电工电子虚拟仿真实验教学平台建设与实践

 楼静梅，闫茂德，朱礼亚    

（长安大学  电子与控制工程学院，陕西  西安  710064）

[摘  要]以培养学生综合设计和创新能力为出发点，通过对软件资源、信息化设备、实验课程资源等的整合，组建了以丰富教学内容、提高教学能力、拓展实践领域、培养创新能力为目的的电工电子虚拟仿真实验教学平台。近几年的实验教学结果表明，虚拟仿真实验教学方式的引入有效地解决了传统实验上课时间和场地的限制问题，教学资源的使用更为便捷，为学生提供了更为丰富的实践内容和更为灵活的实践形式，推动教育资源共享。实验教学效果、实验教学效率、实验教学模式、实验管理和培养学生创新技能等方面都取得了明显成效。

[关键词]虚拟仿真；实验教学；电工电子；资源共享

[基金项目]2019年度陕西公办本科高等教育教学改革研究项目(19BY031)；陕西省高等教育学会2019年度高等教育科学研究项目(XGH19004)

[作者简介]楼静梅（1982—），女，浙江义乌人，博士，长安大学 电子与控制工程学院助理研究员，研究方向为虚拟仿真与实验室管理。

[中图分类号] G642    [文献标志码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）04-0000-04 

电工电子类课程是工科院校电类和部分非电类专业必修的专业基础课程，其实验环节的实践性较强，在整个学生培养体系中起着承上启下的作用，为后续专业课程的学习奠定基础，同时对于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力具有重要意义。

一、传统电工电子实验教学模式存在的问题

近年来，招生规模逐步扩大，电子技术不断发展，传统电工电子实验中心的实验设备、教学方式和管理模式已不能完全满足现阶段人才培养的实验教学需求，必须要对其进行改革。传统实验教学模式存在的问题^[1-2]：

1.因实验时间和实验设备的限制，学生在预习阶段通常只能看实验指导书，无法提前熟悉实验设备和实验操作，对实验原理的理解浮于表面。此外，因实验设备有限，在实验课堂内也无法保证学生人手一台，往往是每次实验得2-3人一组，严重影响了实验教学效果；

2.传统实验教学方式过于单一，基本上还是延续着教师讲解原理、演示实验操作，学生模仿、记录数据并填写实验报告的教学模式，而实验成绩主要参考学生出勤率和实验报告给出，无法客观地反映出学生实际的工程实践能力和综合运用能力；

3.受场地、仪器、实验教学耗材成本、上课时间等限制，实验以验证性实验为主，综合设计类实验项目安排得较少。对于验证性实验，学生在实验过程中只需机械性连线、参数或者结构几乎不能修改，这就在一定程度上造成理论知识与实践操作的脱节，不利于学生实践能力、创新能力和综合运用能力的培养。

二、电工电子虚拟仿真实验教学平台建设

虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容^[3-4]。长安大学根据国家和教育部有关文件精神，以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，依托国家级“交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”，组织开展了电工电子虚拟仿真实验教学平台的建设工作。电工电子虚拟仿真实验教学平台的应用正好完善和弥补了传统实验教学的不足，一方面可以最大限度地共享实验资源、降低实验成本；另一方面可以突破时空限制，丰富实验教学内容和形式^[5]。

（一）实验教学平台框架设计

我校电工电子虚拟仿真实验教学平台以“验证型-综合设计型-创新型”为主线由浅入深、循序渐进开展分层分类教学，提高学生工程实践能力及创新能力，为加强学生课外科技活动指导、开展电子设计竞赛、工程训练等提供良好的平台。电工电子虚拟仿真实验教学平台按访问方式的不同，可以分为三大模块，具体包括通过中心网站访问的实验室管理平台、网络教学综合平台和通过客户端访问的远程虚拟仿真实验平台，如图1所示。其具体功能如下：

图1 虚拟仿真实验教学平台构成

1.远程虚拟仿真实验平台。作为虚拟仿真实验教学的核心部分，主要为师生提供了开放、互动、共享的虚拟实验教学环境。大学生创新管理平台主要面向学有余力的学生，目的是通过实际课题和项目的创新性训练，提高学生的工程实践和创新能力。该平台与大学生创新创业训练计划项目、全国大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车大赛等相结合，可作为项目竞赛的前期指导和培训环节。

