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論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性
論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性
張紹榮
�。ü鹆趾教旃I(yè)學(xué)院自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室教學(xué)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。本文深入分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理和建設(shè)存在的問(wèn)題和原因，并以此提出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性，最后對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容提出了幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；虛擬實(shí)驗(yàn)；平臺(tái)構(gòu)建
基金項(xiàng)目：桂林航天工業(yè)學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2011JB31）
作者簡(jiǎn)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(dòng)測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)。
理論與實(shí)踐相結(jié)合是理工科學(xué)生學(xué)習(xí)的最佳方式，而實(shí)驗(yàn)室是提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力最主要的場(chǎng)所。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由于場(chǎng)地和課時(shí)量有限、儀器設(shè)備等資源緊缺、開(kāi)放時(shí)間少等因素導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的效果大打折扣，實(shí)踐創(chuàng)新能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(shí)驗(yàn)室教學(xué)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。
筆者在擔(dān)任模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)老師期間，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理方面存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了概括和總結(jié)，并以此提出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題
�。ㄒ唬⿲W(xué)生缺乏電子認(rèn)知
在開(kāi)始第一節(jié)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生不懂辨認(rèn)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(shí)對(duì)于電容和二極管的正負(fù)極性不懂區(qū)分，三極管的管腳分配更加不會(huì)區(qū)別。另外，學(xué)生對(duì)一些常用儀器（比如信號(hào)源、示波器、萬(wàn)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(huì)用、不敢用。這給實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展帶來(lái)了很大的困難，因?yàn)閷W(xué)生的不懂，所以不敢動(dòng)手操作，第一節(jié)課的大部分時(shí)間是在教學(xué)生識(shí)別電子元件和儀器的使用，有些學(xué)生還沒(méi)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)就下課了，實(shí)驗(yàn)效果非常差。
（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多
一個(gè)學(xué)期只開(kāi)出了四個(gè)實(shí)驗(yàn)：二極管特性測(cè)試及應(yīng)用電路、晶體管放大電路指標(biāo)測(cè)試、模擬運(yùn)算電路指標(biāo)測(cè)試和放大電路頻率特性測(cè)量，而且純屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。《模擬電子技術(shù)》是所有電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生以后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)非常重要。這四個(gè)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)要求，更談不上知識(shí)綜合運(yùn)用和實(shí)踐創(chuàng)新的培養(yǎng)。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力、綜合應(yīng)用知識(shí)的能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力就成了空談。如何利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源開(kāi)設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)（包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)），使得學(xué)生最大程度地學(xué)到更多的知識(shí)，這是有待解決的重要問(wèn)題。
�。ㄈ⿲�(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間少
隨著學(xué)校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)增多，而教學(xué)設(shè)備和場(chǎng)地沒(méi)有相應(yīng)的增多，師資力量不足，課時(shí)的安排也比較緊，所以實(shí)驗(yàn)室空余的時(shí)間開(kāi)放比較少，有些學(xué)校甚至除了上課時(shí)間之外就不再對(duì)外開(kāi)放，這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)是極其不負(fù)責(zé)的。就如1.1節(jié)所說(shuō)的，學(xué)生由于不熟悉電子元件和儀器設(shè)備，(www.qkfawen.com)可能會(huì)耽誤很多時(shí)間，等熟悉操作的時(shí)候就來(lái)不及完成實(shí)驗(yàn)就下課了。學(xué)生如果課余時(shí)間不補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)，就相當(dāng)于沒(méi)做過(guò)實(shí)驗(yàn)，自然也學(xué)不到相應(yīng)的知識(shí)。沒(méi)有做實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告就胡編亂造，學(xué)生慢慢就養(yǎng)成了弄虛作假、投機(jī)取巧、態(tài)度不端正等行為。這對(duì)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)造成了不好的影響，使他們?cè)趯W(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(shí)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，有一部分因?yàn)閮x器設(shè)備太過(guò)老舊、緊缺和破損。學(xué)生對(duì)儀器本身就不熟悉，而儀器又老出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。在上課時(shí)，一些學(xué)生從一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)換到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)儀器也搬來(lái)?yè)Q去，非�；靵y。但是，老師也無(wú)法過(guò)多干預(yù)，因?yàn)橐徊糠謨x器確實(shí)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(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。針對(duì)這種情況，學(xué)校直接對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行更新即可解決問(wèn)題，但這在短時(shí)間內(nèi)是難以實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建必要性
在批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：只要學(xué)生能順利完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般準(zhǔn)確可靠，同時(shí)理論的分析也比較清晰切合；不能完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，數(shù)據(jù)存在明顯的錯(cuò)誤，或者干脆抄襲別人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的能力，在第1節(jié)中提到的問(wèn)題有待解決。
