基于虚拟仿真的电工电子实验教学改革与实践

在国家信息化发展战略的指引下，教育信息化在教育教学领域和管理过程中受到了高度重视，其发展和应用呈现出逐步深入和不断拓展的趋势，有力促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革。2013 年，根据教育部关于建设国家级虚拟仿真实验教学中心的要求，长安大学对学科专业进行整体规划，以交通信息工程及控制国家级重点学科为龙头，在4 个省级实验教学示范中心和1 个省级工程技术研究中心分别设立虚拟仿真教学实验室。通过统筹规划和分批建设，组建了交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心。2015 年初，该中心被批准为国家级虚拟仿真实验教学中心。
作为该中心下属的4 个省级实验教学示范中心之一，电工电子实验教学中心承担着全校电工电子系列课程的实验教学任务。为更好地适应新型高素质交通信息与控制类人才的培养需求，中心在原有场地和硬件设施的基础上，通过一系列信息化资源建设，建立了以开放共享为核心、以虚拟仿真为牵引、以远程教学为特色、以智能管理为保障的虚拟仿真实验教学信息化平台，构建起多层次、网络化的实验教学资源体系，实现虚实结合的层层深入和良好融合，进一步完善实验教学方法和管理机制，在电工电子虚拟仿真实验教学改革方面探索出一条卓有成效的建设和发展之路。
1 开展虚拟仿真实验教学的必要性
电工电子系列课程包括电工与电子技术基础、电路理论、模拟电子技术基础、数字电子技术、EDA 技术等，是工科院校电类专业和部分非电类专业必修的专业基础课程。该课程的实验环节实践性较强，在培养体系中担负着承上启下的作用，是进一步学习后续课程，培养工程意识的基础。
传统的实验教学是利用电工实验台、实验箱及相关测试仪器来开展，通常安排在学生空余时间进行，由指导教师在实验室进行统一授课和指导。通过对学生的调查和教师的反馈，发现传统的教学模式在时间、空间、教学内容和形式上存在以下3 个不足。
1) 时间安排不合理。电工电子系列课程实验通常安排在大二上学期陆续展开，该阶段学生理论课程安排紧，空余时间较少。而实验教学课时量大，授课班级多，在课程安排上经常发生冲突，有时不得不占用教师和学生的课外休息时间，在某种程度上影响到教学效果。
2) 实验场地和设备资源利用不科学。实验中心年均承担约3 000 课时的实验教学任务，根据教学日历安排，绝大部分集中在学期的第4～ 第15 周之间进行，期间各课程和各班级在实验场地的安排上时常发生冲突; 而在学期的其他时间段，大部分实验室和设备均处于闲置状态，实验资源未得到合理有效的利用。
3) 实验内容、形式和考核方式亟待改进。传统的实验过程中，学生通常是按照实验指导书在实验箱上进行，验证性实验比例偏大，难以培养综合设计能力，而实验项目的更新又受到硬件条件的制约; 随着实验设备故障率的提高，实验教学成本中器材损耗和修理费用也日益增加; 考核成绩主要参考平时表现和实验报告给出，不能真实客观地反映学生实际的工程实践能力。
而伴随着“互联网+”背景下的虚拟现实技术、人机交互技术、仿真技术等教育信息化技术的日益发展，上述制约实验教学的瓶颈问题都可以迎刃而解。电工电子实验教学示范中心通过建设虚拟仿真网络信息化平台，把虚拟仿真实验作为传统实验教学的完善与补充，最大限度地拓展电工电子实验教学的时间和空间，丰富其内容和形式，取得了较好的效果。
2 建立网络化、分布式的虚拟仿真实验教学平台
随着教育信息化技术的不断发展，建立实验室信息化管理与资源共享平台已经成为虚拟仿真中心建设的必备条件。中心根据学校信息化发展规划，结合日常教学与管理需求，依托现有的校园网络与企业合作开发了虚拟仿真实验教学信息化平台。旨在建立一个以实验资源共享化、实验活动远程化、实验管理信息化、实验教学个性化、实验学习自主化为特征的新型虚拟实验学习环境。该平台以国家级“交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”网站作为网络载体，由远程虚拟仿真平台、教学综合管理平台、大学生创新管理平台3 个子平台构成，如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验教学信息化平台构成
各子平台的具体功能有以下3 点。
1) 作为虚拟仿真实验教学的核心部分，远程虚拟仿真平台主要为师生提供一个开放、互动、共享的虚拟实验教学环境。学生在校园网内的任一电脑上均可访问平台，并可根据教学计划安排，完成选课、虚拟实验、请求指导、提交实验报告、预约实验工位等整个实验过程。教师在实验前发布实验开课计划、上传相关学习资料、安排实验项目; 实验过程中可对学生进行在线指导和答疑;实验后对实验报告进行智能批改，并对成绩进行分析和总结。师生之间还可以通过BBS 论坛的方式进行进一步的互动和交流。
2) 作为虚拟仿真实验教学的服务保障部分，教学综合管理平台主要面向实验室管理人员，负责教学事务、实验场地、设备管理等功能。教务管理包括安排教学任务和编制开课计划; 实验设备管理是将设备进行分类整理并建立电子档案，记录使用情况、故障信息及维修记录; 实验场地管理是对各实验室的使用情况进行登记，并根据教学计划和预约记录合理安排实验场所。
3) 作为虚拟仿真实验教学的拓展部分，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。通过给出项目立项和研究指南，学生可利用平台上公开的源代码，先自行预研、申请立项、组建团队、参与源代码开发，引导学生自主性、个性化研究，切身参与虚拟仿真实验室的建设。
虚拟仿真实验教学信息化平台通过各子平台之间的相互整合和补充，充分发挥“远程教学、虚拟仿真、开放共享、智能服务”的功能，如图2所示。涵盖了实验前准备、远程虚拟仿真、实验后反馈的整个时间流程; 明确了教师、学生和管理人员在教学平台中的责任权限，加强了彼此之间的互动交流; 提升了实验教学对创新能力的培养效果，促进实践教学质量与效率的不断提高。

