汤雪娇，郑 磊，胡仁杰，陆 辉，康 凯

（1.东南大学国家级电工电子实验教学示范中心，南京 211189；2.南京润众科技有限公司，南京 211199；3.南京凌速科技有限公司，南京 210000）

0 引言

为早日实现教育现代化，贯彻落实《中国教育现代化2035》，近年来，大规模在线教学模式得到了应用和推广［1-4］，涌现出很多在线精品课程，但只有部分课程拥有对应的虚拟仿真实验。而基于软件工具的虚拟仿真是根据理论模型进行计算分析，与实物电路之间存在不可消除的差异，如阻抗频率特性、元件参数差异、电路线缆分布参数、接触电阻、电路环境干扰等等［5-6］。对于理工科专业课程而言，实践环境不可忽略，因而兼具远程共享和实物实验的远程在线实物实验平台受到了越来越多的关注和研究［7-14］。

电工电子实验中心顺应在线教育浪潮，自2014 年以来，对电工电子远程在线实物实验技术开展了一系列的研究与探索，旨在建设具有卓越数字应用服务功能的数字教育资源服务支撑体系，构建课程实验与工程项目相结合、虚拟仿真与实物实验相结合的数字化电工电子自主在线实验平台，拓展实验教学时间空间，服务在校学生和社会大众，提高本科教学质量、缩小地域性教学资源差距、建立终身学习通道，满足自主研习、工程设计、知识应用、兴趣实现等方面的社会需求［15］，提升实验教学的深度和广度。

1 在线实物实验平台的实现

远程在线实物实验平台体系结构如图1 所示，由远程用户端、在线实验系统、服务器和实物实验端4 部分组成，实验平台提供的实验项目都有对应的硬件资源实现，而非软件仿真，用户所有操作均映射到可远程控制的实验对象和测量仪器上。用户通过浏览器打开网页登录在线实验系统，选择实验课程、实验项目后，进入操作界面，设计电路结构，选择元件参数，搭接电路；然后配置电路激励参数，选择测试点，可实时测量实验数据，获取信号波形。所有操作通过互联网实时传递给实物实验端，然后执行相关命令，完成信息交互。服务器实现用户的动态负载分配及实验数据的存储。

图1 远程在线实物实验平台体系结构

在线实物实验平台无人值守，可全天候开放运行，用户可以随时、随地进行实验，有效延展了实验教学的时间和空间，增加了用户学习、实验的自由度。

1.1 在线实物实验平台的硬件配置

在线实物实验端配备若干实验模块，每个实验模块上含有实验项目所需的元器件、激励源、测量仪器、模拟开关矩阵等。每20 个实验模块插接在一个3U尺寸机架上，组成一个在线实验硬件单元，可支持20个学生并行实验，多个实验单元可并联同时工作；此外，根据不同课程实验对资源的需求，实验端可以配置不同类别的实验单元，如电路实验单元、模拟电子电路实验单元、数字逻辑电路实验单元等，从而支持不同课程的在线实物实验。最后配套网管服务器、网络交换机、在线实验网管软件、在线实验操作软件，软硬件结合构成在线实物实验平台。

在线实验端配备虚拟仪器和真实仪器，如稳压源、信号源、示波器、万用表等，用户可根据测量性能指标，自行选择。所有仪器的操作界面均依据实际仪器面板设计，让用户既能测量电信号，又能训练仪器操作。

在线实验开始后，实验端接收远程用户命令，“数字逻辑电路实验”由FPGA实现，“电路实验”和“模拟电子电路实验”则通过控制模拟开关矩阵，不同程度地改变实验模块上的电路结构、元件参数，实现不同的电路功能；实验端可以根据命令切换实验数据测量点，测量电路数据及信号波形，最后将实验结果反馈给用户，完成实验任务。

1.2 在线实物实验平台的软件架构

在线实验系统有“在线实验项目”“在线实验管理”“电子实验报告”3 个模块，各模块的功能结构划分如图2 所示。

图2 在线实验系统的结构框图

（1）在线实验项目。用户登录在线实验系统，选择实验课程、实验项目后，可查询、下载教师提供的教学资源（PPT、视频、文档等），然后进入实验操作界面，开始实验。用户在类似面包板的实验平台上配置元件、搭接电路、测量数据。

在线实验系统有两种不同的实验形态，①全开放自主搭接实验，类似于在面包板上搭接电路，学习者需完全自主设计、选择元件、搭建电路，见图3（a）；②提供电路的基本形态，可通过开关切换方式改变电路结构，也可以调整元器件参数，见图3（b）。两种形态可服务不同阶段或要求的实验（设计性或验证性）。

