吳 平， 閆正兵， 陳小林， 蔣小洛， 吳澤平

（溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，浙江溫州325035）

0 引 言

電子電氣類工科專業(yè)學(xué)生不僅需要掌握專業(yè)理論知識(shí)，更要會(huì)用專業(yè)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，即工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)的培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力［1-4］。專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和能力培養(yǎng)尤為重要，傳統(tǒng)的電子電氣基礎(chǔ)專業(yè)課程（如電路分析、模擬電路、數(shù)字電路）實(shí)驗(yàn)大多是采用分立器件搭建或在綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，基于分立器件的實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以對(duì)實(shí)際元器件有直觀的了解和認(rèn)識(shí)，符合實(shí)際工程情況，測(cè)試和調(diào)換比較方便，但集成度低，實(shí)驗(yàn)時(shí)受器件種類限制；基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性高，但隱藏了元器件之間的連接關(guān)系，不直觀，不方便擴(kuò)展［5-6］。這二種實(shí)驗(yàn)方式一般都需要到固定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，受時(shí)間、地點(diǎn)限制較多。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和EDA軟件的發(fā)展，很多實(shí)驗(yàn)可以在軟件支持下進(jìn)行仿真和通過(guò)虛擬儀器測(cè)試、分析，不受時(shí)間、空間和器件種類的限制，但缺少對(duì)實(shí)際元器件的認(rèn)知，與實(shí)際電路也存在差異。以上3種實(shí)驗(yàn)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都不方便對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)掌控，不利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理，也不方便了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告也容易出現(xiàn)雷同，不方便考核［7-10］。鑒于以上情況，運(yùn)用雨課堂、雷實(shí)驗(yàn)和便攜硬件建立了一種新的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以完成搭建實(shí)際器件電路、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳等功能。

1 智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由雨課堂智慧教學(xué)工具、雷實(shí)驗(yàn)軟件、A＋D Lab便攜式硬件構(gòu)成。

1.1 雨課堂智慧教學(xué)工具

雨課堂由學(xué)堂在線于2016年4月推出，它科學(xué)地將教學(xué)PPT和日常交流工具“微信”結(jié)合，通過(guò)雨課堂教師可以將視頻、習(xí)題、學(xué)習(xí)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)任務(wù)等推送到學(xué)生手機(jī)微信；教師可以通過(guò)手機(jī)微信或電腦雨課堂網(wǎng)站，實(shí)時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、在線考核，覆蓋課前-課上-課后的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，為師生提供完整的立體數(shù)據(jù)支持、個(gè)性化報(bào)表、自動(dòng)任務(wù)提醒等，讓教與學(xué)更加方便互動(dòng)交流和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)習(xí)效率十分有效［11-13］。

1.2 雷實(shí)驗(yàn)管理軟件

雷實(shí)驗(yàn)（Lab of Electronics Intelligence）是“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”在實(shí)踐課程教學(xué)中的創(chuàng)新性工具軟件，該軟件發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新和學(xué)習(xí)行為互動(dòng)，兼顧課堂監(jiān)督、任務(wù)部署和設(shè)備管理等功能，如圖1所示。

圖1 雷實(shí)驗(yàn)管理軟件

雷實(shí)驗(yàn)依托微信平臺(tái)，通過(guò)掃碼登錄，包含教師管理、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、硬件激活和系統(tǒng)訓(xùn)練等入口。其中，教師實(shí)驗(yàn)管理入口包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度查詢、實(shí)驗(yàn)課程資源、學(xué)生數(shù)據(jù)分析和設(shè)備資源管理；學(xué)生實(shí)驗(yàn)入口包含實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)仿真、搭建實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯和報(bào)告整理。

1.3 便攜式實(shí)驗(yàn)硬件

實(shí)驗(yàn)硬件全稱為“A＋D Lab理工實(shí)驗(yàn)室”，如圖2所示，可以輸出5 V和12 V直流電源，有2路模擬輸入／輸出、8路數(shù)字輸入／輸出；包含示波器、信號(hào)源、邏輯分析儀、程控電源、網(wǎng)絡(luò)分析儀和萬(wàn)用表等虛擬儀器。支持電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)、通信原理等課程實(shí)驗(yàn)（通過(guò)更換模塊和實(shí)驗(yàn)器件實(shí)現(xiàn)）；可擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)相關(guān)板卡，支持70多種相關(guān)Pmod傳感器。

