刘 伟，杨 奕，贺晓蓉

(重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054)

进入21世纪以来，全国高校都注重学生素质和能力的培养，教学模式与社会经济和科学技术的发展接轨，实验、实践教学越来越受到高校的重视。然而，随着高校招生规模的不断扩大，学生人数的增加与实验场地和仪器设备套数的局限之间产生了日益鲜明的矛盾，特别是电力动态模拟实验系统结构复杂，投入巨大，难以扩充和更新；其次，教师指导学生的单位时间量与教学质量的矛盾也难以调和。所以，建立基于网络的虚拟实验平台, 以现代化的网络教学手段解决传统实验教学的不足，让学生通过网络远程访问实验室设备完成实验的探索势在必行[1]。

1 远程虚拟实验平台研究

远程虚拟实验平台是以互联网、校园网和现有实验设备为基本条件，用网络将电气动态模拟系统、电气电子仿真软件、网络实验室等整合为一体完成部分实验教学内容，构建开放式、分布式、网络化自主学习实验教学与实践平台，实现理论教学与实践操作一体化、虚拟仿真和真实环境一体化、教学过程与教学管理一体化[2]。

虚拟实验平台呈分布式网络结构，打破空间、时间的限制，实现数据资源共享、内容开放、实验信息交互。虚拟实验平台由电气动态模拟系统、虚拟实验设备、虚拟元件库和开放式实验室管理系统组成实验教学环境。不仅让学生随时进入虚拟实验平台获取实验学习的资料，并自己动手配置、连接、调节和使用虚拟仪器进行各种实验，还可以对学生实验的水平和预习质量作出实时评价，同时解决了实验场地与实验设备的拥挤、教学经费缺乏等问题，营造了网络教学和移动学习的氛围。

1.1 远程虚拟实验平台目标

虚拟实验平台的核心是互联共享、开放自主，其目标是通过对教学模式、管理模式、交互方式等进行全新建构，形成自主、互动、开放的数字化实验教学和实验室管理工作环境，这样能较好地解决目前实验教学改革过程中的几个难点：1)复杂、昂贵实验设备台/套数不足和实验场地拥挤；2)支撑学生自主实验的网络教学资源的建设不足；3)缺乏实验内容与方法的动态组织、调整和实验能力的创新。

1.2 远程虚拟实验平台特点

1) 平台虚实一体，实现教学资源的网络化高度共享，有效解决复杂、昂贵的电力实验设备台/套数不足和实验场地拥挤的问题。根据实验需求，凭借实验室的动态模拟设备、虚拟设备，可以快速建成一个超越真实环境约束的大型虚拟实验环境，大大节省人力和物力。

2) 远程虚拟实验平台属于远程网络式虚拟系统，具有虚拟现实技术的沉浸性、交互性和想象性[3]。学生在虚拟实验环境中，可体会到现实中无法体验的情境，同时避免了真实实验操作所带来的危险(这在高电压、大电流电力系统的实验和实践中表现得尤为突出)，解除了思想压力。

3)学生可通过虚拟实验平台的网上实验，在更加广阔的环境中，不受时间、空间的限制进行学习，极大地激发学生学习的兴趣、积极性和主动性，对学生个性发展、创新能力的培养、全面素质的提高产生积极的效应。

4)远程虚拟实验平台具有开放性，能有力推动学校各实验中心、实验室之间，以及各学校之间的相互交流与协作，发挥各中心和院校的优势和特色，促进新内容、新方法和新技术在实验教学中的应用，共同发展实验教学。

