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论虚拟实验平台构建的必要性
论虚拟实验平台构建的必要性
张绍荣
（桂林航天工业学院自动化系，广西桂林541004）
摘要：随着网络化和信息化的发展，传统的实验室教学已经远远不能满足要求。本文深入分析了传统实验室管理和建设存在的问题和原因，并以此提出虚拟实验平台构建的必要性，最后对虚拟实验平台构建内容提出了几点建议。
关键词：实验室；虚拟实验；平台构建
基金项目：桂林航天工业学院教改项目（项目编号：2011JB31）
作者简介：张绍荣（1987-），男，广西贵港人，硕士，助教，研究方向：智能仪器、自动测试理论与技术。
理论与实践相结合是理工科学生学习的最佳方式，而实验室是提高学生动手实践能力最主要的场所。传统实验室由于场地和课时量有限、仪器设备等资源紧缺、开放时间少等因素导致学生做实验的效果大打折扣，实践创新能力以及分析问题和解决问题的能力得不到提高[1]。随着网络化和信息化的发展，传统的实验室教学已经远远不能满足要求。
笔者在担任模拟电子技术实验的指导老师期间，对学生实验过程以及实验室的建设和管理方面存在的一些问题进行了概括和总结，并以此提出虚拟实验平台构建的必要性。虚拟实验平台的构建是传统实验教学的有效补充，通过“虚实结合”，可实现实验教学手段和教学模式的多元化[2]，拓宽学生的学习途径。
一、存在的问题
（一）学生缺乏电子认知
在开始第一节实验课时，学生不懂辨认基本的电子元件，比如电阻、电容、电感、二极管和三极管等。同时对于电容和二极管的正负极性不懂区分，三极管的管脚分配更加不会区别。另外，学生对一些常用仪器（比如信号源、示波器、万用表等）的使用更是摸不着头脑。很多学生大都是第一次使用，所以不会用、不敢用。这给实验的开展带来了很大的困难，因为学生的不懂，所以不敢动手操作，第一节课的大部分时间是在教学生识别电子元件和仪器的使用，有些学生还没开始实验就下课了，实验效果非常差。
（二）实验项目少且验证性实验居多
一个学期只开出了四个实验：二极管特性测试及应用电路、晶体管放大电路指标测试、模拟运算电路指标测试和放大电路频率特性测量，而且纯属验证性实验。《模拟电子技术》是所有电类专业的基础课程，对学生以后的专业学习非常重要。这四个实验远远不能满足对学生实践技能的培养要求，更谈不上知识综合运用和实践创新的培养。因此，通过实验来提高学生理论与实践相结合的能力、综合应用知识的能力以及分析问题和解决问题的能力就成了空谈。如何利用现有的实验室资源开设更多的实验（包括验证性实验和综合设计实验），使得学生最大程度地学到更多的知识，这是有待解决的重要问题。
（三）实验室开放时间少
随着学校的扩招，学生人数增多，而教学设备和场地没有相应的增多，师资力量不足，课时的安排也比较紧，所以实验室空余的时间开放比较少，有些学校甚至除了上课时间之外就不再对外开放，这对学生的学习是极其不负责的。就如1.1节所说的，学生由于不熟悉电子元件和仪器设备，(www.fwsir.com)可能会耽误很多时间，等熟悉操作的时候就来不及完成实验就下课了。学生如果课余时间不补做实验，就相当于没做过实验，自然也学不到相应的知识。没有做实验就没有实验数据，实验报告就胡编乱造，学生慢慢就养成了弄虚作假、投机取巧、态度不端正等行为。这对学生的专业造成了不好的影响，使他们在学习上得不到提高。
（四）仪器设备老旧缺损
学生不能按时完成实验任务，有一部分因为仪器设备太过老旧、紧缺和破损。学生对仪器本身就不熟悉，而仪器又老出现问题，导致实验无法进行。在上课时，一些学生从一个实验台换到另一个实验台，实验仪器也搬来换去，非常混乱。但是，老师也无法过多干预，因为一部分仪器确实功能不正常甚至完全不工作，如果不让学生调换，学生也只能干等着，实验无法进行。针对这种情况，学校直接对仪器设备进行更新即可解决问题，但这在短时间内是难以实现的，学校的资金投入要考虑很多其他的因素，况且有些学校资金本身就匮乏。
二、虚拟实验平台构建必要性
在批改实验报告的过程中发现：只要学生能顺利完成实验，实验数据一般准确可靠，同时理论的分析也比较清晰切合；不能完成实验的学生，数据存在明显的错误，或者干脆抄袭别人的实验数据，对理论和实验结果的分析也是模模糊糊、不着边际。为了让学生能顺利完成实验，加深对理论知识的理解，提高学生实践动手的能力，在第1节中提到的问题有待解决。
（一）虚拟实验平台是解决问题的新方法
对于学生缺乏电子认知的问题，很多高校开设有专门的电子认知课程，主要讲解基本的电子元件知识和一些常用仪器的使用，并且安排考试。这为后续的课程学习奠定了很好的基础，但是仍然占用有限的资源。虚拟实验平台的构建通过软件面板模拟真实的仪器面板，学生通过网络操作仪器能达到操作真实仪器一样的效果。另外，把电子认识的相关内容以图片、动画或者视频的方式挂靠在虚拟实验平台上，全校师生都可以随时随地查看学习，实现了师生最大的资源共享。