圖2 A＋D Lab便攜式硬件

2 智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行

該系統(tǒng)采用線上線下相結(jié)合的新型教學(xué)模式，教師首先通過(guò)微信在雨課堂建立課程和班級(jí)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)任務(wù)并通過(guò)雷實(shí)驗(yàn)軟件推送給學(xué)生，學(xué)生在手機(jī)微信上收到實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，可隨時(shí)隨地啟動(dòng)電腦端雷實(shí)驗(yàn)主程序，微信登陸并通過(guò)USB將雷實(shí)驗(yàn)軟件與A＋D Lab硬件平臺(tái)互聯(lián)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；此時(shí)教師可以實(shí)時(shí)收到班級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息和狀態(tài)，并可以隨時(shí)通過(guò)微信雨課堂了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展；學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)首先用內(nèi)置的仿真軟件（TINA或Multisim）進(jìn)行電路仿真、搭建實(shí)際電路、用虛擬儀器測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果、保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，期間需要多角度拍照電路、截圖仿真結(jié)果、測(cè)量數(shù)據(jù)，最終與學(xué)生撰寫的數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)體會(huì)、總結(jié)一起由系統(tǒng)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上傳；教師收到實(shí)驗(yàn)報(bào)告后可在手機(jī)或電腦端進(jìn)行批閱、評(píng)分、反饋結(jié)果，學(xué)生可以在手機(jī)端實(shí)時(shí)收到實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)：教師可以不受空間和時(shí)間限制隨時(shí)準(zhǔn)確掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，準(zhǔn)確評(píng)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果；A＋D Lab硬件B5紙大小，方便攜帶和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并可以在實(shí)驗(yàn)中間歇保存至云端；雷實(shí)驗(yàn)學(xué)生通過(guò)個(gè)人微信登陸且每個(gè)A＋D Lab硬件擁有獨(dú)立的序列號(hào)，學(xué)生上傳的數(shù)據(jù)和圖像與其使用硬件平臺(tái)的序列號(hào)相對(duì)應(yīng)，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性；課程教學(xué)期間，A＋D Lab硬件由學(xué)生保管，可以隨時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)；在雨課堂討論區(qū)，師生可以就實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行討論、發(fā)表看法，提高實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生解決問(wèn)題的能力；教師可通過(guò)雨課堂將課程的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)過(guò)程考試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等集成為一體，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)案例

本智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已于2018年春季學(xué)期在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生“電路分析”課程實(shí)際運(yùn)行，至今已經(jīng)運(yùn)行了2屆學(xué)生4個(gè)班級(jí)，獲得了學(xué)生的支持和好評(píng)。

“電路分析”是電子電氣類專業(yè)的第一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程學(xué)習(xí)的效果直接影響學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣和后續(xù)課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持“電路分析”的驗(yàn)證基爾霍夫定律、戴維南／諾頓定理、疊加定理、一階RC電路的響應(yīng)、濾波器的研究與設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。下面以驗(yàn)證疊加定理為例介紹實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程。

教師首先在雷實(shí)驗(yàn)管理軟件上微信掃碼登陸，選擇教師管理入口，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理模塊里選擇雨課堂上已經(jīng)建立的課程和班級(jí)，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目欄新建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)定實(shí)驗(yàn)題目、目的、內(nèi)容、要求、同組人數(shù)等，選擇需要添加的文本文件、實(shí)驗(yàn)提示和實(shí)驗(yàn)截止時(shí)間后進(jìn)行發(fā)布，如圖3所示。

圖3 教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理

教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，學(xué)生微信上立即會(huì)收到任務(wù)提示，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)截止時(shí)間前隨時(shí)隨地在電腦端打開(kāi)雷實(shí)驗(yàn)軟件，微信掃碼登陸，并連接A＋D Lab硬件，進(jìn)行仿真和硬件電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況會(huì)在雨課堂上及時(shí)反饋給教師，如圖4所示。

圖4 通過(guò)雨課堂教師實(shí)時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要首先對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真，并截圖保存原理圖和仿真結(jié)果；然后進(jìn)行硬件電路連接，并用虛擬儀器測(cè)量，對(duì)硬件電路多角度拍照上傳，截圖電路測(cè)量結(jié)果，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

大學(xué)實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，“雨課堂與雷實(shí)驗(yàn)”智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將學(xué)生從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中解放出來(lái)，將老師從固化的教學(xué)環(huán)節(jié)中解救出來(lái)，與傳統(tǒng)授課相比教學(xué)優(yōu)勢(shì)非常突出，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行驗(yàn)證性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，大大激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)欲望，強(qiáng)化了學(xué)生創(chuàng)新和行為互動(dòng)。這種線上線下結(jié)合非常緊密的新型教學(xué)模式，順應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的潮流，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念［14-16］，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的不斷深入，更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以通過(guò)“雨課堂＋雷實(shí)驗(yàn)”完成，進(jìn)一步推進(jìn)課堂教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革，提升課堂教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)。

圖5 學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告