黎建華　胡永良　李菡

摘要：針對高校實驗室建設(shè)的實際狀況，在分析計算機硬件類課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室與移動學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建移動虛擬實驗室的新理念，給出移動虛擬實驗的構(gòu)建模型及自主交互式學(xué)習(xí)/訓(xùn)練模型，說明移動虛擬實驗室的構(gòu)建策略。以突破傳統(tǒng)的硬件類課程實驗室建設(shè)模式，為新時代下計算機硬件類課程的實驗室建設(shè)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：硬件類課程；移動虛擬實驗室；移動學(xué)習(xí)；自主交互式；學(xué)習(xí)/訓(xùn)練周期

0.引言

實驗教學(xué)作為現(xiàn)代教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力與創(chuàng)新能力的重要手段。實驗室作為實驗教學(xué)的主要陣地，其設(shè)備水平直接關(guān)系到實驗項目的開展及效果。計算機硬件類課程的教學(xué)、基礎(chǔ)實驗與創(chuàng)新研究性實驗的開展必須以豐富的實驗設(shè)備及成熟的實驗條件為依托。

1.計算機硬件類課程的教學(xué)現(xiàn)狀

當前各高校計算機硬件類課程的教學(xué)從晶體管、計算機系統(tǒng)到接口電路，其內(nèi)容涵蓋模擬電路、數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、單片機與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)等。當前，計算機硬件類課程的相關(guān)實驗室建設(shè)雖然逐步完善，但實驗教學(xué)還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是實驗步驟機械使用封閉式實驗箱，以落后原始的手動連線和觀察現(xiàn)象為主，按照實驗步驟應(yīng)付了事，電路結(jié)構(gòu)的變化不靈活；二是實驗平臺與實驗內(nèi)容受限，在實驗室的構(gòu)建上，如師資、教學(xué)內(nèi)容和實驗設(shè)備的選擇都有一定的側(cè)重點，實驗設(shè)備與實驗內(nèi)容有很大的局限性，一些實驗受各種條件的限制難以開展；三是開展實驗的時間和地點受限，學(xué)生需花費大量的時間在校內(nèi)固定的電腦上，使學(xué)生的學(xué)習(xí)時間和地點受到極大限制；四是硬件設(shè)備陳舊導(dǎo)致學(xué)生不愿進實驗室，計算機硬件設(shè)備更新通常比較緩慢，設(shè)備陳舊老化導(dǎo)致實驗進度緩慢，最終使學(xué)生興趣索然，甚至不愿走進實驗室完成教師指定的實驗項目。這些問題很大程度上束縛了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更不利于學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為克服實驗箱的不靈活性及實驗教學(xué)內(nèi)容與設(shè)備的片面性，近年來國內(nèi)諸多高校采用“以軟仿硬”的實驗方式，即在教學(xué)和實驗中使用模擬仿真軟件（如Multisim、Labview、Proteus等）搭建仿真實驗平臺，在計算機上調(diào)用元器件庫進行連線畫圖、編寫文件、確定跟蹤點、調(diào)用模擬程序，在集成軟件環(huán)境下設(shè)計硬件電路以克服硬件實物實驗條件的限制。但這些基本都在課堂或?qū)嶒炇议_展，實驗項目擴展有限。因此，如何克服傳統(tǒng)的計算機硬件實驗室建設(shè)弊端，解決實驗條件（如師資、設(shè)備等方面）的匱乏與實驗需求不斷增加的矛盾，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時間、地點及設(shè)備數(shù)量的限制，促進實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，已成為當前實驗室建設(shè)的一個重要議題。

2.移動虛擬實驗室構(gòu)建理念的提出

2.1網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室（network virtual laboratory，NVL）的出現(xiàn)為硬件實驗的開展提供了一種新的教學(xué)方法與學(xué)習(xí)手段。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是采用服務(wù)器、客戶端及實驗設(shè)備構(gòu)建虛擬實驗場所，學(xué)生在計算機仿真實驗環(huán)境下，利用鼠標等工具直接在網(wǎng)絡(luò)上完成實驗繪圖、參數(shù)設(shè)定與編程，最終獲得實驗仿真結(jié)果與現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對真實實驗操作及實驗結(jié)果的計算機軟件模擬。同一實驗項目，可由不同時間、不同地點的多個學(xué)生共同完成。

2.2移動學(xué)習(xí)

