姚高華 詹小穎梧州學(xué)院 廣西梧州 543002

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虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗在電子類實驗教學(xué)中的比較研究

姚高華 詹小穎
梧州學(xué)院 廣西梧州 543002

摘 要：在高校電子類專業(yè)的實驗教學(xué)中，虛擬實驗具有一些傳統(tǒng)實驗不可比擬的優(yōu)勢，在實驗教學(xué)過程中引入虛擬實驗，使其與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合已成為發(fā)展趨勢。探討了虛擬實驗在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用，從實驗開設(shè)成本、實驗開設(shè)內(nèi)容、實驗教學(xué)手段、實驗教學(xué)效果、實驗室維護(hù)管理五方面對傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗進(jìn)行了分析、比較。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬儀器；虛擬實驗；傳統(tǒng)實驗

隨著計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)的發(fā)展也日新月異，其中實驗手段和測量方法的發(fā)展尤為迅速。傳統(tǒng)的測量儀器和測量方法不斷朝以計算機(jī)為核心的方向發(fā)展，因此現(xiàn)代實驗教學(xué)非常有必要跟上時代科技發(fā)展的步伐。

教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)，兩者相輔相成、缺一不可，特別是對于實踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的電子類專業(yè)，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性更加突出。電子類專業(yè)學(xué)生必須通過足夠數(shù)量和良好質(zhì)量的實驗，才可能真正理解和掌握電子類專業(yè)的理論知識和實驗技能，實現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合。但是隨著我國高等教育改革的進(jìn)一步深化，高校的招生規(guī)模不斷增大，學(xué)生人數(shù)急劇增加；此外由于電子儀器設(shè)備的快速發(fā)展和產(chǎn)品特性，實驗設(shè)備容易過時、陳舊、老化等，導(dǎo)致很多高校實驗設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量無法滿足實驗教學(xué)的要求。因此，加強(qiáng)實驗室建設(shè)、改進(jìn)實驗方法和手段、不斷進(jìn)行實驗教學(xué)改革，具有一定的必要性和緊迫性。

在電子類專業(yè)的實驗教學(xué)改革中，隨著各種EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)軟件的發(fā)展，以虛擬元件和儀器為基礎(chǔ)的虛擬實驗應(yīng)運(yùn)而生，為更好地完成電子類實驗提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。虛擬實驗是指應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)和虛擬技術(shù)模擬實際實驗，通過仿真得到實驗結(jié)果的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[1]。電子類專業(yè)的虛擬實驗就是結(jié)合電子類實驗課程的特點，通過計算機(jī)軟件構(gòu)造模擬實驗的環(huán)境，利用虛擬仿真軟件設(shè)計電路，進(jìn)行計算機(jī)仿真分析和實驗測試。通過虛擬實驗，學(xué)生不僅加深了對電子類課程理論知識的理解和掌握，而且還可以學(xué)會仿真設(shè)計與模擬調(diào)試，為學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新精神提供了極好的實踐平臺。因此，把電子類專業(yè)實驗與計算機(jī)模擬仿真結(jié)合起來形成的虛擬實驗，無疑是電子類專業(yè)實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗的比較

1.1 實驗開設(shè)成本比較

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，新設(shè)備、新儀器、新元件層出不窮。為了能夠提高電子類專業(yè)建設(shè)的水平，學(xué)校投入大量的資金進(jìn)行電子類實驗室建設(shè)。由于實驗室建設(shè)經(jīng)費和實驗室場地的限制，每個實驗室購買的儀器設(shè)備的數(shù)量是十分有限的，同時每套實驗設(shè)備所能開出的實驗項目也是一定的。以我校的高頻電路實驗室為例，在實驗室建設(shè)至今投入了40多萬元，由于與高頻電路相關(guān)的儀器設(shè)備比較昂貴，只能配備25套基本實驗設(shè)備，可以開設(shè)13個基本實驗項目。如果要開設(shè)綜合性、設(shè)計性的實驗項目，需要另外投入大量資金購買頻率特性測試儀、高頻Q表等儀器儀表。因此，傳統(tǒng)實驗的開設(shè)成本比較高，要達(dá)到實驗教學(xué)要求開出保質(zhì)保量的實驗，但又沒法投入足夠的資金，這是許多高校都不得不面臨的矛盾。

采用基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬實驗后，上述問題得到了較大程度的解決。近年來，學(xué)校購進(jìn)了一批高性能的計算機(jī)，學(xué)生購買計算機(jī)的比例也在增加，為虛擬實驗的進(jìn)行提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。利用各種計算機(jī)仿真和設(shè)計軟件及虛擬實驗平臺，不僅可完成電路分析基礎(chǔ)、低頻電子線路、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路等基礎(chǔ)課程的實驗，還為學(xué)生進(jìn)行設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗提供了良好的平臺。同時，這些計算機(jī)還可以在其他計算機(jī)類課程教學(xué)時使用，因此提高了實驗設(shè)備的利用率，降低了實驗室建設(shè)的成本，同時也降低了實驗開設(shè)的成本。

