曹 文 ，瞿金山，张春燕 ，魏 彬

（1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010；2.西南科技大学国防科技学院，四川绵阳 621010）

0 引言

在传统的《电子技术实验》教学环节中，一般先由教师简要地讲述实验原理与操作步骤，然后学生按照刚才的听课内容和实验指导书上的操作步骤开始以线路连接、数据测量为主的实验内容。只要接线正确，往往实验也就基本完成，由于实验板与真实电路板之间差别较大，学生完成实验后的收获并不多。如果实验结果不正确，学生一般只会拆除原有连线，再次重复刚才的接线步骤。这类电子技术实验平台均只针对某些特定实验内容开发，功能单一，通用性较差，学生们难以完成验证性实验内容后的扩展性设计方案，得不到有价值的训练。

国内很多高校在提升办学质量的过程中，升级、改进传统实验手段与内容的要求非常迫切。如何对原有电子技术实验平台进行大刀阔斧的改革，使之逐步适应新形势下的人才培养模式，摆在了广大实验管理工作者、实验指导教师面前。

1 智能型实验平台设计思路

近几年来，随着软硬件技术的成熟，虚拟仪器技术发展迅猛，已经开始成为测试仪器的发展趋势。如果将虚拟仪器技术引入传统的实验技术项目中，将通用型硬件实验平台与上位计算机、数据采集卡无缝对接；计算机的人机交互界面对实验过程进行指导与提示；虚拟仪器保护硬件平台对实验数据进行全程实时监控；学生的操作仍然针对硬件实验平台，但是更贴近工程实践，不再“为了实验而实验”，实现对现有粗放型实验方案的升级，同时减轻实验教师的辅导工作量。

智能型实验平台将嵌入式系统编程与调试、虚拟仪器技术、数据通信、FLASH动画设计等全新内容融入到传统的电子技术硬件实验平台中，涉及在线智能监测与诊断、计算机辅助教学（CAI）等先进教学技术。由于涉及技术面宽、技术难度大，其创意领先而深远，在国外也仅仅被运用在昂贵的专业自诊断（OSD）设备中，在实验教学系统中的应用寥寥可数。目前国内还没有一所高校的电工电子实验室采用这种智能型的实验系统平台，也没有任何一家教学仪器公司推出类似产品。随着相关技术壁垒的逐步克服，将这种先进的实验手段应用到现有电子技术实验平台中，将会作为一种强大的技术手段提高实验对学生的吸引力，改善实验效果。如果将这种新型实验平台通过商业手段推广，也必将产生巨大的经济效益。

2 研究内容及关键性技术工作

将高性能嵌入式控制与测量单元植入实验平台的底层，对实验过程中的操作顺序、关键点实验数据与波形进行实时、无损、有效的监测；依托全面优化的实验指导专家系统，对学生的整个实验操作过程进行科学、规范的交互式指导；对学生实验中出现的错误进行报警提示及后台保护，延长实验平台的使用年限；友好的人机交互界面，能够实现无教师值守情况下全天候的实验室开放教学，也避免了因教师能力的个体差异而造成学生实践能力参差不齐的现象。更重要的是，该系统能够引导学生朝着实验项目的深度与广度进行自由拓展。

项目首先重新设计了一套电子技术硬件实验平台，平台外观与传统实验平台接近或类似，但在硬件配置上重点考虑了实验内容的可扩展性与通用性。平台内部（背面）除安排常规的电气连线外，新增有自主研发的嵌入式控制、检测及数据采集单元，对学生实验过程中的关键点参数进行采集与实时监测，并将数据传送给配套的计算机。为保证硬件实验平台的高度独立性，嵌入式的控制及数据采集单元对基础实验操作的影响应该降至最小。

计算机层面是电子技术新型实验平台的亮点。通过Lab－View软件开发出友好的人机交互界面，信号源、示波器、万用表、逻辑分析仪等多种虚拟仪器被集成到交互界面下，由学生根据实验选择调用。学生操作中的实验波形与数据、采用FLASH编写的动态实验指导动画同时显示在人机交互界面中。当侦测到关键点数据出现偏差或者学生的操作步骤发生紊乱时，完善的实验专家指导系统通过提示窗口进行纠正，人机交互贯穿整个实验流程。