�。ㄒ唬┨摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是解決問(wèn)題的新方法
對(duì)于學(xué)生缺乏電子認(rèn)知的問(wèn)題，很多高校開(kāi)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的電子認(rèn)知課程，主要講解基本的電子元件知識(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建通過(guò)軟件面板模擬真實(shí)的儀器面板，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作儀器能達(dá)到操作真實(shí)儀器一樣的效果。另外，把電子認(rèn)識(shí)的相關(guān)內(nèi)容以圖片、動(dòng)畫(huà)或者視頻的方式掛靠在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，全校師生都可以隨時(shí)隨地查看學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了師生最大的資源共享。
開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間少，儀器設(shè)備老舊缺損，其實(shí)都可以歸結(jié)為：實(shí)驗(yàn)室資源匱乏，資金投入不夠。要想減少資金投入同時(shí)達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果，就要想法設(shè)法實(shí)現(xiàn)資源的共享和重復(fù)利用率。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器共享和遠(yuǎn)程控制，以此實(shí)現(xiàn)資源的共享。
�。ǘ┨摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充
如果把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)成是課內(nèi)教育，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是課前教育和課外教育。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以了解到更多關(guān)于本次實(shí)驗(yàn)的資料，做好課前預(yù)習(xí)；而通過(guò)動(dòng)畫(huà)或者視頻的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的演示是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法比擬的。對(duì)于不夠時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，課后依然可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而不受時(shí)間、地域的限制完成實(shí)驗(yàn)。
完善的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)約和登陸管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成與上傳、在線批改和打分等功能�？梢葬槍�(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的操作問(wèn)題給予適時(shí)的提示，提示學(xué)習(xí)者注意操作錯(cuò)誤的地方，這對(duì)貴重而精密的儀器操作尤為重要。
�。ㄈ┨摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建是未來(lái)的趨勢(shì)
文獻(xiàn)[3]對(duì)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[4]和[5]，則對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提出了自己的思考與建議�！蛾P(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號(hào)）等相關(guān)文件都對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了明確要求。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然發(fā)展方向。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，將切實(shí)提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容。
三、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容
虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，包括單純的虛擬仿真和虛實(shí)結(jié)合的具體實(shí)驗(yàn)。單純的虛擬仿真，比如電子元件的基礎(chǔ)知識(shí)普及和一些常用儀器設(shè)備的操作。虛實(shí)結(jié)合的具體實(shí)驗(yàn)涉及具體的硬件實(shí)物和軟件，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)室老師必須把硬件電路和相關(guān)的儀器連接好，儀器通過(guò)USB總線或者其他總線與計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）相連。在服務(wù)器開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序軟件，實(shí)現(xiàn)儀器可程控。用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)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(jī)操作一樣。針對(duì)電類(lèi)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，本文認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建應(yīng)該包含如下內(nèi)容。
�。ㄒ唬╇娮诱J(rèn)知基本知識(shí)
以圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等方式幫助學(xué)生識(shí)別基本的電子元件，區(qū)分電容或二極管的正負(fù)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(shí)。而一些常用的儀器操作和使用方法最好以動(dòng)畫(huà)或視頻的方式介紹，比如信號(hào)源、示波器、萬(wàn)用表、交流毫伏表等儀器設(shè)備。
�。ǘ⿲�(shí)驗(yàn)材料匯總
實(shí)驗(yàn)的原理分析，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題，以及與本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)擴(kuò)展等都可以以文件的方式提供給學(xué)生，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。
（三）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
這部分是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要內(nèi)容，也是解決第1節(jié)中提到的問(wèn)題的關(guān)鍵所在。實(shí)驗(yàn)室老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要搭建硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序軟件。除了搭建傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)之外，還可以開(kāi)發(fā)各種綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，比如波形發(fā)生器設(shè)計(jì)、濾波器的幅頻特性測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)間對(duì)學(xué)生開(kāi)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(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的一些問(wèn)題，結(jié)合目前的狀況以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，論證了構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是解決問(wèn)題最有效的方法。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，為學(xué)生的課外學(xué)習(xí)提供了極大的方便，實(shí)現(xiàn)了資源的共享，有利于增強(qiáng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。
參考文獻(xiàn)：
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