聶文艷，封居強，韓 芳

（淮南師范學院機械與電氣工程學院，安徽 淮南 232038）

自2019年12月全球爆發(fā)新型冠狀病毒肺炎以來，我國也多地陸續(xù)發(fā)生新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情[1]。為阻斷疫情向校園蔓延，確保師生生命安全和身體健康，1月27日教育部通知延期開學[2]，2月12日工業(yè)和信息化部聯(lián)合通知延期開學期間“停課不停學”有關工作[3]，2月28日教育部黨組通知部署統(tǒng)籌做好教育系統(tǒng)新冠肺炎疫情防控和教育改革發(fā)展工作[4]。高校要結合本校實際情況，在延期開學期間高度重視、認真做好“停課不停教、停課不停學”工作，制定在線教學方案，開展教學內容改革和教學模式與方法創(chuàng)新。

在此背景下，教師借助各式各類的網絡教學平臺執(zhí)行教學任務，比如中國大學慕課、雨課堂、超星學習通等。為實現(xiàn)大規(guī)模人群的在線直播，出現(xiàn)了騰訊課堂、超星直播、釘釘直播等。但以上的教學平臺只能滿足遠程理論知識的教學，無法開展依托硬件實驗設備的實踐教學。目前理工科實驗教學能否實現(xiàn)遠程教學，已成為各大高校實驗設備處亟待解決的問題。本文基于現(xiàn)有ELVISⅢ設備，根據實驗對象虛實相結合的特點，通過遠程操作系統(tǒng)將實驗設備共享和復制權交給學生。學生借用 Multisim Live系統(tǒng)完成理論仿真研究，并通過Measurement Live系統(tǒng)完成遠程實驗操作，將仿真數據與實驗數據進行對比分析。另借用遠程教學及實驗一體化平臺實現(xiàn)實驗預約、實驗操作、實驗報告提交等過程管理。

1 理工科實驗教學的現(xiàn)狀及思考

高校理工科實踐教學是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，尤其在以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實際工作能力的應用型本科高校，每年花費上百萬的經費采購實驗教學設備，組建適應新形勢下的實驗室，以保障人才培養(yǎng)的質量。目前實驗教學主要采取傳統(tǒng)的教學和虛擬實驗教學兩種方式。

傳統(tǒng)的實驗教學方式是在限定的時間、空間和已有設備的基礎上，按照實驗課程設計要求依次開展。該方式是各大高校常規(guī)采取的教學模式，教師依據實驗指導書詳細地面授實驗內容，并進行操作示范。該方式簡明、清晰，有助于學生短時間內形成知識結構和體系，有利于教師對整個教學過程的管控。但受客觀教學環(huán)境影響較大，尤其是在疫情期間延期開學的背景下難以開展實施。

虛擬實驗教學是近年來發(fā)展起來的，一種借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等在計算機上營造可輔助或部分取代傳統(tǒng)實驗操作環(huán)節(jié)的相關軟硬件操作實驗教學。各大高校的教學人員都嘗試構建多功能的虛擬仿真實驗室，并為此不斷研究。徐梅[5]提出一種基于“分層+MOOC/SPOC”的大學公共計算機課程教學實踐體系，提高計算機基礎課教學質量。李曉東[6]等根據電路分析基礎實驗課的特點提出混合式教學模式，將線下課堂教學和線上網絡教學有機融合，通過虛擬網絡平臺對教學過程進行管控和測評，但未對實驗完成虛擬化改革。楊文榮[7]等基于雨課堂的雷實驗教學系統(tǒng)提出A+Dlab智慧實驗教學，學生必須依托該設備和實驗系統(tǒng)完成電路實驗。劉大勇[8]基于LabVIEW的抽象化模擬電路實驗教學，采用軟件平臺完全代替硬件設備，通過程序設計完成實驗設計，但未能有效地鍛煉學生的動手能力。封居強[9]運用LabVIEW編程軟件和Multisim仿真軟件搭建傳感器技術及應用虛擬仿真教學平臺，通過Multisim電路設計分析，調用自定義LabVIEW虛擬儀器完成數據的獲取和分析，完成虛擬仿真實驗。朱海[10]利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、網絡通訊技術構建了師范類心理學專業(yè)虛擬實踐教學體系，并設計了學生心理輔導虛擬訓練方案。以上的研究解決了傳統(tǒng)實驗方式受空間、時間的限制，但實質上仍是理論教學形式的延伸。在不依托設備的前提下，學生借用互聯(lián)網或離線的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，通過參數的配置，觀看實驗變化情況，缺乏一定的自主操作、自主實踐和自主創(chuàng)新。

