基础实验教学中的虚拟电工电子实验平台设计
[摘 要] 当前很多高校基础实验教学中的实训设备、实验室利用、实验课程设置和学生对技术的要求不相符，单一的教学实验不能满足学生与时代发展的需求。基础实验教学中的虚拟电工电子实验平台是改变这一现状的重要途径，有效节省了实验教学所需的设备、设施和资金，而且在后期维修方面也非常便捷，優化了基础实验教学的数字信息，提高了高校的教学水平。从当前我国的高校虚拟电工电子实验平台现状入手，分析了存在的问题并对基础实验教学中虚拟电工电子实验平台的设计进行了探究。
[关 键 词] 基础实验教学；虚拟；电工电子实验平台
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）27-0154-02
电路、数字电子技术、高频电路、模拟这四种电子实验构成了我国各高校的电工电子基础实验，学生通过对基础电工电子实验的学习，能够掌握实验中需要用到的仪器和实验方式及各种实验技术要领，以拥有自主进行实验的技能。同时对课程中用到和学到的理论知识有一个很好的巩固和验证。
一、我国当前电工电子实验平台存在的问题
随着计算机信息技术的发展，用于构建虚拟电工电子实验平台的技术也得到了一定发展，例如在电工电子实验平台中用到的EDA技术得到了很大的重视，Multisim等工具也在电工电子教学中获得了广泛的利用。但是，新技术的发展并没有完全改变当前基础实验的教学模式，传统的电工电子实验平台阻碍了新技术和平台的应用，并与当前我国各高校不断扩招的情况不适应，不仅不能满足高校在教学资源方面日益增加的需求，也不能满足社会用人方面对能力不断提高的要求。经过分析发现了以下存在的主要问题。
（一）学生缺乏实际的操作
在传统的基础实验教学中，时间和地点制约了教学实验的有效进行，学生不能通过实验室进行操作和练习，只能看教材中的理论知识和原理，而教材中实验理论较抽象难懂，学生没有通过实际的练习去验证实验原理，就很难理解抽象的理论和实验原理及步骤，加大了实际基础实验教学中的教学难度。实验课堂上学生因为没有提前进行过练习，对实验步骤和使用的仪器等较生疏，很容易出现差错，不仅加大了教师的教学量，还占用了大量的课堂时间，让学生无法在有限的时间里掌握应该掌握的知识和技能，出现学生在课程完结后仍然处于迷茫的状态或者课程未教授完的现象。
（二）缺乏灵活的实验教学
大多数高校的基础实验教学中使用的是实验箱这种教学方式，这种方式固定了实验的内容和项目，使学生的实验操作陷入了固定不变按照要求进行测试、连线的被动状态。实验的项目和内容严格按照教师要求进行，不能选择自己喜欢的实验项目和内容，很大程度上限制了学生思维的发展和创新。
（三）学生缺乏对仪器的熟悉和了解
传统的实验教学中受实验时间和地点以及仪器数量的限制，学生对实验仪器的使用和了解大多通过教师的讲解和示范而获得。因而，学生对电工电子实验中用到的仪器设备等没有很好的了解，更无法达到熟悉的要求，在实验操作中往往会因为仪器设备的不熟悉而出现各种失误和问题。
在基础实验教学中构建虚拟的电工电子实验平台能够有效地改变当前存在的问题，不再受限于时间和空间的限制，提高学生的实验兴趣和水平，促进学生思维的发散和创新。
二、虚拟电工电子实验平台的设计
（一）虚拟电工电子实验平台的组成部分
电工电子虚拟实验系统和虚拟仪器仪表系统构成了虚拟电工电子实验平台。
1.电工电子虚拟实验系统
电工电子虚拟实验系统是虚拟电工电子实验平台的关键因素，主要由虚拟电路、虚拟数字、虚拟模拟和虚拟高频这四种电路系统组成。电工电子虚拟实验系统具有指导实验操作的作用，包含了对实验内容、步骤、原理等的查阅和分析，且具有一定的仿真性，对学生的预习效果有很大的改善作用。电工电子虚拟实验系统的界面比较容易操作和学习，具体的操作流程为“选择实验课程—选择实验项目—查看实验原理、步骤—进入仿真电路界面—用万用表测量观察测试点的电压、电流，用示波器观察测试点的波形—分析电路的工作特性”。通过该流程的操作能够对教材中的实验原理进行验证，而且学生可以根据自己喜欢的实验项目和内容对电路的参数进行修改，以观察电路所具有的特征。
2.虚拟仪器仪表学习系统
