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一种用于电子和数字电路实验的基于网络的虚拟实验室系统
摘要：为了实现测量和仪器的集成环境，我们设计和实施了一个客户端/服务器分布式环境，并开发了一个基于网络的虚拟实验室系统，用于电子和数字电路实验。由于我们的虚拟实验室系统被用来实现描述校内实验室，所以可以通过系统获得与实际数据类似的虚拟实验数据。此外，我们的网络虚拟实验室旨在提高学习者和教育者的效率。学习者将能够达到较高的学习标准，教育者将节省时间和劳动。我们提出的虚拟实验室系统由三个重要课题组成：原理研究会，阐述概念和模拟数字电路操作，虚拟实验课程，提供离线实验室课程大纲，评估会议和管理的交互式多媒体内容系统。在管理系统的帮助下，每个会话都有机地结合在一起，以达到最大的学习效率。通过我们的虚拟实验室，学习者将能够学习电子电路实验的理论和实验设备的操作方法，如万用表，功能发生器，数字示波器和直流电源。此外，我们虚拟实验室发生的每一项活动都将记录在数据库中，并将在初步报告表中打印出来。最后，我们获得了实验设备减少总实验时数和损伤率等几个肯定的数据。
关键词：虚拟实验室，网络教学系统，多媒体内容和Java小程序。
1简介
除了加强传统教育方式外，信息技术（IT）还可以实现新的教育方式和创新的教学策略。教学不再局限于时间和地点。传统课堂的时间和物理范围延伸到学习空间。越来越多的世界各地的大学正在提供虚拟教育问题。多家公司也在为员工提供在线培训。在全球网络上的简单搜索将得到数百个网站提供的虚拟课程或资源，用于开发和交付此类课程。
电子和数字实验研究是工程教育中非常重要的组成部分。它不仅是理论与实践之间的桥梁，而且巩固了教学中提出的理论概念。在经典方法中，完整的手册，设计和仿真步骤的详细指南，实验程序和技术报告的介绍伴随着实际校园实验室进行的大多数电子实验。在实验室会议之前，学习者应重新了解基本概念，准备一些设计和仿真步骤，并从实验室将要进行的实验工作中获得明确的想法。在实验室会议上，学生需要组装电路，连接设备，进行测量，将数据与预期行为进行比较，并在会议结束时向教授提供部分或完整的报告。这种经典的实验方式显然有以下缺点。
bull;课堂讲座或讲义通常不足以让学习者充分准备进行实践实验，或了解先前解释的理论在实验中的重要性。
bull;当学习者是被动观察者或实验中的半活跃部分时，他们既不理解概念，也不理解理论与实践之间的区别。
为了应对这些困难，我们提出了电子工程领域的虚拟实验室系统，为学习者提供了改进的实验方法。如果学员可以通过注册程序进入虚拟实验室系统，就可以获得相关实验的基本概念，并根据指导实验程序对基本电子电路进行虚拟实验。通过执行闪光动画和Java小程序获得的理论知识，学习者可以轻松了解实验中的重要原理和意义。所有这些活动将通过点击虚拟实验室系统中的菜单按钮进行，并填写一些文本字段来更改实验组件的值。由于这个互动虚拟实验室被实施来描述实际的校园实验室，所以可以通过系统获得与实际数据相似的虚拟实验数据。
提出的虚拟实验室系统由三个重要会议和管理体系组成：原理研究会议，虚拟实验会议，评估会议和管理系统。随着拟议的虚拟实验室系统的实施，已经成为加强实验室工作的过程，为学习者更好地理解与电子实验相关的意义
我们的虚拟实验室系统旨在支持从初级电气和数字实验到包括在电气工程课程中的高级电子实验。它具有交互式多媒体内容，使学习者对电路操作的概念和理论的准确了解，并且可以通过点击其中的一些菜单按钮并填充自己的电路并测量有关虚拟空间电路状态的所有信息出一些文本字段。在虚拟实验室会议期间进行的每项活动都将记录在数据库中，并将作为打印输出报告表格提供给他们的实验信息和结果。教育者检查打印输出的形式，以估计他们在虚拟实验室会议期间如何理解实验内容和方法。我们的虚拟实验室系统提供2门课程，每门课程需要一个学期。实施的虚拟实验室系统可以以独立的方式使用，但作为实际校园实验室课程的助手将会显示出更令人鼓舞的成果。
2拟建虚拟实验室体系结构
