張雪輝，劉素貞，李 華，黎 霞，耿躍華

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天津300130）

0 引言

電工與電子技術(shù)系列課程是高等學(xué)校非電類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在高等教育本科教學(xué)中占有很重要的地位。近幾年來，我國(guó)高等教育的改革與發(fā)展取得重大進(jìn)展，特別是本科教育的規(guī)模迅速擴(kuò)大，隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的完善和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，社會(huì)各方面都對(duì)高等教育人才培養(yǎng)的質(zhì)量提出了新的更高的要求，原來的人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。為了使學(xué)生在校期間能夠接觸和了解先進(jìn)、前沿的科學(xué)技術(shù)，同時(shí)使他們?cè)诋厴I(yè)后能夠盡快適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需求，必須對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式不斷進(jìn)行改革。

實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)際結(jié)合的橋梁，是大學(xué)理工科教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)條件是反映辦學(xué)水平和科研水平的重要標(biāo)志之一。為了提高實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，很多院校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室最大限度的共享了實(shí)驗(yàn)資源，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)的使用效率，有利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新；另一方面，學(xué)生可以突破時(shí)空的限制在計(jì)算機(jī)上完成各種實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代教育技術(shù)把多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能傳感控制技術(shù)綜合運(yùn)用并引人課堂，實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)教學(xué)模式中無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、機(jī)器人、商業(yè)領(lǐng)域以及可視化計(jì)算、制造業(yè)等領(lǐng)域均占有一定比重［1］，為高校教學(xué)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。目前，國(guó)外網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究已日趨成熟，國(guó)內(nèi)的研究尚處于起步發(fā)展階段，一些大學(xué)紛紛建立自己的虛擬實(shí)驗(yàn)室。從眾多的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室來看，按其實(shí)現(xiàn)的功能可以把它們分成以下兩類［2］：

1.1 軟件仿真形式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室以仿真軟件為基礎(chǔ)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，分享各種學(xué)習(xí)資源，自主設(shè)計(jì)并測(cè)試各種電子電路。

1.2 直接操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室

這類實(shí)驗(yàn)室與第一類網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室最主要的區(qū)別在于控制對(duì)象是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備?？蛻舳斯蚕砭W(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，服務(wù)器端接收客戶端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置與之連接的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回客戶端。更為先進(jìn)的是遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室，除了實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享之外，客戶端可遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，可以一邊調(diào)整參數(shù)，一邊控制和觀看實(shí)驗(yàn)的真實(shí)運(yùn)行過程。直接操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室利用了有限的實(shí)驗(yàn)資源，收到了較好效果，是目前網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展的一個(gè)重要方向。

可見，直接操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室具有許多優(yōu)越性，但需要較多的投資，開發(fā)周期較長(zhǎng)；而純軟件的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室投資較少，實(shí)驗(yàn)可以任意擴(kuò)充，形式豐富多樣，易于開發(fā)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。河北工業(yè)大學(xué)電工與電子技術(shù)課程組根據(jù)自身?xiàng)l件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以仿真軟件為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

2 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

河北工業(yè)大學(xué)電工與電子技術(shù)課程組利用網(wǎng)站開發(fā)工具 Macromedia DreamWeaver，設(shè)計(jì)了以仿真電子實(shí)驗(yàn)開發(fā)軟件EWB為基礎(chǔ)的電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室［3］。

2.1 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室模塊介紹

課程組采用基于 Web的瀏覽器／服務(wù)器（B／S）結(jié)構(gòu)［4］，設(shè)計(jì)了電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室包括系統(tǒng)簡(jiǎn)介、軟件介紹、軟件基本操作、虛擬實(shí)例操作演示、虛擬實(shí)驗(yàn)習(xí)題庫、自己動(dòng)手、軟件下載、參考文獻(xiàn)和友情鏈接等九個(gè)模塊。結(jié)構(gòu)如圖1所示，部分模塊具有如下功能。

圖1 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室模塊劃分

（1）軟件介紹

該模塊介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)常用的四種仿真軟件EWB、PSpice、Multisim 200l和 Max－plus的基本功能和特點(diǎn)，并提供相關(guān)文件的下載，學(xué)生可以根據(jù)需要，選擇使用仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測(cè)試。