2 遠程實驗探索

2.1 遠程實驗室的總體設計

虛擬儀器技術是一種集成了高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用技術。由于能夠方便地提供全方位的系統(tǒng)集成、滿足對同步和定時應用的需求，同時靈活高效創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，成為遠程虛擬實驗室的首選。實驗室平臺硬件部分主要采用美國國家儀器公司的ELVISⅢ和攝像頭，基于網絡實現(xiàn)共享；軟件主要采用Web在線的Multisim Live和Measurement Live。虛實結合遠程實驗室架構如圖1所示。

圖1 虛實結合遠程實驗架構圖

系統(tǒng)構架主要通過以下幾部分完成工作。

（1）NI ELVIS是一個融合了先進工業(yè)技術和領先教育理念的多學科實驗平臺，集成了多合一儀器、可編程I/O測量、嵌入式設計，以及互聯(lián)網遠程教學技術[11]。最新一代的ELVISⅢ，是該平臺的主要硬件，在服務于工程基礎和綜合系統(tǒng)設計教學的基礎上，重點加強了教學前瞻性技術和互聯(lián)網接入方面的特點。提供問題分析-設計-開發(fā)解決方案-項目化實驗設計資源共享等功能。

（2）Measurement Live是ELVISⅢ配套的Web在線上位機軟件，一種不依賴于操作系統(tǒng)、完全交互式的在線電路仿真環(huán)境、免安裝驅動、直接通過Web瀏覽器操作的軟件，為ELVISⅢ硬件提供示波器、信號發(fā)生器、萬用表等12種儀器操作面板。該Web界面觀測的數據源于硬件設備，是硬件設備測量的真實數據。

（3）Multisim Live是在線版的Multisim軟件。運行框架結構與Measurement Live相同，主要完成遠程電路原理仿真分析。該 Web界面觀測的數據源于電路原理圖仿真，該數據與Measurement Live產生的數據進行對比分析，能夠讓同學們更好地掌握電子元器件理論與實際區(qū)別和聯(lián)系。

（4）攝像頭主要為學生提供一種實時操作的界面，讓學生感覺如在現(xiàn)場。同時根據該界面觀測電路線路鏈接正確與否，遠程指揮教師調整電路的連接方式，以實現(xiàn)實驗操作。

2.2 實驗設計內容與開發(fā)

眾所周知，模擬電子技術課程是自動化、電子電氣類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程，具有很強的綜合性、技術性和實用性，理論與實踐并重，是工科學生進入工程領域的第一門課程，也是聯(lián)系公共基礎課程與專業(yè)課程的一座重要橋梁。模擬電子技術實驗是該課程配套的實踐教學環(huán)節(jié)，通過實驗訓練，學生能夠加深對所學理論知識的理解，掌握常用電子儀器的使用方法，并進一步培養(yǎng)學生對電子電路的實驗研究能力和正確使用能力[12]。本文依托傳感器與檢測技術實驗室的ELVISⅢ設備，基于遠程教學及實驗一體化平臺實現(xiàn)模擬電子技術實驗項目，主要內容如表1所示。

表1 實驗項目設計內容

遠程教學及實驗一體化平臺為封閉式系統(tǒng)，多個高校已申請注冊。教師通過B.lab.video網址創(chuàng)建實驗，線下調試硬件設備，Multisim Live在線原理圖仿真分析，完成數據分析后發(fā)布實驗任務，具體流程圖如圖2所示。學生通過lab.video網址登錄遠程實驗平臺，根據操作碼預約實驗，分析監(jiān)控下的電路原理，與Multisim Live在線分析結果比較完成實驗報告，具體流程圖如圖3所示。

圖2 教師端操作流程

圖3 學生端操作流程

3 典型實驗示范

集成運算放大器是一種線性集成電子元器件，一種高增益的直接耦合多級放大電路。當外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數關系。在線性應用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數等模擬運算電路。因此本文以集成運算放大器UA741為實驗分析對象，通過實驗操作和結果分析，學生能夠加深對集成運放電路工作原理的理解，達到理論與實踐相統(tǒng)一的教學目的。

3.1 UA741原理分析

UA741是高增益運算放大器，主要用于工業(yè)和商業(yè)等電子產品中。與其他半導體元器件相同，提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。該芯片共有8個引腳，1和5為偏置（調零端），2為正向輸入端，3為反向輸入端，4為接地端，6為輸出端，7為電源端，8為空腳。UA741在仿真模擬理想狀態(tài)下線性應用時的兩個重要特點：

