件模塊、任務發(fā)布模塊、資源共享模塊3大部分內容，為學生學習提供了大量資料和交流空間，營造了良好的基礎學習環(huán)境。

圖1　網絡虛擬實驗平臺結構

1.1.1基礎模塊

模塊旨在幫助學生認識常用的儀器和元件，含大量的基礎知識，為學生能更好地進行實驗提供了保障。本校電子學院虛擬實驗平臺中的基礎元件模塊包含了大約300GB的內容，有以下4個方面內容。

1)元件識別：包含對電阻、電容、電位器、電感、二極管和三極管的型號和參數(shù)的學習資料，各類芯片(如TI系列運放，比較器)的使用手冊，典型電路。

2)儀器認識：包含信號發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀、電源、萬用表等的使用手冊、維修手冊和使用注意事項。

3)常規(guī)實驗設備：包含常規(guī)基礎實驗設備和專業(yè)實驗設備的使用方法，每個實驗項目的內容、步驟，需要借助哪些實驗設備和具體實現(xiàn)方法。

4)精品軟件：仿真軟件(如Multisim、Proteus、Tina-ti)、制板軟件(如Altiumdesigner)、單片機設計軟件(如Keil)等，包含使用教程、視頻資料等。

1.1.2任務發(fā)布模塊

為幫助學生鞏固實驗知識，任務發(fā)布模塊分為課內實驗任務和課外拓展任務。教師在該模塊中發(fā)布任務，學生根據(jù)自身學習情況，選擇相對應的實驗任務進行自主練習。完成實驗并達到一定的分值后，學生可以選擇課外拓展任務進行深入研究，增強自身的實驗素養(yǎng)。學生單次可接多個實驗任務，若在多任務限期內完成任務，評估系數(shù)和分值相應提高，可繼續(xù)進行下一步任務；反之扣除相應評估系數(shù)和分值，重新完成同級別任務后才能接下個任務。

1.1.3資源共享

本模塊主要為教師上傳的各類實驗項目的課件、視頻資料和實驗的注意事項等；同時，學生也可參與分享，比如實驗相關的軟件、已完成實驗的原始數(shù)據(jù)，供其他使用者參考。每年教師和學生發(fā)布數(shù)超過600人次，分享數(shù)據(jù)大小超過10GB。

1.2虛擬實驗區(qū)

虛擬實驗區(qū)分為演示實驗、基礎實驗、綜合實驗和自主設計實驗，學生根據(jù)實驗的難易程度選擇實驗區(qū)域，初次登錄或實驗分值不夠的學生只能選擇演示實驗區(qū)或基礎實驗區(qū)。

1.2.1演示實驗

演示實驗是面向初學者，以網絡虛擬實驗平臺的演示為主，對實驗儀器、元件參數(shù)以及本實驗系統(tǒng)進行初步的介紹。在演示實驗中，初學者通過接觸一些較簡單的實驗，了解各元器件的使用規(guī)范，從而獲取實驗體驗和知識，培養(yǎng)對網絡虛擬實驗的興趣，為初學者打下一定的虛擬實驗基礎。

1.2.2基礎實驗

基礎實驗是在學生對實驗的規(guī)范性有了一定認識后進行的實驗，是實驗區(qū)內的核心部分，要求學生對本階段實驗過程清晰明了、熟記于心，把握實驗細節(jié)，熟悉實驗要領。為了幫助學生的學習，本階段實驗設有一個題量極大的題庫。題庫內的內容來自實驗過程中的細節(jié)以及實踐中遇到的問題等。

基礎實驗旨在提高學生對知識的掌握程度，提高學生的實驗正確率。在這個階段，系統(tǒng)會根據(jù)學生的正確率不斷地調整實驗的難易程度，進行反復的練習，指導學生熟練掌握實驗的知識，為綜合實驗奠定基礎。

1.2.3綜合實驗

綜合實驗是以提高學生能力為出發(fā)點設計的一系列實驗庫，包括了各學科的相關實驗，旨在加強學生的綜合實驗能力，培養(yǎng)和提高學生的工程設計能力與實際動手能力，獨立完成大型綜合設計實驗項目，分清理想模型與實際物體差異。本階段實驗不但有效地銜接了基礎實驗中的內容，而且進一步加深難度，循序漸進地提高學生的能力；同時極大程度地體現(xiàn)了資源的通用性，并將不同領域之間的實驗差異進行一致性的約束。這樣不僅有利于不同領域之間的資源共享和技術交流，而且避免了資源的重復開發(fā)和浪費。