基于Web的虚拟实验室通常需要各种交互式多媒体组件，如Java Applet，具有有用动作的Flash动画等。为了实现这一目标，我们建议我们的虚拟实验室包括三个重要的会话和有效实验的管理系统在全球网络上。我们的虚拟实验室系统的第三和第四课程的材料适用于电气和电子电路实验的高级课程。每门课程由15章组成，每章包括原理研究课程，以解释电路操作的概念和理论，虚拟实验课程为学习者提供了几个电子电路的虚拟实验。管理系统将用户名和密码分配给合格的授权人员，并提供有关虚拟实验会话中完成的实验的所有信息的打印输出服务。图1，是我们的虚拟实验室系统结构示意图。
图1虚拟实验室系统的结构图
2.1原理研究会
校长会议负责让学习者了解每章中包含的电路操作的概念和理论。互动闪光动画与每个主题的创造性和直观的想让学习者轻松了解他们。图2显示了用于解释2到4解码器概念的java应用程序的几个重要过程。图中的概念Java小程序2通过点击“移动”，“一键”，“显示网格”，“细节”，“重置”和“测量”等几个按钮，让学习者轻松了解解码器的原理。图3显示了用于说明JFET特性曲线概念的闪光动画的几个重要帧。在线语音呈现及其相关文本与运动图像同步，以实现有效的学习过程。因为组件是一个Flash文件格式，它不需要VOD服务器在网络上提供此服务。图4显示了一个交互式Java Applet，用于了解JFET特性曲线的关键概念。图中的动画。 3旨在为学习者提供对栅极电压VGG和漏极电流ID之间关系的了解。 从这个动画，他们可以图形地理解JFET如何工作。 在图4中，通过点击鼠标来增加/减少VGG，学习者可以轻松地了解JFET特性曲线的相关概念。 Java小程序根据VGG的变化显示漏极电流ID和漏极到源极电压VDS的变化。 此外，排水特征曲线一起显示在右侧。
图2用于2x4解码器的概念Java Applet
此外，我们的虚拟实验室系统为学习者提供了基于Web的数字模拟器，从而可以为各种输入条件模拟多个数字电路。 所提出的数字模拟器被实现为具有几个简化的功能，这对于数字电路的学习过程至关重要。 学习者他们自己模拟网络上的几个数字电路的具体输入条件，并能够设计/分析数字电路。 此外，可以针对不同的输入条件同时模拟两个或更多个不同的数字电路。
图3 Flash动画解释JFET特性
图4 JFET特性曲线的Java Applet
我们提出的数字模拟器，结合多媒体内容，可以作为辅助教学工具，提高学习效率。 图。 图5示出了正在对逻辑门进行仿真的基于web的数字模拟器。 根据以下步骤进行仿真：（1）布局网格上的电路组成（2）应用输入脉冲（3）输出测量。
图 5逻辑门的数字仿真
2.2虚拟实验课程
虚拟实验课程为学习者提供虚拟实验环境。 Java Applet实现了广泛使用的实验设备，如振荡器，万用表，功能发生器和电源等。在此期间，学习者可以为每个主题建立电路，设置每个电路元件的值，并使用实验设备。虚拟实验结果基于电子电路实验的典型教科书。为了产生适当的输出，通过众所周知的电路理论，内部计算对于固定电路结构至关重要。虽然虚拟实验不是任意的，但学习者可以改变几个电路组件的值。在网络上完成虚拟实验时，他们可以打印出关于该虚拟实验的所有信息，并将其作为初步报告提交给在校园实验室课程中的教育工作者。例如，当在图6a中的CS JFET放大器上点击虚拟实验中的按钮“ZOOM”时，学习者可以观察到CS JFET放大器的增强输出波形，如图6b所示。虚拟示波器设计用于学习者调整每个通道的VOLT / DIV和TIME / DIV;保存输出波形;加载以前的波形并打印输出波形。
图6（a）用于CS JFET放大器的虚拟实验的Java小程序（b）CS JFET放大器的增强输出波形。
电子电路的虚拟实验按照以下步骤进行：（1）组装和连接电路（2）施加输入电压
（3）进行输出测量（4）将实验数据发送到数据库（5）打印初步报告，如图1所示。图7（a） - （d）中。学习者通过从ELEMENT CHOICE标签中放置适当的电路元件构建给定的电路。通过此菜单，学习者可以选择电路元素并更改其类型或值。在图7，VDD设置为7.6 [V]。他们可以通过双击直流电源符号来更改直流电源的值。此外，它们可以使用MEASURE选项卡将电压和/或电流标记插入电路。使用示波器，学习者还可以测量各种Vcc值的输出。
数字电路的虚拟实验由具有互动和创新的多媒体内容的虚拟实验套件进行，可用于提高数字电路领域的教育质量。在全加器上用于虚拟实验的Java小应用程序被示为图1中的示例。请注意，虚拟面包板（VBB）上的电路组成及其相应的在线示意图一起显示在虚拟实验套件上。