（1）輸出電壓UO與輸入電壓之間滿足關系式

由于 Aod=∞，而 UO為有限值，因此，U+-U-≈0。即 U+≈U-，稱為“虛短”。

（2）由于ri=∞，故流進運放兩個輸入端的電流可視為零，即I+=I-≈0，稱為“虛斷”。這說明運放對其前級索取的電流極小。

上述兩個特性是分析理想運放應用電路的基本原則，可簡化運放電路的計算。

3.2 Multisim Live在線仿真

以UA741設計正向比例運算為例，在Multisim Live上搭建原理圖，根據分析要求在輸入電壓和輸出電壓處設置觀測點。通過仿真實驗，分析觀測點數據研究UA741的工作特性，原理圖與運行結果如圖4所示。

圖4 UA741仿真圖及運行結果

圖4中左側為原理圖，中間為仿真結果，右側為參數設置面板。實驗過程中，通過Item可靈活地設置元器件參數，通過Document實現(xiàn)Interactive、Transient、AC Sweep和DC Operating point不同分析方法。

3.3 遠程教學及實驗一體化平臺應用

借用遠程教學及實驗一體化平臺教學，便于教師對實驗項目管理，同時可實現(xiàn)在線教學情況的管理和交流。學生通過Web便可以完成實驗操作，免安裝任何軟件，同時能夠實時遠程訪問硬件設備?；贓LVISⅢ遠程模擬電子技術電路實驗說明界面如圖5所示。

圖5 基于ELVIS遠程模擬電子技術電路實驗

為提高設備的利用率，遠程操作時間為全天候。為防止遠程操作實驗沖突，設計了遠程操作預約機制。學生必須持有教師發(fā)放的操作碼預約實驗，必須在規(guī)定的預約時間內完成實驗?；诩蛇\算放大器件UA741的工作特性實驗界面如圖6所示。教師根據實驗指導書要求完成硬件線路連接，設置相關參數，獲得運行界面圖如圖7所示。從圖6可知，學生在預約實驗前需學習理論相關知識，能夠實現(xiàn)理論教學和實踐教學的統(tǒng)一。學生在完成實驗后，必須在該平臺上遠程提交實驗報告。

圖6 UA741的工作特性實驗界面

圖7 線路連接及運行圖

3.4 實驗分析

根據實驗指導書要求設置電路的輸入，參數主要為正弦波、1KHz頻率、2V峰峰值。設置Stream data to Measurements live參數將仿真輸入和輸出數據導入到ELVISⅢ上位機軟件界面內。監(jiān)測對比分析仿真數據和實驗數據如表2所示，運行波形圖界面如圖8所示。

表2 仿真數據與實驗數據對比表

圖8 運行結果界面

根據表2可知，Ch1通道為實際輸出，Ch2通道為實際輸入，Ref1通道為仿真輸出，Ref2通道為仿真輸入。Voltsp-p表示峰峰值，根據UA741的工作原理圖可知，輸入為2V時輸出應為20V，正向放大10倍；仿真實際輸入為1.997v，輸出為21.95v，放大約為10.99倍；信號發(fā)生器實際輸入2.056v，測得輸出為22.53v，放大約為10.956倍。VRMS表示測試點的有效值，仿真結果放大約為10.99倍；實際放大約為11.25倍。

根據圖8可知，理論輸入相同的時候，仿真輸入、輸出結果和實際輸入、輸出結果存在不同。仿真輸入與實際輸入相差不大，經過大約10倍的放大輸出變化相對較大，如放大圖所示。綜上可得，該實驗的理論與實踐（仿真、實驗）都存在一定的差異。受到仿真輸入和仿真元器件的影響，仿真過程產生的系統(tǒng)誤差相對較小且較穩(wěn)定；受到實際輸入信號、電阻誤差、芯片輸出誤差以及線路損耗等影響，在實際運放電路中產生的系統(tǒng)誤差和隨機誤差相對較大且隨機變化。

4 結束語

虛擬結合的遠程實時實驗教學方法借助先進的硬件設備和Web架構的軟件系統(tǒng)，綜合了理論、仿真和實際芯片知識。以虛擬儀器為基本思想，硬件設備通過Web虛擬面板遠程操作，實現(xiàn)實驗對象復用和共享。通過對實驗線路的分析和參數的設定，能夠鍛煉學生實際操作能力。通過對實驗結果的分析，能夠加深學生理論知識的理解，并進一步升華?？傊?，在疫情期間，由于受課時、儀器設備、教學場地、教學資源和遠程教學的影響，通過虛實結合的遠程實時實驗教學方法能夠實現(xiàn)“停課不停學”的教育方針，同時為傳統(tǒng)實驗教學改革提供一種方法。