图3 两种不同的实验形态

每次实验时间可设置为10 min、20 min 等不同时长，可在实验结束前保存实验现场及数据，下次调用实验数据文件即可迅速再现实验现场状态，继续实验。这使得实验时间可以碎片化，确保用户能充分高效地利用零散时间，与当代快节奏生活接轨。

（2）在线实验管理。分实验室管理、用户管理和客户端操作平台3 个部分。实验室负责动态分配硬件资源、建立用户链接和实验设备性能档案等。用户类型分为教师用户和学生用户，教师用户又分为管理教师与普通教师，其中管理教师可以管理在线实验平台的一切日常事务，如用户管理、课程管理、公告管理等；普通教师则负责上传本班教学资源，可查询学生实验情况。客户端操作平台传递用户命令，接收在线实验端测量数据。

（3）电子实验报告。教师端可上传实验报告模板，在线批阅报告；学生端在Web 页面撰写或安装插件后在本地撰写报告，实验过程中的电路、数据、信号波形等均可植入实验报告，报告完成后需在线提交，教师批阅后，可查询报告成绩。

2 在线实物实验平台的应用

电工电子远程在线实物实验平台提供多项实验课程项目，内容丰富、形式灵活，充分考虑各个阶段学习者的实验需求。

现以《电路实验》中“RC 电路频率特性研究”实验、“模拟电子电路实验”中“单级放大电路参数测试”实验和“数字逻辑电路实验”中的“脉冲边沿检测电路”实验为例，介绍在实验平台上进行实验的情况。

2.1 “RC电路频率特性研究”实验

用户登录在线实验系统后，选择《电路实验》课程中的“RC 电路频率特性研究”实验项目，进入实验操作界面，如图4 所示。

图4 用交流毫伏表测量RC电路

界面左侧是器件栏，有多种参数的电阻、电容、电感；右侧虚线框内是电路搭建区，可放置元件，可连接电路；操作界面中还含有1 个可输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号源、2 个交流毫伏表及1 个二通道示波器，这些实验仪器可以与电路的任何一个节点相连接。

开始实验后，先在左侧器件栏选中所需元件，将之拖拽到电路搭建区，放置到合适位置，连接电路；调节信号源输出波形及参数，选择用交流毫伏表或示波器测量电路，如测量输入和输出信号电压幅度、相位差等。

除了RC 电路外，此界面还可搭建RL 电路、带通滤波器、带阻滤波器、RLC串／并联谐振电路等。

2.2 “单级放大电路参数测试”实验

用户选择《模拟电子电路实验》课程中的“单级放大电路参数测试”实验项目，进入实验操作界面，如图5 所示。

图5 用示波器观察单级放大电路波形

界面左侧是基础元件，有实验所需的基本元件，如电阻、电容等；右侧黑线框内为电路搭建区，其中已指定了一些元件及电路搭接；操作界面中还含有1 个信号源、1 个万用表及1 个四通道示波器。

用户先从左侧器件栏选中元件，放置到电路搭建区，然后连接电路，调节信号源输出，用万用表或示波器测量电路，如测量电路放大增益、输入、输出电阻等。

在此操作界面上，还可以进行射极跟随器、RC 正弦波振荡器、LC振荡器及选频放大器等实验。

2.3 “脉冲边沿检测电路”实验

图6 用逻辑分析仪观察脉冲边沿检测电路信号波形

界面左侧有实验模块、器件库两个选项，实验模块中有数电开发模块、逻辑电平输出、单脉冲输出、时钟输出、发光二极管、数码管显示、电阻电容、接地、电源、AD-DA、逻辑分析仪、直流电压、蜂鸣器、电压表、信号源、EDA开发模块、555 定时器等资源模块，供实验者自由选择；器件库中含有常用的74 系列器件，如7400、7474、74138、74160 等。界面右侧是电路搭建区，可放置实验模块、器件，搭接电路。

用户先从实验模块中拖拽相应模块到右侧电路搭建区，然后从器件库中选择所需器件放置到刚才拖拽的实验模块中，连接电路，测试电路功能，如用逻辑分析仪观察信号脉冲边沿及其检测情况。

实验模块中的模块和器件库中的元器件满足绝大部分数电课程的实验需求，操作界面与线下数电实验箱类似，电路搭接方便灵活。

上述3 个在线实验的操作界面，第1 个和第3 个为全开放自主搭接的空白操作界面，学生可自我探索、自主设计、自由发挥；第2 个为已完成部分电路设计与搭接的操作界面，学生在此基础上连接电路。两种实验形态可以满足不同层次的教学需求，既能完成验证性实验，又可以开展设计性、综合性、探究性实验，给学生留有自学、拓展、创新的空间。

