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論虛擬實驗平臺構(gòu)建的必要性
論虛擬實驗平臺構(gòu)建的必要性
張紹榮
�。ü鹆趾教旃I(yè)學(xué)院自動化系，廣西桂林541004）
摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)已經(jīng)遠遠不能滿足要求。本文深入分析了傳統(tǒng)實驗室管理和建設(shè)存在的問題和原因，并以此提出虛擬實驗平臺構(gòu)建的必要性，最后對虛擬實驗平臺構(gòu)建內(nèi)容提出了幾點建議。
關(guān)鍵詞：實驗室；虛擬實驗；平臺構(gòu)建
基金項目：桂林航天工業(yè)學(xué)院教改項目（項目編號：2011JB31）
作者簡介：張紹榮（1987-），男，廣西貴港人，碩士，助教，研究方向：智能儀器、自動測試理論與技術(shù)。
理論與實踐相結(jié)合是理工科學(xué)生學(xué)習(xí)的最佳方式，而實驗室是提高學(xué)生動手實踐能力最主要的場所。傳統(tǒng)實驗室由于場地和課時量有限、儀器設(shè)備等資源緊缺、開放時間少等因素導(dǎo)致學(xué)生做實驗的效果大打折扣，實踐創(chuàng)新能力以及分析問題和解決問題的能力得不到提高[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)已經(jīng)遠遠不能滿足要求。
筆者在擔任模擬電子技術(shù)實驗的指導(dǎo)老師期間，對學(xué)生實驗過程以及實驗室的建設(shè)和管理方面存在的一些問題進行了概括和總結(jié)，并以此提出虛擬實驗平臺構(gòu)建的必要性。虛擬實驗平臺的構(gòu)建是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充，通過“虛實結(jié)合”，可實現(xiàn)實驗教學(xué)手段和教學(xué)模式的多元化[2]，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑。
一、存在的問題
（一）學(xué)生缺乏電子認知
在開始第一節(jié)實驗課時，學(xué)生不懂辨認基本的電子元件，比如電阻、電容、電感、二極管和三極管等。同時對于電容和二極管的正負極性不懂區(qū)分，三極管的管腳分配更加不會區(qū)別。另外，學(xué)生對一些常用儀器（比如信號源、示波器、萬用表等）的使用更是摸不著頭腦。很多學(xué)生大都是第一次使用，所以不會用、不敢用。這給實驗的開展帶來了很大的困難，因為學(xué)生的不懂，所以不敢動手操作，第一節(jié)課的大部分時間是在教學(xué)生識別電子元件和儀器的使用，有些學(xué)生還沒開始實驗就下課了，實驗效果非常差。
�。ǘ⿲嶒烅椖可偾因炞C性實驗居多
一個學(xué)期只開出了四個實驗：二極管特性測試及應(yīng)用電路、晶體管放大電路指標測試、模擬運算電路指標測試和放大電路頻率特性測量，而且純屬驗證性實驗�！赌M電子技術(shù)》是所有電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，對學(xué)生以后的專業(yè)學(xué)習(xí)非常重要。這四個實驗遠遠不能滿足對學(xué)生實踐技能的培養(yǎng)要求，更談不上知識綜合運用和實踐創(chuàng)新的培養(yǎng)。因此，通過實驗來提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力、綜合應(yīng)用知識的能力以及分析問題和解決問題的能力就成了空談。如何利用現(xiàn)有的實驗室資源開設(shè)更多的實驗（包括驗證性實驗和綜合設(shè)計實驗），使得學(xué)生最大程度地學(xué)到更多的知識，這是有待解決的重要問題。
�。ㄈ⿲嶒炇议_放時間少
隨著學(xué)校的擴招，學(xué)生人數(shù)增多，而教學(xué)設(shè)備和場地沒有相應(yīng)的增多，師資力量不足，課時的安排也比較緊，所以實驗室空余的時間開放比較少，有些學(xué)校甚至除了上課時間之外就不再對外開放，這對學(xué)生的學(xué)習(xí)是極其不負責的。就如1.1節(jié)所說的，學(xué)生由于不熟悉電子元件和儀器設(shè)備，(www.thephantastics.com)可能會耽誤很多時間，等熟悉操作的時候就來不及完成實驗就下課了。學(xué)生如果課余時間不補做實驗，就相當于沒做過實驗，自然也學(xué)不到相應(yīng)的知識。沒有做實驗就沒有實驗數(shù)據(jù)，實驗報告就胡編亂造，學(xué)生慢慢就養(yǎng)成了弄虛作假、投機取巧、態(tài)度不端正等行為。這對學(xué)生的專業(yè)造成了不好的影響，使他們在學(xué)習(xí)上得不到提高。