（2）軟件基本操作

該模塊主要介紹了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的仿真軟件EWB的基本操作。詳細(xì)介紹了EWB主窗口、菜單欄、工具欄、元件庫和儀器庫的操作和使用，并配有相應(yīng)的視頻操作演示。通過對(duì)該模塊學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握該軟件的基本操作，對(duì)比較簡(jiǎn)單的電路能夠自行設(shè)計(jì)和測(cè)試。

（3）虛擬實(shí)例操作演示

該模塊分為基本電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)三部分（如圖2所示），每一部分由不同類型的典型電路實(shí)驗(yàn)組成。為了讓學(xué)生更好地掌握電工與電子技術(shù)課程典型電路實(shí)驗(yàn)，對(duì)每一個(gè)典型電路的設(shè)計(jì)都配有器件選擇、參數(shù)設(shè)置以及電路性能測(cè)試仿真的視頻演示。通過該模塊對(duì)電工與電子技術(shù)課程典型電路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試，可加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握，同時(shí)熟悉EWB軟件的使用。

圖2 虛擬實(shí)例結(jié)構(gòu)框圖

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)習(xí)題庫

該模塊包括基本電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)和綜合電路設(shè)計(jì)四個(gè)部分，提供了電工與電子技術(shù)課程相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)電路的EWB源程序文件，學(xué)生可以把對(duì)應(yīng)的源程序下載到自己的計(jì)算機(jī)上，利用EWB仿真軟件實(shí)現(xiàn)電路的性能測(cè)試，進(jìn)一步理解和掌握所學(xué)知識(shí)。為了構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，該模塊給出了一些趣味性的電路設(shè)計(jì)，如交通燈控制電路以及各種報(bào)警電路等。

同時(shí)，該模塊充分利用虛擬電子實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜電路的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行難度較大的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如數(shù)字時(shí)鐘，它是數(shù)字電路中計(jì)數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時(shí)鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用，通過綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和科研能力。

（5）自己動(dòng)手

該模塊分為基本電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)三部分，學(xué)生可根據(jù)以Word文檔形式給出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真電路并進(jìn)行測(cè)試。通過該模塊，檢驗(yàn)學(xué)生利用EWB軟件進(jìn)行各種電路設(shè)計(jì)的能力，并進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。模塊提供了源程序下載，以供學(xué)生參考。

2.2 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

我校電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Macromedia公司的網(wǎng)頁編輯器 Macromedia DreamWeaver8.0作為網(wǎng)站開發(fā)工具，制作了網(wǎng)站主頁及各級(jí)網(wǎng)頁；其中網(wǎng)站主頁采用表格方式嵌入文本，其效果如圖3所示。用戶通過點(diǎn)擊網(wǎng)頁左邊的欄目導(dǎo)航，即可進(jìn)入相應(yīng)網(wǎng)頁，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)或文件下載。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師講解實(shí)驗(yàn)一般以掛圖、膠片、板書、實(shí)物等為對(duì)象，這對(duì)于復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的線路或功能較多的儀器（如示波器等）不夠形象，教師講解吃力，學(xué)生費(fèi)解，結(jié)果往往是事倍功半。虛擬技術(shù)的引入，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果得以提高。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以做各種類型實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室元器件不全的缺陷；可以方便地仿真實(shí)際中我們不能完成或者比較難完成的實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，利用打印機(jī)直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)不消耗器材，實(shí)驗(yàn)所需器材種類和數(shù)量不限制，成本低；速度快，效率高，容易開展各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；使那些抽象、枯燥、難懂的學(xué)習(xí)內(nèi)容以生動(dòng)形象的形式表現(xiàn)出來，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果；可以徹底打破空間、時(shí)間的限制，同時(shí)也保障了學(xué)生和設(shè)備的安全。

圖3 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁

3 結(jié)語

電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室可以最大限度地利用教學(xué)資源，拓展學(xué)生的知識(shí)面，使本來難以解釋的問題變得可視化，充分發(fā)揮學(xué)生的教學(xué)主體作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到常規(guī)教學(xué)不能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)探索和發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教育技術(shù)水平、改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

［1］ 余華鴻.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展.今日科苑，2009（4）：182

［2］ 劉蘊(yùn)紅，高峰，王偉等.網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（2－3）：128－130

［3］ 俞偉宏.電子電路仿真軟件“EWB”在電子電工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.中等職業(yè)教育，2009（8）：41－42

［4］ 吳曉.基于瀏覽器／服務(wù)器的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室研制.機(jī)器制造與自動(dòng)化，2005（1）：90－92