1.2 實驗開設(shè)內(nèi)容比較

傳統(tǒng)實驗一般采用“實驗箱+測試設(shè)備”的實驗方式，由于實驗箱的布局和線路已經(jīng)固定，所能完成的實驗項目只能限制在很小的范圍內(nèi)，而且大多數(shù)是一些基本的驗證性實驗。這些驗證性實驗，僅僅驗證學(xué)過的理論知識，學(xué)生只需要在元件固定好的實驗板上接導(dǎo)線和測數(shù)據(jù)，同時每個實驗都限定在兩節(jié)課的實驗課時內(nèi)完成；這樣的傳統(tǒng)實驗方法對學(xué)生的束縛較大，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，難以滿足現(xiàn)代實驗教學(xué)的需要[2]。面對這些問題，需要通過實驗教學(xué)改革，擴(kuò)展傳統(tǒng)實驗大部分是驗證性實驗的內(nèi)容，開設(shè)設(shè)計性實驗和綜合性實驗。但對傳統(tǒng)實驗來講，要想開設(shè)設(shè)計性實驗和綜合性實驗，一般都要另外購買和實驗箱配套的配件或者實驗板。

虛擬實驗除了能完成全部的驗證性實驗外，也能完成各種設(shè)計性實驗，重要的是不需要增加購買任何其他儀器設(shè)備。利用虛擬實驗，學(xué)生除了可以完成教師布置的各種驗證性和設(shè)計性實驗外，還可以完成自己從各種渠道找到的實驗項目，甚至可以實現(xiàn)自己的創(chuàng)造性想法和設(shè)計。

1.3 實驗教學(xué)手段比較

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是按照“學(xué)生預(yù)習(xí)—教師講解—學(xué)生操作”的模式進(jìn)行的。第一階段：學(xué)生課前預(yù)習(xí)階段，由學(xué)生自己閱讀理解實驗教材中的實驗原理和實驗步驟，由于學(xué)生事先并沒有接觸實驗電路板，因此學(xué)生所謂的理解只能靠自己的想象；第二階段：教師課堂講解階段，由于受到實驗課時間的限制，教師主要講解實驗過程中學(xué)生容易出現(xiàn)的問題。同時由于實驗室各種實驗儀器設(shè)備的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)移了學(xué)生聽課的注意力，降低了教師講解的效果。第三階段，學(xué)生實際操作階段，在教師對實驗注意事項講解完后，由學(xué)生進(jìn)行實驗操作，當(dāng)出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象與預(yù)習(xí)階段自己想象的不一致時，很多學(xué)生可能會手忙腳亂。尤其是當(dāng)實驗操作過程中出現(xiàn)各種實驗故障時，大部分學(xué)生更不知所措，只能讓教師幫忙解決問題，所以就有了部分教師反映的“上實驗課比上理論課更累”的說法。

虛擬實驗的采用，很大程度上改變了上述問題。學(xué)生課前預(yù)習(xí)時可以在理解實驗指導(dǎo)書中的原理和實驗步驟的基礎(chǔ)上，在自己的計算機(jī)上進(jìn)行虛擬仿真實驗。而在實驗課堂講解階段，由于學(xué)生進(jìn)行過虛擬實驗，對實驗步驟和實驗過程心中有數(shù)，因此對教師的講解分析能夠理解更加透徹。

從更高層次來看，虛擬實驗技術(shù)、多媒體技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)教學(xué)手段的多樣化和現(xiàn)代化。在實驗教學(xué)過程中，通過聲音、圖片、動畫、視頻等多媒體的結(jié)合，使實驗教學(xué)更生動形象，理論和實際緊密結(jié)合。同時，虛擬實驗技術(shù)的發(fā)展，使將來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、遠(yuǎn)程實驗成為可能[3]。

1.4 實驗教學(xué)效果比較

在傳統(tǒng)實驗中，由于實驗室管理上的局限性，除了傳統(tǒng)實驗上課時間以外，允許學(xué)生進(jìn)入實驗室的機(jī)會較少，即使是一些開放性的實驗室，對一些貴重儀器的使用和特殊實驗項目的開展也會有一定限制。因此，有些想學(xué)習(xí)和動手實踐的學(xué)生，卻苦于沒有相應(yīng)的實驗條件。更有一些學(xué)生，由于對儀器儀表和實驗裝置不熟悉，實驗課前沒有做好預(yù)習(xí)和實驗準(zhǔn)備，在實驗過程中因錯誤操作而問題不斷，這樣不僅擔(dān)心不能按時完成實驗，而且更擔(dān)心損壞實驗設(shè)備，因此造成心理緊張，對實驗課產(chǎn)生畏難情緒，實驗教學(xué)效果很難得到保障，甚至出現(xiàn)部分學(xué)生逃避實驗課程的現(xiàn)象。