开设实验项目少且验证性实验居多，实验室开放时间少，仪器设备老旧缺损，其实都可以归结为：实验室资源匮乏，资金投入不够。要想减少资金投入同时达到良好的实验效果，就要想法设法实现资源的共享和重复利用率。虚拟实验平台的构建可以通过网络实现对仪器共享和远程控制，以此实现资源的共享。
（二）虚拟实验平台是传统实验教学的有效补充
如果把传统的实验教学说成是课内教育，传统实验教学就是课前教育和课外教育。通过虚拟实验平台，学生可以了解到更多关于本次实验的资料，做好课前预习；而通过动画或者视频的效果进行实验的演示是传统实验教学无法比拟的。对于不够时间完成实验的学生，课后依然可以通过虚拟实验平台进行实验，从而不受时间、地域的限制完成实验。
完善的虚拟实验平台可以实现实验预约和登陆管理、实验报告生成与上传、在线批改和打分等功能。可以针对学生在学习过程中的操作问题给予适时的提示，提示学习者注意操作错误的地方，这对贵重而精密的仪器操作尤为重要。
（三）虚拟实验平台构建是未来的趋势
文献[3]对国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的意义、指导思想、内容等做了全面阐述。文献[4]和[5]，则对虚拟仿真实验教学中心建设提出了自己的思考与建议。《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）等相关文件都对虚拟仿真实验教学提出了明确要求。因此，虚拟仿真实验教学建设是高校实验教学改革的必然发展方向。而虚拟仿真实验教学与传统实验教学虚实结合、相互补充，将切实提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容。
三、虚拟实验平台构建内容
虚拟实验平台的构建，包括单纯的虚拟仿真和虚实结合的具体实验。单纯的虚拟仿真，比如电子元件的基础知识普及和一些常用仪器设备的操作。虚实结合的具体实验涉及具体的硬件实物和软件，在开展实验前，实验室老师必须把硬件电路和相关的仪器连接好，仪器通过USB总线或者其他总线与计算机（服务器）相连。在服务器开发相应的程序软件，实现仪器可程控。用户通过网络访问服务器，即可获取仪器的相关数据，而且操作服务器的软件面板就像在本机操作一样。针对电类的基础实验课程，本文认为虚拟实验平台的构建应该包含如下内容。
（一）电子认知基本知识
以图片、动画、视频等方式帮助学生识别基本的电子元件，区分电容或二极管的正负极性、三极管的管脚分配等。介绍一些电子元件的性能参数、功能作用等各方面的知识。而一些常用的仪器操作和使用方法最好以动画或视频的方式介绍，比如信号源、示波器、万用表、交流毫伏表等仪器设备。
（二）实验材料汇总
实验的原理分析，实验的准备工作，实验过程中应该注意的问题，以及与本次实验相关的知识扩展等都可以以文件的方式提供给学生，扩展学生的知识面。
（三）实验项目
这部分是构建虚拟实验平台的主要内容，也是解决第1节中提到的问题的关键所在。实验室老师根据实验项目需要搭建硬件平台，开发相应的程序软件。除了搭建传统实验室开出的实验之外，还可以开发各种综合设计性的实验，比如波形发生器设计、滤波器的幅频特性测试等。实验平台搭建完成之后，只要系统正常工作并且网络正常，就可以安排时间对学生开放，不需要人工管理。
四、总结
本文主要分析了模拟电子技术实验教学存在的一些问题，结合目前的状况以及未来的发展趋势，论证了构建虚拟实验平台是解决问题最有效的方法。虚拟实验平台的构建是传统实验教学的有效补充，为学生的课外学习提供了极大的方便，实现了资源的共享，有利于增强学生综合设计和实践创新的能力。
参考文献：
[1]刘硕谦，田娜，刘仲华，陆英。 新形势下高校实验室的建设与管理办法初探[J].教育教学论坛，2013，（13）：10-11.
[2]杨建良。电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建[J].实验室研究与探索，2014，33（7）：101-104，280.
[3]李平，毛昌杰，徐进。开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.
[4]王卫国。虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
[5]王晓迪。虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理，2014，32（8）：9-11.
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