虚实结合的远程实验开展方式的探索
——以数字电子时钟设计为例

张辉，樊亚妮

（广东第二师范学院 物理与信息工程学院，广东 广州）

一 课题背景与目的

自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，教育部发布通知延期开学，工业和信息化部联合发文通知“停课不停学”，各大高校结合本校实际情况纷纷制定在线教学方案，开展教学内容改革与教学方法创新[1]。

在此背景下，基于腾讯课堂、超星学习通、雨课堂、钉钉等在线平台[2]，高校教师开展了丰富多样的在线课程教育。这些创新式的教学模式在理论课讲授上起到了积极的意义，与传统线下授课比较，也能达到同等效果。但对于工科大量的配套课程实验，以上提及的各种在线课堂模式显得力不能及。部分课程改用仿真代替真实硬件实验，用mulitisim或proteus等软件完成电路、模拟电路、数字电路、单片机等课程的实验。该方式的优点是方便简单，只需有一台电脑，安装仿真软件即拥有一个仿真实验室，可完成各种仿真实验，计算数据形成实验报告。缺点是缺乏直观性，对于工科学生动手能力的培养非常匮乏，学生无法触摸到真实的元器件，不需要插线、连线、排错，缺少实验真实性，不利于工科人才全方面能力的培养。对于部分必须使用到硬件器材的实验，例如手工焊接收音机、手工制作PCB板、金工实习等课程，只能往后推迟。打乱了既定的人才培养方案的正常执行，不利于学生的学习和成长。

虚拟仿真实验一直是工科实验的有效补充方式，在电子技术专业比较著名的有美国NI公司的mulitisim、英国Labcenter公司的Proteus、北京大风天利科技有限公司的仿真软件涉及能源、军事、科研等各个方面。教育部一流本科课程建设，也于2019年确立了首批国家级虚拟仿真实验教学课程一流名单。在日常的教学中，任课教师在课堂内使用仿真软件进行教学，简单、生动且直观，能有效提高教学质量。虚拟仿真实验解决了传统实验的时间空间受限的问题，本质上是传统理论教学的延伸，把在实验室进行的真实实验借助软件搬迁到计算机上完成，用数学模型构建的硬件模型代替真实的电路元器件，通过修改参数，搭建虚拟电路获得实验计算输出数据。虚拟仿真缺乏硬件的实际特性。例如模拟电路的运算放大电路，使用Mulitisim的LM358DR模块，缺少芯片固有温漂参数值，学生无需对温漂导致的影响进行抑制。又如数字电路的组合逻辑电路，由于使用理想化数学模型，不存在竞争与冒险，学生不会对竞争与冒险带来的负面后果进行防范，失去一次理论与实践相结合的机会。

二 远程虚拟实验的开展和探索

（一） 解决方案的提出

工科实验要点是“虚实结合”，虚指的是虚拟仿真，如电路、模拟电路、数字电路常用的Multisim，微机原理和单片机课程常用的Proteus，其共同的特点是用计算机仿真代替硬件设备，软件中包含丰富的元件库和仪器库可供使用，通过算法得到输出的负载响应，自动忽略实际电路中的微弱影响，如温漂、零漂、竞争与冒险。实指的是真实的硬件实验器材。在实验室做物理实验，要考虑到本地的重力加速度值、空气阻力、接触电阻、空气湿度等环境因素对实验结果造成的影响。虚拟仿真实验不考虑微小因素带来的影响，学生对实验影响因素考虑不够全面，不利于精益求精的工匠精神培养。

与理论研究型高校不同，应用型地方本科院校更倾向于培养具有一定动手能力，能进行实际操作的应用型本科专业人才。工科实验的教学改革不仅仅是实验场地的迁移，还要调动起每年投入数十到几百万经费购入的实验器材，让学生能接触到真实的实验器材，有机会对实验中发生的各种情况做探究。鉴于疫情仍可能长期存在，居家上课的模式还会时有发生，学生的实验不能停，也不应完全用仿真代替，既要兼顾线上与线下，也要兼顾虚实，让学生有机会接触到真实的实验器材。远程虚拟硬件实验是一个很好的解决方案。

（二） 远程虚拟实验平台的搭建与测试

本文用数字电路的数字电子时钟设计为例，探讨基于NI Elvis III的远程虚拟实验的实现方法。这套实验系统包括一台安装有LabVIEW的计算机和NI Elvis III 的工作平台。NI Elvis III是美国国家仪器公司生产的第三代虚拟仪器实验平台，相比第二代产品，第三代的Elvis支持通过互联网进行远程实验操作[3-4]。不管学生身处何方，无论距离远近，只要能连上互联网，就能通过web端的Measurements Live访问ElivsIII实验平台，调用平台提供的虚拟仿真仪器，对平台的硬件电路进行操控和测量。电路的信号源是Elvis III提供的真实信号，包括交直流电压源、交直流电流源以及信号发生器[5-7]。实验平台提供了面包板作为电路的搭建平台，学生需要先在面包板上搭建好设计的电路，接好输入信号源和输出测试设备。由于测量的是真实硬件电路，前文所提到的温漂、零漂、竞争与冒险等情况都有可能会出现，对最终的测试数据都会造成影响。当最终数据与理想数据有出入时，教师应引导学生去反思出现该种情况的原因，应如何解决。由此提高学生分析问题和解决问题的能力，效果要比单纯的计算机仿真好得多。

