模擬電子電路實驗課程在線實景實驗改革與實踐

王富錚 謝海鶴 陳 軍

（莆田學院機電工程學院，福建 莆田 351100）

1 模擬電子技術實驗在線實景實驗課程改革方案背景

1.1 疫情背景促進改革

2019年年底，我國多地發生新型冠狀病毒肺炎疫情，病毒傳播途徑極為多樣，為阻斷疫情向校園蔓延，國家大力積極從源頭管控疫情傳播途徑，對于高校尤為重視，2020年1月27日，教育部通知延期開學[1]，2月12日，工業和信息化部聯合通知延期開學期間“停課不停學”有關工作[2]，2月28日，教育部黨組通知部署統籌做好教育系統新冠肺炎疫情防控和教育改革發展工作[3]。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新。

1.2 專業建設高質量發展需求

科技發展日新月異，社會對人才的需求在不斷變化，莆田學院在專業建設工科學生人才培養方案里明確指出培養和提升工科學生的實驗操作技能和實踐技能，教師在開展實驗教學必須緊緊圍繞此主題來優化教育理念。目前，莆田學院機電工程學院模擬電子電路實驗教學中，模擬電路實驗箱、信號源、示波器等實驗器材比較陳舊，行業電子產品更新換代速度快，如果高校緊跟社會企業需求變更，實驗設備經費方面面臨困難，在線實景實驗室利用虛實結合的優勢，采用項目模塊化思路，可以有效解決這個問題，因此改變傳統的教學模式，建立在線實景模擬電路教學體系，對培養創新意識和綜合實踐能力具有重要意義[4-6]。

2 基于圖形化編程的Lab VIEW的NI在線實景實驗室

計算機、網絡通信技術的發展與應用不僅改變了傳統的教學形式和內容，也改變了實驗教學的模式[7]。在線實景實驗室借助當今飛速發展的網絡技術，智能化技術，物聯網技術的優勢，基于圖形化編程語言LabVIEW，采用C/S（Client/Server）架構。將實驗儀器集中于服務器端，學生端只要一臺與服務器處在同一子網的計算機即可遠程接入實驗系統。服務器端接受學生端的實驗請求，控制實驗儀器硬件設備進行實驗，并將實驗結果返回服務器端，服務器端再通過返回實驗參數的形式將實驗結果返回到學生端，同時用攝像頭實時觀測現場實驗進展。從而實現實驗儀器和數據的共享。利用上述優勢，在模電的實驗教學中使用虛擬仿真和遠程實景實驗室，得以有效解決疫情期間實驗教學的問題，并以此促進理論與實踐的有效結合[8]。

3 模擬電子技術實驗在線實景實驗教學模式改革內容

3.1 在線實景實驗課程內容設計

傳統模擬電子電路實驗教學中，開展的實驗項目類型一般是驗證性實驗，入門基礎是實驗器材的使用，包括使用萬用表、示波器、信號源等，測試各種導線、二極管、三極管的基本特性，然后是實驗箱模塊化組成的幾大基本模擬電路實驗，包括集成穩壓器、晶體管單管放大器、集成運算放大器、負反饋放大器等。在線實景實驗課程打造的項目庫涵蓋了所有這些實驗，通過軟件和服務器集成優化了這些實驗，將線下實驗照實搬到線上，虛實結合，通過遠程登錄平臺，學生按照老師教授的方式學習體驗線上課程的特點。主要內容如表1所示。

3.2 在線實景實驗課程設計學習方式

在線下實驗課程教學中，教師根據大綱組織一堂課，先向學生介紹該次實驗的實驗原理、實驗目的、實驗方法，然后學生按照老師教授的實驗步驟有序地來完成一次實驗。線上課堂遵循這個基本的教學準則，結合線上教學的屬性，在疫情背景下滿足學生在遠端隨時、隨地、完成課程實驗，以此來制定教學方法。

第一，線上課前預習。利用學習通平臺，在相應實驗項目模塊上搭建相應課程，結合課程建立實驗課程項目庫，為此團隊充分準備了預習階段豐富的課程資源，從學生的角度出發，抓住學生初接觸對實驗室的新奇，對設備的好奇。任課教師團隊準備了素材豐富的PPT對每個實驗進行視頻錄制講解，在視頻中設置簡單基礎的問題導向。跟著問題走，按圖索驥，做到保證看完視頻的同學能夠初步掌握該節實驗原理。