3 在线实物实验平台的教学实践

电工电子远程在线实物实验平台自上线起，就在校内推广使用，并在新冠疫情期间向全国高校免费开放，教学效果良好。

3.1 校内的实践教学

随着“互联网＋教育”的逐步推展，多元开放、复合兼容、形态多样的混合式教学模式进入大家视野。电工电子实验中心将在线实物实验平台应用到实验教学中，开创“1 ＋3”实验教学形态。“1”即为软件设计仿真优化，在进行电路搭接前，学生需先设计电路，在仿真软件上进行设计验证、电路优化；“3”为实物实验实现渠道，即线下综合性实验室、个人实验室、远程在线实物实验室，实验时三者选其一。

学生先在线下的实验教室聆听教师讲课，用教室提供的综合实验箱、实验仪器完成实验，也可直接在个人实验室即口袋实验箱上进行电路搭接，以便学生在课程结束，但实验未完成时，在自习室、图书馆或宿舍等场合完成实验。此外，若实验室不开放，身边又没有个人实验室或在家休养、在外游学、外出竞赛等的学生还可以登录远程在线实物实验室即在线实物实验平台，在线搭接电路，完成实验。

“1 ＋3”实验教学形态从全方位、多角度确保实验教学正常进行，尤其是远程在线实物实验室的投入使用，让实验教学真正做到开放、多元、兼容、自主，线上、线下相结合，满足学生随时随地获取教学资源需求。

“1 ＋3”教学模式服务于全校本科理工类专业学生的实验教学，其中，2019～2020 学年共在155 个实验班级推广使用，接受度高，受众广泛，反响热烈，受到校内师生的普遍欢迎，教学效果显著提升。

财政信息、财政透明度和地方政府债务限额管理..................................................................................................................................周金飞 金洪飞（28）

3.2 疫情期间的线上教学

2020 年春学期，面对新型冠状病毒肺炎疫情，为了广大师生的生命安全与身体健康，各高校纷纷开展线上教学［16］。为保障高校的实验教学，减少疫情对学生学习的影响，电工电子实验中心整合现有资源，为全国高校免费开通远程在线实物实验平台——“东南在线实验”平台，提供电工电子基础课程在线实验、教学服务及学习数据支持，为社会做一份贡献。

“东南在线实验”平台上线了《电路实验》《模拟电子电路实验》《数字逻辑电路实验》3 门课程的实验项目50 余项，同一时间可供140 人线上操作实验，且全天候24 h 开放，疫情期间单日服务能力最高达8 000 人次以上。

截至2020 年春学期结束，共有85 所高校的226位教师（包含本校）提交了开课信息，总计开设了641个实验教学班级，共有4 万多名学生开通账号，累计实验达36 万多人次，提交了5 万多份实验报告。

从“东南在线实验”平台的运行效果看，在线实验平台总体运行平稳，满足教学需求，教学效果良好，保障了高校的实验教学，减少了疫情对学生学习的影响，拓展了学习和实验模式，对后疫情时代的实验教学具有一定的借鉴意义。

4 在线实物实验平台的优势

实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，将信息化技术深度应用于实验教学，通过远程实物实验，能有效拓展实验教学时空领域，增加用户的自由度。远程在线实物实验平台具有较大优势。

（1）开放性与自主性。远程在线实验突破时间、空间与条件的限制，学生能在远端随时、随地完成课程实验，学习时间和地点灵活多变，碎片时间充分利用，丰富了学习和实验形式。

（2）高效率与可重复性。在线实物实验平台可以全天候不间断服务，24 h 无值守，真正做到实验资源全时空开放；并且可以保存实验状态，学员可根据自己的学习需要，充分练习，从而更好地掌握所学内容，巩固学习效果。

（3）真实性与及时性。不同于虚拟仿真实验的理想化，在线实物实验依托于真实实验模块，实验结果能够展现实际实验情况；且可以根据技术发展与实验需求，及时更新实验模块，拓展实验内容。

（4）个性化与多样化。在线实验能很好地实现个性化学习，使学员可以根据自己的需求、知识背景、个人喜好、学习风格等来选择学习的实验内容，有效增强了学习的针对性，还可以统筹利用现有教育资源，多学科交叉融合，丰富实验内容与形态，促进教学形式多样化发展。

（5）普及性与终身性。在线实验能够充分发挥优质教育资源价值，使先进的教学方法和优越的实验条件为全社会使用，促进教育公平、提高教学质量；同时使学习不受学历、职业、年龄等因素束缚，将精良的教学资源向社会大众开放，是构建泛在化学习实践环境、实现全民终身学习的有力支撑。

5 结语

电工电子远程在线实物实验平台贯彻“以学生为主体，以教师为主导”的教育理念，拓展实验教学时间与空间，推动课堂向学堂转变，有助于学生信息素养、创新意识、创新能力的培养与自主管理、自主学习、自主服务等良好习惯的养成，给在校学生乃至全民终身学习提供了自主式、社会化与远程化的学习平台，为建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会服务。