基于Elvis III的数字时钟电路设计具体实验方案描述如下。

首先将Elvis III实验平台和计算机用USB线连接并启动平台电源，将原型板推入安装支架和插槽，在原型板上搭建实验硬件电路，如图1所示是秒电路及其硬件电路。实验电路主要分为三个部分：施密特触发器构成的整形电路，二十四进制和六十进制的时分秒电路，闹铃电路。启动Measurements Live文 件， 打 开 https://measurementslive.ni.com/。点 击 Instruments » Function and Arbitrary Waveform Generator，打开函数发生器软面板。在instruments菜单中可以对函数发生器、示波器、万用表等测试仪器进行设置[8-10]。

图1 秒60进制电路图及其原型板硬件模块的实现

其次进行网络配置，让Elvis III连上互联网，学生可任何能够上网的地方远程操作。用网线将Elvis III连接至带有“公网网络”的路由或网口，检查Elvis III小显示屏中是否出现ID号，如出现ID号则说明已成功联网，联网界面如图2所示。

图2 Elvis III小显示屏显示的联网ID号

最 后 打 开“Measurements Live”， 点 击＞＞Measure＞＞选择Network＞＞输入屏幕显示的ID号＞＞点击连接，连接成功后就可以实现远程仪器的访问使用。

在本实验中，使用施密特触发器的整形功能，把正弦波整形为方波，作为数字时钟电路的时钟 脉 冲。点 击 Instruments » Function and Arbitrary Waveform Generator，打开函数发生器，设置正弦波的频率和振幅，在原型版用示波器采集响应信号，可在网页界面看到真实硬件电路产生的整形后波形，如图3所示。由于是真实硬件电路整形出来的波，如有毛刺，也能通过示波器观察到，学生需进一步思考，如何去除毛刺，这是单纯软件仿真难以比拟的。

图3 经由整形电路形成的真实的时钟脉冲信号

三 远程虚拟仿真实验的优势与劣势

（一） 远程虚拟仿真实验的优势

1）安全，便捷，不受时间地点限制。远程的虚拟仿真实验相对于传统实验室实验更能保障操作员的安全，符合疫情背景下“不扎堆，不聚集”的要求，能有效避免病毒的传播。只要能联网的地方，随时都能进入实验平台进行操作，相较于传统实验的上班开门，下班关门的固定时间点，时间上要灵活很多。实验地点也不受限制，只要能联网的场所都能进入实验平台。

2）数据传递更方便快捷，更方便形成数据报告。相较于传统实验室实验，远程虚拟仿真产生的数据更方便传递，可直接通过网络在客户端和实验室进行数据传递，按照规范格式形成报告或报表。

3）提供多元的学习条件。远程虚拟仿真可以给学生提供更多方位及更多层次的观察、操作和分析实验的条件。学生不再是简单机械地重复实验步骤，而是有更多机会去全方面思考，能大大提高研究性和设计性实验的占比。

（二） 远程虚拟仿真实验的不足

1）远程虚拟仿真实验时，教师与学生处于分离的状态，实验缺乏师生情感沟通，难以贯彻“因材施教”的原则。

2）远程虚拟仿真实验时，实验过程中对硬件修改不方便，一旦确定了电路连接图并已搭建好硬件电路，想要再次修改不方便。

四 结语

高校教育越来越专注学生能力及素质的培养，教学的模式要与社会经济发展接轨，随着高校招生规模不断增大，学生人数的上升和实验设备数量出现了明显的矛盾。远程虚拟仿真实验可以解决传统实验教学的不足，让学生使用网络远程访问实验室设备，为实验教学提供了一种新的思路。基于NI ELVIS III的远程虚拟仿真实验可以达到线上实验的效果，是传统教学的有益补充。

远程虚拟仿真实验是以互联网及实验硬件设备为基础条件，在虚实结合的实验环境中，学生可以不受时间和空间的限制完成硬件实验，而且避免了真实实验操作的部分危险，尤其是高电压、强电流的电力系统实验。学生可以通过虚拟实验，在更广阔的学习环境中进行实验学习，极大激发学生学习的动力和兴趣，提高了学习的积极性和主动性，这对于学生的个性发展、创新能力培养、全面素质的提高具有积极影响。远程虚拟仿真实验还具有开放性，可以有力地推动学校各实验室之间、各高校之间的相互协作与交流，实现资源共享，发挥各高校的优势及特色，推进新方法、新内容和新技术在实验教学中的应用，一起推动实验教学改革。