图2 虚拟仿真实验教学信息化平台功能图
3 实验教学改革的措施与效果
学校从2012 学年起，在自动化专业电工电子系列课程中引入虚拟实验环节，利用虚拟化的仿真实验环境和信息化的实验管理系统，有效提升了实验教学效果和管理水平。通过对教师和学生的调查可知，对比传统的实验教学模式，虚拟仿真实验教学在实验模式、信息化管理和拓展技能训练3 个方面显示出其特有的优势，得到师生的广泛认可。
3. 1 虚实结合的实验方式提升教学效果
通过搭建虚拟化的实验环境开展教学活动，同时进行实验和仿真的对比验证，真正做到虚实结合，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。
1) 模拟理想化的实验环境，减小实验误差。
如在传统的差动放大电路实验中，受信号发生器数量限制，双端差模输入信号无法提供，只能用单端输入来代替其效果; 在实验过程中，由于元器件的差异性，也无法做到双端电路完全对称，需要在实验前先通过“调零”环节加以弥补。而在虚拟仿真搭建的理想实验环境下，完全可以满足上述要求，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。
2) 采集系统化的实验数据，提升实验效果。
如模拟电子技术中的串联型直流稳压电源实验，交流电通过变压、整流、滤波、稳压4 个步骤转换成直流输出，每一步的波形只能用示波器依次读取，然后再后续整理得出整个过程。而利用虚拟仿真系统可以采集到系统化的实验数据，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，如图3、图4 所示，给学生留下直观而深刻的印象，有效提升实验教学效果。