學生可根據(jù)興趣選擇不同方向、不同專業(yè)領域的綜合實驗，如電子專業(yè)學生通常選擇微機原理模擬軟件實驗和虛擬軟件實驗，而計算機專業(yè)學生則選擇計算機控制技術虛擬實驗。學生根據(jù)實驗指定的要求限時完成；完成度越高，獲得分數(shù)越高。分值較高的可提前進入自主設計實驗；同時，該學生信息將記錄在評價系統(tǒng)的推優(yōu)模塊中，以便老師選拔優(yōu)秀學生。

1.2.4自主設計實驗

自主設計實驗培養(yǎng)學生的獨立設計開發(fā)能力，給學生提供一個自主設計和創(chuàng)新實踐的檢驗和展示平臺。學生在本階段根據(jù)自己的想法自主設計實驗，調試達到自己預期的效果；老師再對該實驗進行評估。學生還可以在原有實驗基礎上進行新方案論證，自行改良或設計實驗，并進行驗證和實現(xiàn)。隨著實驗知識和技能不斷提高，學生還可以參與或獨立設計實驗項目。

學生在完成自設計實驗的虛擬實驗后，可以提交申請，找同學組成團隊，將虛擬實驗的實驗成品實物制作出來；這樣既可以培養(yǎng)學生的動手能力，也可以使學生將理論知識和實際操作相結合，提高學生對實驗知識的掌握和運用程度。

1.3用戶交流區(qū)

用戶交流區(qū)分為用戶模塊和交流模塊，具體結構如圖2。

圖2　用戶交流區(qū)結構

用戶模塊包括教師、學生、管理者3個部分，包含用戶的個人信息、實驗進度和教學通知等資料。學生在用戶模塊向老師提交實驗作業(yè)，教師在用戶模塊通過管理者對學生的實驗進行人工操控；教師根據(jù)學生的學習進度不同和任務類別，進行針對性的指導和培訓。

交流模塊是一個學生、老師之間的交流平臺。在這個平臺上，學生提出疑問或者自己認為有價值的問題，本平臺的其他用戶都可以參與討論；同時學生也可以寫實驗日志，發(fā)表實驗的心得體會。

2　自適應調節(jié)機制在虛擬實驗平臺中的實現(xiàn)過程

自適應調節(jié)機制包含評價機制與自適應調節(jié)機制，通過跟蹤學生的整個實驗進程，采集操作正確率和反應延時等反饋數(shù)據(jù)，自動分析學生學習廣度、深度及響應頻率[9-10]；同時，了解學生學習狀態(tài)，適度調整實驗難易度和實施進程，以與學生學習狀態(tài)和能力相適應。操作正確率指學生在虛擬實驗中單次正確操作的有效百分比，反映了學生的能力及對知識掌握程度；反應延時指學生思考時間的長短，通常表現(xiàn)為鼠標停留時間和鼠標確認點擊的時間間隔。

評價機制采集當前教學目標和當前學生學習進展的信息，對學生技能層級及學習結果做出分數(shù)判定，對學生操作過程做出評估，從而確定實驗難易度的起點；發(fā)現(xiàn)學生已具備的知識技能和實踐能力，進行信息整合，最終反饋到系統(tǒng)中。自適應調節(jié)機制主要根據(jù)學生的實驗成績進行信息反饋，占虛擬實驗主導地位，并全面跟蹤學生在虛擬實驗平臺的實驗學習，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析來評定學生每一階段的學習情況，并給出適合學生的學習計劃。若學生正確率達標，則進入更難的實驗項目；若學生失誤率較高， 則停留在較容易的實驗項目。

在自適應調節(jié)機制下，網絡虛擬實驗平臺各層次得到充分利用與實現(xiàn)，各實驗模塊之間層次遞進且相互關聯(lián)，如圖3所示。

圖3　自適應調節(jié)機制與各實驗層次的數(shù)據(jù)關聯(lián)

1)演示實驗模塊：預習單元為強制必做部分。學生必須完成所有演示實驗相關操作；系統(tǒng)將采集學生規(guī)范操作正確率，并給出正確操作過程；學生反復操作，達標后可進入基礎實驗模塊。