�。ㄋ模﹥x器設(shè)備老舊缺損
學(xué)生不能按時完成實驗任務(wù)，有一部分因為儀器設(shè)備太過老舊、緊缺和破損。學(xué)生對儀器本身就不熟悉，而儀器又老出現(xiàn)問題，導(dǎo)致實驗無法進行。在上課時，一些學(xué)生從一個實驗臺換到另一個實驗臺，實驗儀器也搬來換去，非�；靵y。但是，老師也無法過多干預(yù)，因為一部分儀器確實功能不正常甚至完全不工作，如果不讓學(xué)生調(diào)換，學(xué)生也只能干等著，實驗無法進行。針對這種情況，學(xué)校直接對儀器設(shè)備進行更新即可解決問題，但這在短時間內(nèi)是難以實現(xiàn)的，學(xué)校的資金投入要考慮很多其他的因素，況且有些學(xué)校資金本身就匱乏。
二、虛擬實驗平臺構(gòu)建必要性
在批改實驗報告的過程中發(fā)現(xiàn)：只要學(xué)生能順利完成實驗，實驗數(shù)據(jù)一般準確可靠，同時理論的分析也比較清晰切合；不能完成實驗的學(xué)生，數(shù)據(jù)存在明顯的錯誤，或者干脆抄襲別人的實驗數(shù)據(jù)，對理論和實驗結(jié)果的分析也是模模糊糊、不著邊際。為了讓學(xué)生能順利完成實驗，加深對理論知識的理解，提高學(xué)生實踐動手的能力，在第1節(jié)中提到的問題有待解決。
（一）虛擬實驗平臺是解決問題的新方法
對于學(xué)生缺乏電子認知的問題，很多高校開設(shè)有專門的電子認知課程，主要講解基本的電子元件知識和一些常用儀器的使用，并且安排考試。這為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)奠定了很好的基礎(chǔ)，但是仍然占用有限的資源。虛擬實驗平臺的構(gòu)建通過軟件面板模擬真實的儀器面板，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)操作儀器能達到操作真實儀器一樣的效果。另外，把電子認識的相關(guān)內(nèi)容以圖片、動畫或者視頻的方式掛靠在虛擬實驗平臺上，全校師生都可以隨時隨地查看學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了師生最大的資源共享。
開設(shè)實驗項目少且驗證性實驗居多，實驗室開放時間少，儀器設(shè)備老舊缺損，其實都可以歸結(jié)為：實驗室資源匱乏，資金投入不夠。要想減少資金投入同時達到良好的實驗效果，就要想法設(shè)法實現(xiàn)資源的共享和重復(fù)利用率。虛擬實驗平臺的構(gòu)建可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對儀器共享和遠程控制，以此實現(xiàn)資源的共享。
�。ǘ┨摂M實驗平臺是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充
如果把傳統(tǒng)的實驗教學(xué)說成是課內(nèi)教育，傳統(tǒng)實驗教學(xué)就是課前教育和課外教育。通過虛擬實驗平臺，學(xué)生可以了解到更多關(guān)于本次實驗的資料，做好課前預(yù)習(xí)；而通過動畫或者視頻的效果進行實驗的演示是傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法比擬的。對于不夠時間完成實驗的學(xué)生，課后依然可以通過虛擬實驗平臺進行實驗，從而不受時間、地域的限制完成實驗。
完善的虛擬實驗平臺可以實現(xiàn)實驗預(yù)約和登陸管理、實驗報告生成與上傳、在線批改和打分等功能�？梢葬槍W(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的操作問題給予適時的提示，提示學(xué)習(xí)者注意操作錯誤的地方，這對貴重而精密的儀器操作尤為重要。
�。ㄈ┨摂M實驗平臺構(gòu)建是未來的趨勢
文獻[3]對國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的意義、指導(dǎo)思想、內(nèi)容等做了全面闡述。文獻[4]和[5]，則對虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提出了自己的思考與建議�！蛾P(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號）等相關(guān)文件都對虛擬仿真實驗教學(xué)提出了明確要求。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)是高校實驗教學(xué)改革的必然發(fā)展方向。而虛擬仿真實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)虛實結(jié)合、相互補充，將切實提高教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容。