2.网络教学综合平台。提供了实验相关资料的查询和下载（包括查看实验教学计划、大纲、课件、器件介绍、实验预习演示等，下载相关实验文档），并可实现课程教学、课程观摩、精品课程等的远程网络链接。学生可在线进行实验预习、提交实验报告、查询实验成绩、预约开放实验、评价实验教学效果等。教师可以利用该平台可进行辅导、答疑、在线批改实验报告等。

3.实验室管理平台。作为信息化管理服务部分，提供实验教学、实验场地和实验设备等的管理功能。实验教学管理包括实验教学任务的安排和开课计划的编制；实验设备管理主要是将设备进行分类整理、建立电子档案，记录设备借用、维修、报废、调拨等情况；实验场地管理主要包括登记各实验室使用情况，并根据教学计划和预约记录统筹安排实验场地。

电工电子虚拟仿真实验教学平台通过各子平台间相互整合、补充，充分发挥了“远程教学、虚拟仿真、开放共享、智能服务”功能。明确了教师、学生和管理人员在教学平台中的责任权限，加强了彼此之间互动交流；提升了实验教学对创新能力的培养效果，促进实践教学质量和效率不断提高^[6]。

（二）硬件方案

电工电子虚拟仿真实验教学平台是将电工电子实验教学中心的所有实验设备和器材制作成虚拟仿真实验教学资源信息上网。电工电子虚拟仿真实验教学平台的硬件由20台网络型高性能电工实验装置DGJ-1、30台综合模拟电子实验装置TPE-AG、30台综合数字电子实验装置TPE-D3II、2台HP服务器、80台计算机等组成。

三、实验教学应用情况

电工电子虚拟仿真典型实验项目是依托长安大学电工电子省级实验教学示范中心进行建设的，依据“虚实结合、相互补充”原则，以提升教学效果、提高实验效率、降低实验成本为目的，采用Multisim、Altera Quartus II、电子设计仿真软件等软件，通过自主研发网络化远程虚拟实验平台搭建实验环境，开设了电路理论、模拟电子技术、数字电路技术、EDA综合实验等虚拟仿真实验项目。

（一）虚拟仿真实验教学提升教学效果

虚拟仿真软件具有理想化的模拟环境，可以提升实验效果。例如差动放大电路实验，由于元件之间差异性，完全对称的电路在实际实验中无法达到，而虚拟仿真完全可以满足要求，因而可以有效减小误差，加深学生对差动放大电路作用的认识。再比如利用仿真软件模拟串联型直流稳压电源，通过设置多个参数检测端子，可以观测到交流电转化为直流电的整个过程，给学生留下直观而深刻的印象，有效提升实验教学效果。

（二）虚拟仿真实验教学提高实验效率

1.虚拟仿真实验教学提升课前预习阶段效率。教师提前将实验教学大纲、具体的实验项目、实验运行表、实验指导书、实验指导PPT、实验视频等内容提前发布到网络教学综合平台。学生可以提前在电工电子虚拟仿真实验教学平台上进行预习，以便提前了解实验背景、实验目标、实验要求和实验所要达到的预期效果。

2.虚拟仿真实验教学提升实验阶段效率。虚拟仿真软件提供简洁高效的设计过程，可以提高实验效率。例如数字电子技术中的电子秒表实验，在虚拟环境中完成元器件的选取、连接、功能仿真等过程，避免了实验中复杂的连线过程和可能出现的偶发性故障，大大提高了实验效率。

3.虚拟仿真实验教学提升实验结果审核效率实验结束后，学生可以在线提交实验报告。教师可以根据平台中记录的虚拟实验和实物实验的完成情况、学生提交的实验报告，更加客观、多方面地综合评定学生的实验成绩。

（三）虚拟仿真实验教学提升创新能力

电工电子虚拟仿真实验教学平台形成了一套强化学生创新能力培养的课外自主学习系统。这一系统以培养学生综合设计和创新能力为出发点，应用和建设软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等优质教学资源，开展了“学生个人终端、虚拟实验室、实验教学中心平台”三位一体的实验教学方法改革。

（四）虚拟仿真实验教学提升管理效率

实验室管理人员在教学平台上建立实验设备、实验场地的电子档案。管理人员可以通过实验室管理平台实现对实验教学、实验设备、实验场地、预约的实验进行统筹安排。这样既可以提高实验资源的利用率，也可以合理调配实验资源。

