模擬電子電路實驗課程在線實景實驗改革與實踐

王富錚 謝海鶴 陳 軍

（莆田學院機電工程學院，福建 莆田 351100）

1 模擬電子技術實驗在線實景實驗課程改革方案背景

1.1 疫情背景促進改革

2019年年底，我國多地發(fā)生新型冠狀病毒肺炎疫情，病毒傳播途徑極為多樣，為阻斷疫情向校園蔓延，國家大力積極從源頭管控疫情傳播途徑，對于高校尤為重視，2020年1月27日，教育部通知延期開學[1]，2月12日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合通知延期開學期間“停課不停學”有關工作[2]，2月28日，教育部黨組通知部署統(tǒng)籌做好教育系統(tǒng)新冠肺炎疫情防控和教育改革發(fā)展工作[3]。高校要結(jié)合本校實際情況，在延期開學期間高度重視、認真做好“停課不停教、停課不停學”工作，制定在線教學方案，開展教學內(nèi)容改革和教學模式與方法創(chuàng)新。

1.2 專業(yè)建設高質(zhì)量發(fā)展需求

科技發(fā)展日新月異，社會對人才的需求在不斷變化，莆田學院在專業(yè)建設工科學生人才培養(yǎng)方案里明確指出培養(yǎng)和提升工科學生的實驗操作技能和實踐技能，教師在開展實驗教學必須緊緊圍繞此主題來優(yōu)化教育理念。目前，莆田學院機電工程學院模擬電子電路實驗教學中，模擬電路實驗箱、信號源、示波器等實驗器材比較陳舊，行業(yè)電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，如果高校緊跟社會企業(yè)需求變更，實驗設備經(jīng)費方面面臨困難，在線實景實驗室利用虛實結(jié)合的優(yōu)勢，采用項目模塊化思路，可以有效解決這個問題，因此改變傳統(tǒng)的教學模式，建立在線實景模擬電路教學體系，對培養(yǎng)創(chuàng)新意識和綜合實踐能力具有重要意義[4-6]。

2 基于圖形化編程的Lab VIEW的NI在線實景實驗室

計算機、網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展與應用不僅改變了傳統(tǒng)的教學形式和內(nèi)容，也改變了實驗教學的模式[7]。在線實景實驗室借助當今飛速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，智能化技術，物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢，基于圖形化編程語言LabVIEW，采用C/S（Client/Server）架構(gòu)。將實驗儀器集中于服務器端，學生端只要一臺與服務器處在同一子網(wǎng)的計算機即可遠程接入實驗系統(tǒng)。服務器端接受學生端的實驗請求，控制實驗儀器硬件設備進行實驗，并將實驗結(jié)果返回服務器端，服務器端再通過返回實驗參數(shù)的形式將實驗結(jié)果返回到學生端，同時用攝像頭實時觀測現(xiàn)場實驗進展。從而實現(xiàn)實驗儀器和數(shù)據(jù)的共享。利用上述優(yōu)勢，在模電的實驗教學中使用虛擬仿真和遠程實景實驗室，得以有效解決疫情期間實驗教學的問題，并以此促進理論與實踐的有效結(jié)合[8]。

3 模擬電子技術實驗在線實景實驗教學模式改革內(nèi)容

3.1 在線實景實驗課程內(nèi)容設計

傳統(tǒng)模擬電子電路實驗教學中，開展的實驗項目類型一般是驗證性實驗，入門基礎是實驗器材的使用，包括使用萬用表、示波器、信號源等，測試各種導線、二極管、三極管的基本特性，然后是實驗箱模塊化組成的幾大基本模擬電路實驗，包括集成穩(wěn)壓器、晶體管單管放大器、集成運算放大器、負反饋放大器等。在線實景實驗課程打造的項目庫涵蓋了所有這些實驗，通過軟件和服務器集成優(yōu)化了這些實驗，將線下實驗照實搬到線上，虛實結(jié)合，通過遠程登錄平臺，學生按照老師教授的方式學習體驗線上課程的特點。主要內(nèi)容如表1所示。

3.2 在線實景實驗課程設計學習方式

在線下實驗課程教學中，教師根據(jù)大綱組織一堂課，先向?qū)W生介紹該次實驗的實驗原理、實驗目的、實驗方法，然后學生按照老師教授的實驗步驟有序地來完成一次實驗。線上課堂遵循這個基本的教學準則，結(jié)合線上教學的屬性，在疫情背景下滿足學生在遠端隨時、隨地、完成課程實驗，以此來制定教學方法。

第一，線上課前預習。利用學習通平臺，在相應實驗項目模塊上搭建相應課程，結(jié)合課程建立實驗課程項目庫，為此團隊充分準備了預習階段豐富的課程資源，從學生的角度出發(fā)，抓住學生初接觸對實驗室的新奇，對設備的好奇。任課教師團隊準備了素材豐富的PPT對每個實驗進行視頻錄制講解，在視頻中設置簡單基礎的問題導向。跟著問題走，按圖索驥，做到保證看完視頻的同學能夠初步掌握該節(jié)實驗原理。