在未來計算機硬件類課程實驗項目教學(xué)的開展過程中，學(xué)生需要一種可以擺脫時間和空間約束的學(xué)習(xí)方式，可以在課外、寢室、食堂或任何地方根據(jù)自身興趣和知識結(jié)構(gòu)的需求，利用隨身攜帶的手機、iPad等移動設(shè)備進行無線網(wǎng)絡(luò)的訪問，隨時隨地開展基礎(chǔ)型實驗項目與創(chuàng)新性實驗項目。隨著4G無線通信技術(shù)、移動終端技術(shù)的發(fā)展和移動設(shè)備的普及，移動學(xué)習(xí)（M-Learning）成為數(shù)字學(xué)習(xí)（E-Learning）和遠程一學(xué)習(xí)（D-Leaming）后新的發(fā)展階段（如圖1所示），因此，移動學(xué)習(xí)作為一種新型的學(xué)習(xí)方式，比數(shù)字學(xué)習(xí)更進一步，可以不受計算機環(huán)境、地點的限制。

2.3移動虛擬實驗室

Batista J等人探討了移動學(xué)習(xí)與虛擬實驗室的相互關(guān)系和必要性。從長遠看，虛擬實驗室作為實驗教學(xué)資源建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，向移動化學(xué)習(xí)方向發(fā)展是必然趨勢。

為增強實驗教學(xué)的靈活性，提高實驗教學(xué)的效率，真正滿足實驗的隨時隨地性、自主性和交互性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)及創(chuàng)新能力為目標，有效利用移動設(shè)備為學(xué)生提供便捷的實驗方式和豐富的學(xué)習(xí)體驗，基于移動學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的移動虛擬實驗室，能為實驗教學(xué)提供一種全新的模式，將成為一種構(gòu)建硬件類實驗室的新方向。

3.移動虛擬實驗室的構(gòu)建模型

移動虛擬實驗室的構(gòu)建模型對于實驗室建設(shè)具有決策性和指導(dǎo)性意義，在建立移動虛擬實驗室模型時應(yīng)綜合考慮服務(wù)器和客戶端的綜合性能，合理劃分服務(wù)器和客戶端的功能。

圖2給出了移動虛擬實驗的構(gòu)建模型，主要包含移動虛擬實驗服務(wù)器（Serrer）和客戶端（Client）兩部分。移動虛擬實驗Server主要負責(zé)實驗室的日常管理、實驗教學(xué)項目發(fā)布與實驗結(jié)果分析反饋、虛擬實驗項目仿真運行以及用于存儲管理各種元件、設(shè)備、用戶等的數(shù)據(jù)庫。移動虛擬實驗的Client端通過在終端設(shè)備上運行應(yīng)用程序負責(zé)實驗項目的圖形化展示、實驗項目的創(chuàng)建與修改及實驗仿真結(jié)果的可視化顯示。移動學(xué)習(xí)Client端作為人機交互界面的虛擬實驗環(huán)境，表現(xiàn)為一個電路圖形編輯器，學(xué)習(xí)者用鼠標自由拖拽器件連接電路，就像在真實電路板上搭接電路一樣?？紤]到移動終端設(shè)備的性能有限，實驗過程中的仿真、調(diào)試、程序運行及數(shù)據(jù)分析都放在Server端，以減輕Client端的負擔。

移動實驗用戶借助移動終端設(shè)備（智能手機、PDA等）通過無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi、無線傳感網(wǎng)、4G網(wǎng)）訪問移動虛擬實驗室Server站點，通過實驗室管理平臺進入虛擬實驗平臺及數(shù)據(jù)庫，選擇相應(yīng)的實驗項目后直接在移動終端上點擊或拖拽元器件和儀器設(shè)備，進行實驗操作或繪制電路并編寫程序，然后通過網(wǎng)絡(luò)提交給虛擬實驗室Server站點進行分析處理，Server站點將處理的結(jié)果傳送到移動學(xué)習(xí)Client端，并對實驗中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行實時的記錄、分析，然后自動生成實驗報告。教師、學(xué)生相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)庫中的元器件、設(shè)備和實驗項目庫的動態(tài)更新，以豐富實驗項目的學(xué)習(xí)與開展。