（五）虚拟仿真实验教学推动实验教学资源共享

虚拟仿真实验平台实现了实验的网络化教学，有力地推动了实验教学资源的共享化，为实验类课程的“互联网+教育”提供了有效的手段。教学资源共享分三部分实现：

1.校内共享。电工电子虚拟仿真教学实验平台建立了良好的资源共享机制，在全校相关专业的教学实验都可进行相关实验，或者以该平台为硬件依托，开发与其教学更为相近的虚拟仿真环境，进而开展相关虚拟仿真实验。目前，在学校校园网范围内已实现虚拟仿真教学实验平台课程的查询、预约、实验课程介绍及部分讲义和共享。利用中心专用网站（http://tvm.chd.edu.cn），学生可以通过网络查阅教学大纲、课件、仪器使用、实验成绩等教学信息，预约实验时间、内容及实验室，并与教师直接就仿真等问题进行交流。后续将进一步在网络平台内部开放自主预约，自主安排上机时间，预约到机位服务，减少管理员介入。

2.校际共享。电工电子虚拟仿真实验教学平台每年为西安建筑科技大学、西安科技大学、西华大学、聊城大学、青海警察学院、陕西交通职业技术学院、四川交通职业技术学院、浙江交通职业技术学院等相关课程提供教学实验服务。后续将逐步实现与国内外高校、科研院所在系统研发和软件制作等方面合作共享，校外的资源开放共享，也可为企业提供虚拟仿真实验服务。

3.社会化共享。对社会化需求，本平台目前仅提供了预约接口、共享了部分参考资料。相关从业人员或自学人员可通过网络提出预约申请，平台管理员将视内部时间予以安排。后续将逐步放开对社会化的共享端口，推动互联网+教育的社会化进程。值得注意的是，虚拟仿真只是一种实验方式，不应该也不可能完全取代传统的实验方法，二者应当取长补短、有机结合，方能达到事半功倍的效果。开展虚拟仿真教学，一是有利于学生尽早掌握和了解各种仿真软件的使用方法；二是学生利用仿真软件，可以在实物实验教学前预习实验内容，掌握实验原理，熟悉实验设备、器材等，这样可以减少因对实验设备、仪器不熟悉和操作不当造成实验设备的损坏；三是学生在做实验时，可将实测值和虚拟仿真得到的理论值进行比对，真正做到虚实结合，形成了一套循序渐进的“理论-仿真-实践”的教学体系，逐步将抽象的理论概念通过仿真进行验证，加深了理解并转化为实际电路，有效激发学生的学习兴趣。

四、结束语

电工电子实验教学中心负责全校的电路理论、电工学、模拟电路及数字电路的实验教学工作，面向全校科研探索和技术开发的优秀学生开放，承担学校大学生电子设计竞赛、飞斯卡尔智能汽车竞赛等重要赛事的组织和指导工作，2005年获批陕西省实验教学示中心。

参考文献

[1]朱礼亚,闫茂德,关丽敏.基于虚拟仿真电工电子实验教学改革与实践[J].实验科学与技术,2018,16(2):129-133.

[2]姜德晶.电工电子虚拟仿真实验教学平台建设的探索[J].科技论坛,2018,19:114-115.

[3]张敬南,张繆钟.实验教学中虚拟仿真技术的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):102-105.

[4]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[5]张雪辉,刘素贞,李华,等.引入虚拟仿真技术，促进电工学改革[J].电气电子教学学报（增刊）,2010,9:191-193.

[6]胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140－144.

Practice and Construction of Electrical and Electronic Virtual Simulation Experiment Teaching Platform

Lou Jingmei,  Yan Maode,  Zhu Liya

(School of Electronic and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an Shanxi 710064，China )

Abstract Starting from the training of students' comprehensive design and innovation ability, through the integration of software resources, information equipment, experiment curriculum resources, etc., a teaching platform of electrical and electronic virtual simulation experiment is established to enrich teaching content, improve teaching ability, expand practice field and cultivate innovation ability. The experimental teaching results in recent years show that the introduction of virtual simulation experimental teaching method effectively solves the limitation of traditional experimental class time and venue, makes the use of teaching resources more convenient, provides students with richer practical content and more flexible practical form, and promotes the sharing of educational resources. The experimental teaching effect, the experimental teaching efficiency, the experimental teaching mode, the experimental management and the cultivation of students' innovative skills have achieved remarkable results.

Key words: virtual simulation; experimental teaching; electrical and electronic; resource sharing