第二，虛擬仿真體驗式預習。教師于服務器上搭建安裝了純虛擬仿真實驗平臺，學生登錄賬號即可進行第二步體驗式預習，這個環(huán)節(jié)，針對每個實驗，每個節(jié)點都設置了目標實驗的實驗值和相應波形情況。學生只要熟悉了基本的設備操作，都能相對應的在仿真平臺上熟練的操作。舉個實例，實驗室用示波器的型號是DS5022M雙蹤數(shù)字示波器，仿真平臺上相應的可以調(diào)出該型號的示波器，且使用方法完全一致，學生根據(jù)老師指導的使用方法，加強訓練，后期進入線下實驗，完全不會有陌生感。

第三，在線實景實驗室實際操作體驗。這一設計主要鍛煉學生實驗操作能力，在仿真實驗平臺的基礎上，學生端通過瀏覽器運行操作平臺時，進入在線實驗，系統(tǒng)自動分配硬件資源，實驗平臺根據(jù)用戶命令自動搭建真實的實驗電路（集成穩(wěn)壓器，晶體管單管放大器，集成運算放大器、負反饋放大器），再利用基于瀏覽器的虛擬儀器（雙蹤通道示波器、函數(shù)信號源、三用表等），訓練儀器操作，實時測試各個點的波形及電信號，將測量數(shù)據(jù)通過服務器實時回傳給客戶端，學生通過瀏覽器調(diào)閱實驗課件了解實驗目的、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟、實驗注意事項，上傳實驗電子報告。系統(tǒng)即時反饋結(jié)果，有助于輔助學生自我分析改進。

3.3 在線實景實驗課程考核

在分析研究傳統(tǒng)的“模擬電子電路”課程考核體系以及當前疫情嚴峻形勢下教學要求的基礎上，采用“以學生在線實景實驗操作過程體驗為主線，以實驗數(shù)據(jù)作為參照目的”的課程實踐考核思路，對學生進行考核?？己藭r對實驗原理，實驗目的、仿真測試、實驗電路制作、實驗結(jié)果等多方面的逐項驗收點評，參照分步式學習過程，設置成預習階段、仿真階段、實景操作，給定比例，按照比例給出最后的綜合成績，對每一個階段的完成給出相應的實驗項目成績，并對項目完成情況設置得分等級：A—優(yōu)秀，B—良好，C—中等，D—及格，E—不及格。具體見表2。

表1 實驗項目設計內(nèi)容

4 在線實景實驗課程改革教學效果分析

4.1 課程改革教學成效

在線實景實驗的一個重要特點是把實驗室搬到互聯(lián)網(wǎng)，最終的一個目的還是以培養(yǎng)學生的實踐能力為主，通過整個課程的教學回顧，主要效果有以下幾個方面：

表2 部分學生項目成績

（1）線上課程的靈活性以及系統(tǒng)操作的便捷性，滿足學生自由安排實驗時間，不斷鞏固實驗內(nèi)容，極大地激發(fā)學生主動參與實驗的積極性，滿足學生個性化的教學要求。

（2）對課程的關注度，討論度明顯提高，后臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示學生觀看預習視頻的次數(shù)和回答問題的積極性較高，該部分有助于學生扎實理論基本功，從虛擬仿真及在線實景實驗平臺的訪問次數(shù)反映學生對該實驗課程的投入時間，該部分操作能有效地幫助提高學生的動手能力。

（3）課程考核成績顯著提高，過程化考核機制，避免唯分數(shù)論，提高實驗操作過程的考核分數(shù)，似乎更能激起學生主動性和求知欲，學生平均成績基本為良。相比前幾屆線下實驗平均成績?yōu)橹猩咸岣卟簧佟?/p>

4.2 課程改革教學不足

在線實景實驗課程對于培養(yǎng)應用型本科高校學生的實驗技能提升有明顯的推動作用，但是對于理論基礎知識的系統(tǒng)性反饋還是有所欠缺，學生在實驗過程中常常暴露理論知識的嚴重不足，這方面的能力有待提高。此外，線上實景實驗實驗項目之間的關聯(lián)，項目庫的完善還有待進一步地改進。

5 結(jié)語

在線實景實驗實驗教學方法借助當下先進的硬件設備，基于圖形化編程語言，采用C/S（Client/Server）架構(gòu)的軟件平臺系統(tǒng)，綜合了理論、仿真和實際芯片知識。在疫情期間，由于受課時、儀器設備、教學場地、教學資源和遠程教學的影響，通過虛實結(jié)合的遠程實時實驗教學方法能夠?qū)崿F(xiàn)“停課不停學”的教育方針，同時為傳統(tǒng)實驗教學改革提供一種行之有效的方向。