第二，虛擬仿真體驗式預習。教師于服務器上搭建安裝了純虛擬仿真實驗平臺，學生登錄賬號即可進行第二步體驗式預習，這個環節，針對每個實驗，每個節點都設置了目標實驗的實驗值和相應波形情況。學生只要熟悉了基本的設備操作，都能相對應的在仿真平臺上熟練的操作。舉個實例，實驗室用示波器的型號是DS5022M雙蹤數字示波器，仿真平臺上相應的可以調出該型號的示波器，且使用方法完全一致，學生根據老師指導的使用方法，加強訓練，后期進入線下實驗，完全不會有陌生感。

第三，在線實景實驗室實際操作體驗。這一設計主要鍛煉學生實驗操作能力，在仿真實驗平臺的基礎上，學生端通過瀏覽器運行操作平臺時，進入在線實驗，系統自動分配硬件資源，實驗平臺根據用戶命令自動搭建真實的實驗電路（集成穩壓器，晶體管單管放大器，集成運算放大器、負反饋放大器），再利用基于瀏覽器的虛擬儀器（雙蹤通道示波器、函數信號源、三用表等），訓練儀器操作，實時測試各個點的波形及電信號，將測量數據通過服務器實時回傳給客戶端，學生通過瀏覽器調閱實驗課件了解實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗注意事項，上傳實驗電子報告。系統即時反饋結果，有助于輔助學生自我分析改進。

3.3 在線實景實驗課程考核

在分析研究傳統的“模擬電子電路”課程考核體系以及當前疫情嚴峻形勢下教學要求的基礎上，采用“以學生在線實景實驗操作過程體驗為主線，以實驗數據作為參照目的”的課程實踐考核思路，對學生進行考核?？己藭r對實驗原理，實驗目的、仿真測試、實驗電路制作、實驗結果等多方面的逐項驗收點評，參照分步式學習過程，設置成預習階段、仿真階段、實景操作，給定比例，按照比例給出最后的綜合成績，對每一個階段的完成給出相應的實驗項目成績，并對項目完成情況設置得分等級：A—優秀，B—良好，C—中等，D—及格，E—不及格。具體見表2。

表1 實驗項目設計內容

4 在線實景實驗課程改革教學效果分析

4.1 課程改革教學成效

在線實景實驗的一個重要特點是把實驗室搬到互聯網，最終的一個目的還是以培養學生的實踐能力為主，通過整個課程的教學回顧，主要效果有以下幾個方面：

表2 部分學生項目成績

（1）線上課程的靈活性以及系統操作的便捷性，滿足學生自由安排實驗時間，不斷鞏固實驗內容，極大地激發學生主動參與實驗的積極性，滿足學生個性化的教學要求。

（2）對課程的關注度，討論度明顯提高，后臺統計數據顯示學生觀看預習視頻的次數和回答問題的積極性較高，該部分有助于學生扎實理論基本功，從虛擬仿真及在線實景實驗平臺的訪問次數反映學生對該實驗課程的投入時間，該部分操作能有效地幫助提高學生的動手能力。

（3）課程考核成績顯著提高，過程化考核機制，避免唯分數論，提高實驗操作過程的考核分數，似乎更能激起學生主動性和求知欲，學生平均成績基本為良。相比前幾屆線下實驗平均成績為中上提高不少。

4.2 課程改革教學不足

在線實景實驗課程對于培養應用型本科高校學生的實驗技能提升有明顯的推動作用，但是對于理論基礎知識的系統性反饋還是有所欠缺，學生在實驗過程中常常暴露理論知識的嚴重不足，這方面的能力有待提高。此外，線上實景實驗實驗項目之間的關聯，項目庫的完善還有待進一步地改進。

5 結語

在線實景實驗實驗教學方法借助當下先進的硬件設備，基于圖形化編程語言，采用C/S（Client/Server）架構的軟件平臺系統，綜合了理論、仿真和實際芯片知識。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“停課不停學”的教育方針，同時為傳統實驗教學改革提供一種行之有效的方向。