根據(jù)虛擬實驗項目的要求，數(shù)據(jù)庫包含具有逼真外形的元器件庫、設(shè)備庫、實驗項目庫、用戶庫和實驗報告庫。元器件庫包含有基本元器件（如電阻、電容和電感等）、基本集成電路（如各種門電路、譯碼器）、復(fù)雜集成電路（如CPU、RAM/ROM、8255、8259等）；設(shè)備庫主要存放電源、信號發(fā)生器、LED顯示器等虛擬設(shè)備；通常元器件庫和設(shè)備庫可由第三方工具（如Protel、Multisim、Proteus等）提供。實驗項目庫包含基本實驗項目庫、創(chuàng)新性實驗項目及自由實驗項目庫，其中基本實驗項目庫存放為滿足教學(xué)的基本要求而設(shè)計的實驗項目；創(chuàng)新性自由實驗項目庫主要要求學(xué)生根據(jù)選定的主題進行創(chuàng)新性設(shè)計，存放學(xué)生設(shè)計、編輯的實驗項目；用戶庫用于保存用戶的添加、刪除等管理任務(wù)；實驗報告庫自動生成實驗報告、管理打印等功能。

4.自主交互式學(xué)習(xí)/訓(xùn)練周期模型

移動學(xué)習(xí)基于行為主義理論，核心是內(nèi)容設(shè)計、傳遞和無線交互，它從電腦和互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容設(shè)計與傳遞轉(zhuǎn)移到手持式設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)的移動學(xué)習(xí)。認知主義理論在移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計上強調(diào)的內(nèi)容就是對教學(xué)資源的分析、對學(xué)習(xí)者特征的調(diào)查以及對教學(xué)策略的設(shè)計等。因此，移動學(xué)習(xí)的模型和方式對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與效率至關(guān)重要，探討自主交互式學(xué)習(xí)/訓(xùn)練周期模型，讓學(xué)生實現(xiàn)按需索取專業(yè)知識。

圖4給出了一個在移動實驗用戶終端上對數(shù)字邏輯電路進行建模的自主交互式學(xué)習(xí)/訓(xùn)練周期模型。

Server端發(fā)布的實驗項目通常包含文本、圖片和視頻文件等多媒體素材。Server端負責(zé)的學(xué)習(xí)/訓(xùn)練任務(wù)包括用戶管理、學(xué)習(xí)/訓(xùn)練的交互式實驗項目發(fā)布、學(xué)習(xí)進度管理與學(xué)習(xí)進度評價機制以及對數(shù)字化模型仿真的支持。移動實驗用戶接收Server端的實驗任務(wù)，然后利用運行在移動終端上的應(yīng)用程序進行電路建模，并將建立的模型投遞給Server端，基于模擬仿真器的Server端可對接收的數(shù)據(jù)進行解釋并將仿真運行的結(jié)果返回給實驗用戶，實驗用戶端應(yīng)用程序依次對返回的仿真結(jié)果進行可視化展示。在整個交互過程中，用戶也可能會收到建模錯誤的提示信息。Server端通過分析用戶的錯誤問題來決定是否重新對其進行訓(xùn)練，例如設(shè)置更容易的實驗任務(wù)、額外為用戶安排與特定實驗項目相關(guān)的學(xué)習(xí)資料等。Server端對從移動實驗用戶端接收的實驗項目解答自動評估，如果對評估結(jié)果不滿意，Server端通知實驗用戶并為用戶提供相應(yīng)的幫助與提示，逐步引導(dǎo)用戶找到訓(xùn)練項目的正確答案；如果用戶答案完全或部分正確，Server端將進一步引導(dǎo)移動實驗用戶學(xué)習(xí)課程的其他部分或相應(yīng)的實驗項目。

5.結(jié)語

筆者以計算機硬件類課程群的實驗室構(gòu)建為對象，以移動性、自主交互式和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)為目標，探索了移動虛擬實驗室的構(gòu)建模型、學(xué)習(xí)/訓(xùn)練周期模型。該模型有效減少部分實驗儀器購置、降低實驗成本；滿足實驗教學(xué)不斷提出的新要求，滿足更多更新的實驗項目要求；開展“實物實驗”難于開設(shè)的實驗項目；突破實驗的時間、地點和設(shè)備數(shù)量的限制。下一步將研究移動虛擬實驗室具體實施的技術(shù)方案，形成一套完整的“理念-構(gòu)建模型-學(xué)習(xí)周期-實施技術(shù)方案”的移動虛擬實驗室構(gòu)建策略。

（編輯：孫怡銘）