图3 直流稳压电源仿真实验电路原理图

( a) 变压器副边输出波形  ( b) 桥式整流后波形

( c) RC 滤波后输出波形( AC 耦合)
图4 直流稳压电源仿真实验结果图
3) 提供简洁高效的设计过程，提高实验效率。如数字电子技术中的电子秒表实验，电路设计结构复杂，元器件和线路连接数量多，极易造成偶发性故障，实验效率受到客观条件制约，通常需要4 个课时完成。而利用虚拟仿真实验系统，学生根据要求先设计实验电路，并在虚拟环境下完成元器件的选取、连接、功能仿真等过程，根据结果再进行修改和调试，最终得到满意的方案。避免了实际操作中复杂的连线过程和可能出现的偶发性故障，实验课时压缩在2 个课时之内，大大提高了实验效率，同时可以有效减少元器件损耗，控制实验成本。
需要特别注意的是，虚拟仿真实验项目应当遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则合理选取，以“基本验证型—综合设计型—创新开发型”为主线由浅入深、循序渐进的开展分层分类教学。虚拟仿真作为一种实验方式，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，达到事半功倍的效果。通过仿真软件的使用，让学生在实际操作实验前提前预习实验内容，掌握实验原理，熟悉实验所需设备、器材等，这样可以减少因为对仪器设备不熟悉和操作不当损坏实验设备; 另一方面，通过将实验中的实测值和虚拟仿真得到的理论值进行比对，实验目标明确，既能节省学生实验教学时间，让学生抓住实验重点，又能够做到理论联系实际，学以致用。
3. 2 智能化的过程监督提高教学管理水平
利用虚拟仿真实验教学信息化平台，实现流程化的教学管理和智能化的教学服务，从而对实验教学过程、实验室场地设备等进行信息化监督和管理。
1) 在课前预习阶段，采用智能组卷技术对学生进行相关理论知识的测试，学生通过测试后方能提出实验申请。针对教师普遍反映的部分学生忽视实验预习，对实验目标和要求不明确，影响教学效果的情况，该举措可有效督促学生巩固相关理论知识，了解实验背景，使得实验过程有的放矢，更好地为理论教学服务。
2) 在虚拟实验过程中，针对普遍性的问题设置有系统智能指导，可引导学生完成整个实验过程，针对学生个性化的需求，教师也可进行个别辅导; 在实物验证过程中，教师更多的是解决学生在实际操作中出现的问题，着力提高学生工程实践能力。整个教学过程中，学生和教师之间既有网络上的互动，也有面对面的交流。通过远程指导和课堂教学相结合，有效减轻实验指导教师的工作量，提高实验教学的质量和效果。
3) 实验后，学生完成实验报告并在线提交，教师可设置智能化批改准则，给出评阅意见。实验成绩是根据平台中记录的虚拟和实物实验的整体完成情况，并结合实验报告进行综合评定，更加客观有效地体现出学生在实验过程中的实际表现。实验室管理者和教师亦可以对实验数据进行详实的统计与分析，对实验教学过程进行评价，通过大数据挖掘，发现教学过程中的问题，改进实验教学。
4) 教务管理人员将实验室的使用情况进行统
一规划，通过预约制度进行管理。这样既可以有效对学生进行考勤监督，又可以更加科学合理的利用实验资源; 将实验设备设立电子档案，在学生预约实验时进行合理调配，在满足教学需要的同时，还可外借给各类兴趣小组和学科竞赛使用通过各类实验资源的有效利用，切实提高实验管理工作的效率和规范。
3. 3 经常性的课外科技活动培养学生创新能力
为强化学生创新能力培养，以全面提高学生综合设计和工程实践能力为出发点，依托大学生创新管理平台，不断拓展电工电子类课程虚拟仿真教学的内涵和外延。
1) 利用长安大学的影响力与软件公司的“大学计划”项目进行合作，购入功能完备的正版网络教学软件， 包括Multisim，Altera Quartus II，LabVIEW、Proteus、Cadence 等，将虚拟仿真技术延伸到相关专业课程教学改革过程中，继续完善虚拟仿真实验教学资源体系。
2) 加强实验教学与学生课外科技活动之间的联系。通过虚拟仿真教学改革，夯实学生的知识基础，激发学生的学习兴趣和参与科技活动的热情，扎实提高工程实践能力; 同时，又可以将学科竞赛中取得的成果、科研项目中的典型工程案例、运行数据等转化为原创性的虚拟仿真实验教学资源，从而拓展实验教学范围，丰富实验教学内容。
4 结束语
结合国家级“交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”的建设，未来几年，电工电子实验教学中心将明确自身角色定位，继续坚持信息技术与教育教学的深度融合，在虚拟仿真实验教学中心的能力体系、资源共享的长效机制、实验教学管理与共享平台、实验教学管理队伍等方面继续探索，重点建设以下两方面内容。
1) 进一步完善虚拟仿真实验教学资源的开放共享机制。考虑到网络安全等因素，目前的虚拟仿真教学活动还局限于校园网内，校际、校企之间还没有形成优质实验教学资源的共享。未来将在保障信息安全的前提下，提升优质教学资源的持续性共享，扩大教学资源的覆盖面，使更多的企业、学校和师生参与到教学资源的建设过程中。
2) 研究虚拟仿真实验教学资源的评价机制。建立完善的虚拟仿真实验教学资源评价标准，加强专家、教师和学生三者之间的交流共享，淘汰不适应虚拟仿真实验教学的资源和管理体制，避免低水平资源的增长，提升优秀资源质量。