采用虛擬實驗?zāi)茱@著地提高實驗課的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。由于虛擬實驗不會受到實驗儀器設(shè)備、實驗空間和時間的限制，學(xué)生可以在預(yù)習(xí)時通過模擬操作對實驗步驟進(jìn)行比較全面細(xì)致的了解；此外，在實驗過程中每當(dāng)遇到問題無法解決時，學(xué)生可將自己的操作模擬到計算機(jī)上，并借助虛擬實驗系統(tǒng)的分析功能找到出現(xiàn)問題的原因，這樣使得學(xué)生排除故障的能力大為提高[4]。另一方面，學(xué)生完成實驗所需的時間大為縮短，實驗結(jié)果的準(zhǔn)確率顯著提高。例如在數(shù)字電子技術(shù)實驗課程中的時序邏輯電路設(shè)計這一實驗，以前完成該實驗一般需要3個課時，現(xiàn)在學(xué)生在2個課時內(nèi)可全部完成，這樣節(jié)省了實驗課時，提高了實驗效率，為進(jìn)一步增加實驗內(nèi)容打下了基礎(chǔ)。

1.5 實驗室維護(hù)管理比較

對傳統(tǒng)實驗來說，學(xué)生在實驗過程中造成的儀器設(shè)備和元器件損壞，是實驗室維護(hù)管理上必須面對的問題。儀器設(shè)備如果操作不當(dāng)，容易造成損壞，因而實驗設(shè)備維護(hù)費用高。例如，在我校的電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗室的維護(hù)管理中，常出現(xiàn)儀器設(shè)備的旋鈕松動遺失、輸入輸出導(dǎo)線破損斷裂、顯示屏幕弄臟刮花等現(xiàn)象。特別是一些電阻、電容元件和數(shù)字集成芯片，由于一些學(xué)生新接觸這些電子元器件，對它們的使用方法掌握不好，很容易造成元器件引腳的彎曲、斷裂等。

通過虛擬實驗可以顯著地降低實驗室儀器設(shè)備和元器件的損壞率。學(xué)生由于在實驗課前通過虛擬實驗進(jìn)行了預(yù)習(xí)，對實驗內(nèi)容、實驗步驟有了初步體會，實驗過程中的操作具有針對性，因此各種儀器設(shè)備和元器件的損壞率大大降低[5]，從而減輕了實驗室管理員的維護(hù)工作量，節(jié)約了實驗室的維護(hù)費用。特別是有些虛擬實驗系統(tǒng)針對實驗設(shè)備的錯誤操作而設(shè)置了報警功能，可以對諸如示波器輸入過壓、電子線路短路、電源正負(fù)極接反等一些可能會造成實驗設(shè)備損壞的危險操作進(jìn)行警告。

2 結(jié)束語

在實驗教學(xué)過程中引入虛擬實驗已成為一種發(fā)展趨勢，但引入虛擬實驗并不是說可以拋棄傳統(tǒng)實驗，傳統(tǒng)實驗在提高學(xué)生實際動手操作能力上具有不可替代的優(yōu)勢，因此，必須在實驗教學(xué)改革中將虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，實現(xiàn)二者相輔相成，優(yōu)勢互補(bǔ)。

通過在我校電子類專業(yè)實驗教學(xué)中的實踐證明，基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，降低了實驗開設(shè)成本，拓展了實驗開設(shè)內(nèi)容，豐富了實驗教學(xué)手段，提高了實驗教學(xué)效果，節(jié)約了實驗室維護(hù)管理費用，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，為實驗教學(xué)改革開辟了廣闊而嶄新的空間。

參考文獻(xiàn)

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Study on Comparation Virtual Experiment with Traditional Experiment in Electronic Experimental Teaching

Yao Gaohua Zhan Xiaoying
Wuzhou University, Wuzhou, 543002, China

Abstract:Virtual experiment has some incomparable advantages than traditional experimental in experiment teaching of college professional electronics. Virtual experiments and the combination of traditional experimental has become a trend in the experimental teaching process. We discuss the application of virtual experiments in electronic experimental teaching,and compare the traditional experiment and the virtual experiments on the five aspects,such as the cost, experiment content, teaching methods, teaching effect and laboratory maintenance and management.

Key words:experiment teaching; virtual instruments; virtual experiment; traditional experiment

基金項目：廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目(編號：2015JGB381)；梧州學(xué)院教育教學(xué)改革工程立項項目(編號：Wyjg2010B003)；梧州學(xué)院教育教學(xué)改革工程項目(編號：Wyjg2015B006)。

作者簡介：姚高華，碩士，講師。詹小穎，碩士，副教授。

收稿日期：2015-09-02