1.3 远程虚拟实验平台系统架构

虚拟实验平台设计是在Web技术、虚拟仿真和动态模拟系统的基础上创建出一个虚实结合的远程实验环境，由电力动态模拟系统、电工电子虚拟仿真系统和实验管理系统组成，采用B/S结构，涵盖电力系统自动化和电工电子类实验。在Web客户端，学生可下载需要的实验学习资料、软件资料或选择相应实验项目的教学视频进行学习；实验环境还提供实验模拟功能模块，在Web客户端界面中每个可视化的元件代表一种实验对象，学生通过鼠标进行相应操作，可以组态、修改、编译和运行虚拟实验。实验环境还提供实验管理功能模块，对学生预习质量和实验水平做出实时评价。整个平台的设计采用ASP.NET+SQL Server架构，利用客户端Javascript脚本控制实验过程，运用服务器安全策略及客户端Javascript验证技术，有效保证实验过程及实验数据的真实有效性。

2 远程虚拟实验教学平台建设

1)实验教学资料与实验软件下载(如图1所示)。以电工电子技术实验为列，通过实验教学平台实验管理界面下载，内容包括以下几点。

图1 学习资料下载网

①常用电子元器件的基础知识和识别方法包括电阻、电容、电位器、电感、二极管、三极管、稳压管、可控硅、继电器、蜂鸣器、各种开关等；

②常用仪器的使用包括万用表、信号发生器、电源、示波器等；

③仿真软件学习包括Pspice、EWB、MAXPLUS II等软件；

④常用电子线路设计软件包括protel99se到Altium designer 09各种版本软件；

⑤所有实验项目的资料均采用图文并茂的课件方式供学生学习使用。

2)多媒体课件及相关工程应用资料远程浏览(如图2所示)。通过自主开发的“电工学历史与发展互动演示平台”提供大量电工发展历程的视频、音频资料，同时提供实验多媒体课件及相关资料查询。

3)网络演示实验系统开放建设(如图3所示)。建立与实验内容及工程运用相关的各种资源库，包括动画、视频、图像、PPT、文本等，通过分级管理机制有效地调动老师、学生参与资源库的建设，同时网络演示实验系统为广大师生远程共享。

图3 网络演示实验系统

4)电路远程虚拟实验(如图4所示)。实验电路的设置通常分为老师预设和学生自行设计两种。学生根据题目要求设计电路图并连接，所选取的各个元器件的值在浏览器中可从当前电路读取并进行比较，只有与电路中元器件当前值一致才能被接受，且每个关键点的电路连接情况都传送到服务器数据库中，所以老师能根据服务器数据点还原出学生连接的电路图，以便查看。这样既可以使学生拥有一个不受时间、地点限制的实验环境，同时让学生的实验过程可以被自动监控。

图4 模拟电路虚拟实验示例

5)电力系统实物动模实验(如图5所示)。电力系统实验是以动态模拟实物系统为基础，布置在学校实验中心，发、输、配部分为全实物，变电站为虚拟仿真系统，电力SCADA系统实现对实验全过程的监控，并通过Web服务器进行远程发布，学生在Web客户端可以选择实验、控制动模系统的运行和监控实验过程。

图5 电力系统远程实验监控界面

6)网上预习与测试。属于实验管理系统子模块，学生点击进入，选择仿真实验或实作实验并勾选实验名称，根据平台提示阅读相关课件和资料，然后回答预习提问，达到额定分值后进入仿真实验。在仿真实验中，学生按要求画电路、设置元件参数、仿真，把相关数据分析、波形分析、误差分析、实验体会等提交给老师，老师在线评阅，两个工作日后给出分数或者驳回要求学生重做，通过的学生才可以在网上预定该项实验的实作[4]。

3 应用情况及实践成效

远程虚拟实验平台建设有仪器说明、数据手册、设计参考、教学课件、视频资料、图片资料、教学大纲、仿真软件、精品软件、实验教材，各类资源数量为1 700余个，总容量为200 GB；涵盖大多数电气电子实验课程以及部分实习实训、课程设计、毕业设计的内容。为了开放、共享原有的实验系统、设备和软件，我们以校园网络为硬件基础，开发实验设备通信软件，实现实验设备互联互通和动态重构，真正消除实验设备孤岛。从2004学年开始初步建设、运行至今，实提供了平台为30余门实验课程、100多万人时的教学服务，取得了很好的效果。