学生对实验中需要用到的仪器的练习可以通过虚拟仪器仪表学习系统而进行，主要是对示波器、发生器等常用仪表仪器的了解和练习。
（二）构建虚拟电工电子实验平台的方法
1.实现电工电子虚拟实验系统的方法
电工电子虚拟实验系统的实现和开发要对实验界面、原理、步骤等方面进行加工，以及设计制作实验的表格和电路的仿真，依据的软件是Multisim和VB。
Multisim软件具有能够模拟实验效果的特点，能够对实验电路的创建带来很大的便利，还能仿真分析电路的性能，且元器件库内容充足，包含了无源和有源器件、模式和数字器件等多种器件。而且还拥有种类丰富的仪表仪器，有万用表、直流电源等较通用的仪器，还包括了实际实验室少见的仪器，例如数字信号发生器等，这些仪器可以对实验效果进行直观的演示。
VB的图形界面的编程能力非常强大，主要在实验界面的制作中用到。
2.如何构建虚拟电工电子实验平台
虚拟仪器仪表系统的开发主要基于的是Labview，一种实验室虚拟仪器集成环境的总和，由美国国家仪器公司所开发，其强大的功能使其在当前的虚拟仪器中用于最快的发展速度和最广的使用范围。Labview界面中创建出的虚拟实验仪表仪器和实际的仪表仪器在功能等各方面都非常相似。
电工电子基础实验仪器中常用的器材是示波器和信号发生器，虽然不同的发生器和示波器拥有不同的面板和功能，但是这些面板和功能在大体上是相似的，因此主要功能的实现是开发中最主要的问题。例如，参考了SS-7802示波器开发的虚拟示波器，功能的实现主要包含学生实验用到的波形水平、垂直和触发控制的考虑。
（三）Web在电工电子虚拟实验中的实现方法
虚拟实验得以实现和应用的关键在于网络，实现虚拟实验的重要模式在于以Web为基础的浏覽器。
Web的接入服务、实验环境的开放、动态的网页都是Web主要提供的。客户端机安装的软件主要有Labview、Multisim这种专业的软件，当然还包括一些其他的专业软件，这些软件主要是为了客户端浏览器和操作系统的安装。
三、基础实验教学中如何应用虚拟电工电子实验平台
设计和开发虚拟电工电子实验平台的主要目的在于为学生提供一个实际操作前进行练习的平台，基础实验的整体教学模式是先预习再实训。学生在进入实际的实验室之前，要先在虚拟电工电子实验平台上进行练习，再进行实际的操作。
（一）虚拟仪表仪器学习系统
学生可以在电脑上自主使用虚拟仪表仪器学习系统进行仪表仪器的了解和练习。该系统丰富的元器件库为学生提供了充足的器件，如信号发生器和示波器，学生通过元器件库提供的器件分析仪表仪器的原理和结构，也可以练习如何使用相关仪表仪器。在进入实验室以后能够快速上手，减少失误，减轻教师的教学量，在有限的时间内获得最多的知识和最好的实验效果。学生对Labview这些虚拟软件的应用和了解，能够为学生在将来的工作中提供很大的便利。
（二）电子虚拟实验系统
实验箱和虚拟实验进行的电压和电流测试是形似的。二者对于电压和电流的测试分析都只能看到电路符号，实现方法也都是连接线的改变，在测试点上连接示波器和万用表。电工电子虚拟实验系统建立的实验教学模式是“先仿真再实训”，能够使实验效果和效率得到很大的提高。基础实验具有很强的科学性和操作性，在于提高学生的实验水平和技能，因此在实验中，学生可以根据自己的兴趣选择喜欢的实验项目和内容进行大胆的实验，使思维活跃起来，激发思维的发散性和思维的创造性，随意进行电路的改变，并认真观察和总结，从而提高学生实验的操作兴趣和思维发散能力。
既然是用于教学中，那么教师的教学也要充分利用虚拟电工电子实验平台，在实际实验前通过该平台讲解原理，展示仿真操作，方便学生的学习和理解。
基础实验教学中虚拟电工电子实验平台的设计和开发，是学生拥有预习平台的前提保障，能够减少实际实验中操作的失误，提高教学效率。但是，虚拟实验电工电子实验平台并不具有实际实验的全部特点，主要的操作还要依据实际实验而获得，因此基础实验教学中要对虚拟电工电子实验平台有正确的认识并能合理使用，以提高学生的实验水平和技能，促进基础实验教学的良好发展。
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