三、虛擬實驗平臺構(gòu)建內(nèi)容
虛擬實驗平臺的構(gòu)建，包括單純的虛擬仿真和虛實結(jié)合的具體實驗。單純的虛擬仿真，比如電子元件的基礎(chǔ)知識普及和一些常用儀器設(shè)備的操作。虛實結(jié)合的具體實驗涉及具體的硬件實物和軟件，在開展實驗前，實驗室老師必須把硬件電路和相關(guān)的儀器連接好，儀器通過USB總線或者其他總線與計算機（服務(wù)器）相連。在服務(wù)器開發(fā)相應(yīng)的程序軟件，實現(xiàn)儀器可程控。用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器，即可獲取儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且操作服務(wù)器的軟件面板就像在本機操作一樣。針對電類的基礎(chǔ)實驗課程，本文認為虛擬實驗平臺的構(gòu)建應(yīng)該包含如下內(nèi)容。
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以圖片、動畫、視頻等方式幫助學(xué)生識別基本的電子元件，區(qū)分電容或二極管的正負極性、三極管的管腳分配等。介紹一些電子元件的性能參數(shù)、功能作用等各方面的知識。而一些常用的儀器操作和使用方法最好以動畫或視頻的方式介紹，比如信號源、示波器、萬用表、交流毫伏表等儀器設(shè)備。
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實驗的原理分析，實驗的準備工作，實驗過程中應(yīng)該注意的問題，以及與本次實驗相關(guān)的知識擴展等都可以以文件的方式提供給學(xué)生，擴展學(xué)生的知識面。
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這部分是構(gòu)建虛擬實驗平臺的主要內(nèi)容，也是解決第1節(jié)中提到的問題的關(guān)鍵所在。實驗室老師根據(jù)實驗項目需要搭建硬件平臺，開發(fā)相應(yīng)的程序軟件。除了搭建傳統(tǒng)實驗室開出的實驗之外，還可以開發(fā)各種綜合設(shè)計性的實驗，比如波形發(fā)生器設(shè)計、濾波器的幅頻特性測試等。實驗平臺搭建完成之后，只要系統(tǒng)正常工作并且網(wǎng)絡(luò)正常，就可以安排時間對學(xué)生開放，不需要人工管理。
四、總結(jié)
本文主要分析了模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)存在的一些問題，結(jié)合目前的狀況以及未來的發(fā)展趨勢，論證了構(gòu)建虛擬實驗平臺是解決問題最有效的方法。虛擬實驗平臺的構(gòu)建是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充，為學(xué)生的課外學(xué)習(xí)提供了極大的方便，實現(xiàn)了資源的共享，有利于增強學(xué)生綜合設(shè)計和實踐創(chuàng)新的能力。
參考文獻：
[1]劉碩謙，田娜，劉仲華，陸英。 新形勢下高校實驗室的建設(shè)與管理辦法初探[J].教育教學(xué)論壇，2013，（13）：10-11.
[2]楊建良。電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)“虛實結(jié)合”模式的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2014，33（7）：101-104，280.
[3]李平，毛昌杰，徐進。開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J]. 實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.
[4]王衛(wèi)國。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.
[5]王曉迪。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J].實驗技術(shù)與管理，2014，32（8）：9-11.
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