2)基礎實驗模塊：基礎單元為基礎核心部分。給定實驗基本原理、內容、步驟及實現(xiàn)方法，讓學生了解實驗目的和要求；分析學生實驗數(shù)據(jù)正確率和完成時間，了解學生掌握知識點情況；調節(jié)機制提出改進意見和指導建議，提高學生低層次實驗技能；達標后可進入綜合實驗模塊。

3)綜合實驗模塊：應用設計單元為鞏固提高部分。學生可選興趣區(qū)域或專業(yè)區(qū)域；評價機制根據(jù)前期記錄數(shù)據(jù)，分析學生對已學知識理解能力和應用程度；根據(jù)學生完成正確率，調節(jié)機制自動增加或減少實驗難度，或終止實驗。老師也能獲取完成情況，及時加以指導。

4)自主設計實驗模塊：能力提升單元為精英選拔部分。獨立完成或團隊實施，自主改良或設計實驗項目，學生完成后提交系統(tǒng)；老師在評價系統(tǒng)中，根據(jù)該設計難易系數(shù)和完成情況，給出指導或改進意見，以便學生完善該實驗項目。學生在該模塊中獲得分數(shù)超過優(yōu)秀指標后，系統(tǒng)自動將學生資料發(fā)送到競賽后備人才庫中。

在上述4個模塊中， 自適應調節(jié)機制制定的學習計劃是依靠對實驗數(shù)據(jù)的分析得到。學生可以選擇加深學習任務，也可以對本難度實驗中未掌握的知識進行鞏固和強化；教師則結合自適應調節(jié)機制的數(shù)據(jù)和學生的興趣因材施教、揚長避短，將每一個學生的優(yōu)勢發(fā)揮到最大，讓學生實踐能力得到顯著提高。

3　實踐教學效果

網絡虛擬實驗平臺的實施得到了學校廣大師生的大力支持，進入虛擬實驗平臺的學生逐年增多，尤其以本科二三年級學生為主，在虛擬實驗平臺的實驗過程中，綜合創(chuàng)新實驗能力得到了提高。部分學生進入了電子設計競賽團隊，在全國大學生電子設計競賽和“挑戰(zhàn)杯”等賽事中，獲得全國一等獎1項，全國二等獎2項，重慶市級獎勵10余項。

4　結束語

基于自適應調節(jié)機制的網絡虛擬實驗平臺，不僅營造了一種輕松的學習氛圍，使每一個學生都有親自進行實驗的機會，提高學生的實踐和自主設計能力；而且通過采集當前學生學習進展的信息，對學生技能層級及學習結果做出專業(yè)評估；同時也能讓老師及時掌握學生學習情況，實時加以指導，大大增強教學互通性；既培養(yǎng)了學生的設計能力，又培養(yǎng)了學生的團隊創(chuàng)新能力，為專業(yè)理論奠定堅實基礎，切合了網絡共享精神，為高校實驗教學提供了一個新的方向。

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Network Virtual Experiment Platform Based on Adaptive Adjustment Mechanism

ZHANG Li，WANG Bo，ZENG Wen，YANG Xiaohui

(CollegeofElectronicandAutomation，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

Thispaperintroducesthecompositionofthenetworkvirtualexperimentplatformandthedivisionofthefourlevelsofvirtualexperimentationarea，andproposesanewself-adaptiveadjustmentmechanismofnetworkvirtualexperiment.Thismechanismcannotonlycollectreal-timeinformationofthestudentsinthevirtualexperiment，butalsoevaluatetheresultsofthestudy.Itcanbebasedontheevaluationdatatoadjustdegreeofdifficulty，sothatstudentscancompletetheexperimentbetterandmastertheexperimentalknowledgeandexperimentalskills，andteacherscanalsotimelygrasptheactualsituationofthestudents.Self-adaptiveadjustmentmechanismprovidesanewresearchdirectionforthevirtualexperimentteaching.

networkplatform；virtualexperiment；self-adaptiveadjustmentmechanism

2015-09-21；修改日期: 2016-05-15

重慶市教委高等教育教學改革項目(142004)；重慶市高等教育學會高等教育科學研究項目(CQGJ15191C)；重慶市高等教育教學改革研究項目(153114)；重慶市理工大學高等教育教學改革項目(2015YB10)。

張里(1979-)，男，碩士，實驗師，主要從事電子信息與測試技術的研究。

TP391.9；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.026