项目中所涉及的技术门类较多，其中软件的集成与融合是关键，与之相关的数据检测与传输是在调试中需要特别关注。在归一化的计算机软件设计中，系统具备智能识别实验者操作步骤的功能，以判断操作流程是否正确、规范。为了使实验平台能够承载种类繁多、技术层次更加丰富的实验内容，需要对平台的硬件架构进行全面的设计与规划。

3 特色及创新点

在“人机交互友好、具备智能检测功能的全新电子技术实验实训平台”的全新实验模式下，高性能嵌入式控制与数据采集单元被植入实验平台内部。学生在实验时基本感觉不到它的存在，但系统却能够在后台对实验过程中的操作顺序、关键点实验数据与波形进行实时、无损的全方位监测；依托实验指导专家系统，对学生的实验操作进行规范、恰当的交互式指导，优化整个实验进程。

当实验错误发生时，系统会进行报警提示及主动的后台保护，延长了实验平台的使用年限；计算机提供的人机交互界面与帮助系统，有助于提高学生实验效率；同时减轻实验教师的低水平重复工作量，降低其工作强度，为将来无教师值守情况下实验教学全天候开放打下坚实的物质基础。同时，新平台避免了因教师个体能力差异而造成学生实验能力参差不齐的现象。更重要的是，系统能够装载更多的外围设备，实现实验内容的难度分级，实验内容进一步丰富，实验深度进一步拓展，引导学生朝实验项目的深度与广度自由拓展。

新的实验技术方案并非一蹴而就，而应按步骤进行科学规划与设计，逐步联合调整为一个有机整体：

（1）消化、吸收《电子技术实验》课程大纲，研究传统实验方案中所使用的硬件平台，设计并优化新硬件实验平台造型，考虑提高实验设备坚固性与可靠性的措施。对电路PCB板布局进行工程化约束，使之符合实际电路产品规范，让学生摆脱“实验板不是电路板”的错误认识。

（2）根据计划达到的实验指标与效果，制定科学、合理的实验需求，使之能够全方位实现验证性、综合性、创新性的多种实验内容。

（3）对硬件实验平台进行过压、过流、短路等常见故障现象的保护方案设计；嵌入式控制与测量系统对实验开发板的监控方案设计；实现电子技术实验板、嵌入式系统的有机结合及单向影响。

（4）将虚拟仪器的检测端布置到硬件实验平台的关键点，测试检测数据与计算机之间的通讯接口；此外，学生也能够自由调配虚拟仪器的剩余检测端，用于自己的实验操作。

（5）利用LabView软件编制人机接口管理界面，控制平台内部的虚拟信号源产生实验所需的工作波形，监控硬件实验平台底层发送的数据并完成相应的数据图形化处理。

（6）利用FLASH软件的动画处理技术，编写计算机辅助教学界面，并将其无缝地连接到人机接口界面软件中，以辅助学生的实验操作。

4 结语

人机交互友好、具备智能检测功能的全新电子技术实验实训平台从传统的实验平台演变而来，一改传统电子技术实验平台下“教师指导、学生操作”简单、粗糙的实验指导与操作模式。依托虚拟仪器的辅助诊断与测试功能，将计算机系统植入枯燥的实验平台，强调实验过程的互动。在激发学生实验兴趣、吸引学生参与实验、提高学生动手能力、创新实验项目及内容等方面进行了全方位改进与探索。

此外，新实验平台对传统电子实验仪器的依赖大大减少，通过主动的保护单元设计提高了设备完好率，降低了实验教师的低水平重复指导工作量，为课后实验、课程设计、寝室实验室等多种实验形式提供了技术上的可能性，推广空间很大，并有可能逐步成为电子技术实验室的新发展趋势。

［1］曹文.电子设计基础［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］郝国法.DZJS-1型电子技术实验平台的研制［J］.实验室研究与探索，2006（2）.

［3］司慧玲.基于LabVIEW的虚拟电工与电子实验的设计［D］.南京：南京理工大学，2012.