图7（a）连接电路。 （b）应用输入电压。 （c）进行产量测量。 （d）传输实验数据。
图8.一个基于Web的虚拟实验套件，用于全加器
2.3评估会议
向教育工作者提供有关在虚拟实验室中完成的实验的有用信息是非常重要的，教育工作者通过这些信息评估学习者的工作情况。在虚拟实验室会议期间完成的每项活动都将记录在数据库中，并将其提供给他们，因为打印输出表格包括其实验信息和结果。教育工作者检查提交的打印输出表，以估计学习者如何理解整体实验过程。管理系统以上述方式支持教育者和学习者之间的沟通，并为每个学习者提供不同的设置。我们基于客户/服务器架构的系统使用非商业软件。
此外，在虚拟实验之后，向学习者提供简单的多种选择，并且测试结果显示在消息框中。根据每个问题的测试结果，如果学习者点击“补充”或“更有挑战性”的两个按钮之一，他们可以听取有关相关解释的声音。这个评估过程对提高学习者的学术能力非常重要。在图9，以互动问答系统为例。
图9 互动质疑系统
2.4管理系统
良好的教学发展是一个迭代的过程，教育者和学习者通过这一过程进行形式性评估和总结性评估，以不断改进课程。有效的教师使用各种手段，一些正式和其他非正式手段来确定他们的学生学习多少和多好。在提出的虚拟实验室系统中，虚拟实验室中发生的每项活动都将记录在数据库中，并作为初步报告格式印制。所有这些都可以通过管理系统的帮助来实现。专业的HTML预处理器（PHP）使数据库连接和每个学习者的虚拟实验室环境略有不同。我们的虚拟实验室系统基于客户端/服务器架构，不使用商业软件包。图。 10显示了使用PHP的管理系统的数据库连接。图。图11a示出了用于提交初步报告表初步报告表的捕获图像。 11b显示了在虚拟实验室会议期间完成的样本初步报告。
图10使用PHP管理系统的数据库连接
图11（a）提交初步报告表。 （b）生成初步报告表。
此外，为了显示我们的虚拟实验室系统的有效性，我们调查了实验设备在上课期间的损坏率，并对一个学期的五个测验评估了学生的表现。 我们将学生分了分为两组：第1组（G1）不使用虚拟实验室系统，第2组（G2）使用虚拟实验室系统。 要求学生在过程有效性，交互性和享受度方面对虚拟实验室环境进行评估。 更具体地说，对于我们的虚拟实验室环境，第2组的学生必须按照5分Likert量表评估他们与以下语句的一致性。
bull;虚拟实验室系统有效地支持我的学习方法。
bull;虚拟实验室系统为我提供了与实验相适应的交互性水平。
bull;我喜欢使用虚拟实验室系统学习。
如表1所示，我们获得了一些肯定的效果，如降低实验设备的损伤率，提高学习效率。 我们的调查结果表明，虚拟实验室环境优于古典校园实验室环境的优势。 此外，我们可以得出结论，虚拟实验室环境使得学习者不仅可以与学习材料进行交互，而且与教育者进行交互。
表1.虚拟实验室系统的组间比较
|
实际设备损坏率 |
平均得分 |
过程的有效性 |
互动程度 |
满意度 |
|
|
G1 |
25.4% |
64.5 |
N/A |
N/A |
N/A |
|
G2 |
4.8% |
81.4 |
4.31 |
4.01 |
4.13 |
|
组1：不使用虚拟实验室系统的学生 组2：使用虚拟实验室系统的学生量表：非常不同意1 2 3 4 5非常同意 |
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3结论
实施了具有创意和交互式多媒体内容的高效虚拟实验室系统，可用于提高电气和电子电路实验领域的教育质量。
与实验相关的难点概念，原理和理论可以通过创意多媒体内容有效地传达给学习者，虚拟实验设备如示波器，万用表和函数发生器可以作为教学工具的好例子。新型创新结构已被用于消除古典工程实验系统的困难。通过这种新的系统结构，学习者可以比较理论和实验数据;发展电子电路设计与分析能力;并利用辅助教育工具来理解复杂的概念。
此外，我们获得了诸如减少教育工作者和学生的浪费时间和劳动以及实际设备的损害率，提高学习效率以及教
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