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【摘 要】本文在虚拟实验技术和网络技术的发展环境下，结合协作化网络教学的发展需要，运用仿真技术、多媒体技术和网络技术，按照电路分析实验教学特点，构建协作性电路分析实验网络教学系统，满足电路分析实验教学基本要求。同时，学生在实验过程中可使用多种交流手段互相探讨、协同操作各种虚拟仪器，克服网络异地教学带来的学生之间的陌生感和学习气氛的缺乏等问题，提高了实验效果。
【关键词】协作性学习；虚拟实验；WPF；电路分析
0.绪论
随着计算机网络技术、通讯技术、多媒体技术的成熟与发展，基于计算机支持的协作学习是成为目前网络学习的一个重要的发展趋势。但局限于目前网络的交互手段，学习者在网络学习中参与度较低，与传统的课堂教育还相差甚远，在实验课程中尤为突出。目前，网络实验课程较多采用单机版的虚拟实验软件来辅助教学，学习者独自进行实验，在实验过程中互相之间缺少交流。通过多人网络协同实验系统，分布在各地的学习者就能够共同完成一项实验，并在实验的过程中使用多种交流手段互相探讨、协同的对虚拟实验中的各种虚拟仪器进行操作，克服网络异地教学带来的学生之间的陌生感和学习气氛的贫乏等问题[1]。
1.协作化虚拟实验的实现手段分析
协作化学习是指在一定的环境下，为获得最大的学习效果而组织具有共同学习目的或者教学目的的团队所开展学习学习相关活动。协作化学习活动的基本模式主要有竞争、辩论、合作、问题解决、伙伴、设计和角色扮演等。由于受到网络交流媒介以及计算机软件交互手段等方面的限制，协作化学习在网络学习环境中开展受到局限，特别是是虚拟实验的开展。在符合协作化学习要求的前提下，协作化网络虚拟实验还需要将实验教学特点与协作教学要求结合起来，这样才能发挥协作化学习的优势。因此，在协作化网络虚拟实验的设计中，需要对传统的协作化学习活动进行实验化改造[2]，主要包括以下几个方面：
1.1协作化虚拟实验的交互
依据实验教学特点和实验教学内容的需要，学生通过虚拟实验操作，在实现线路搭建、实验电路参数更改以及实验现象观测等环节中，将实验者的学习想法融入到虚拟实验中，并将学习想法所带来的结果反馈给学习者，使学习者融入到虚拟实验教学环境中。良好的交互效果可以激发学生的学习热情、激励学生的积极参与，提高学生的实践技能，促进协作化虚拟实验教学的开展。
1.2协作化虚拟实验的合作
在虚拟化教学环境中，首先要构建一个学生与学生之间以及学生与教师之间的讨论、分析、引导等面向于学习内容的交流环境。在学习者之间的讨论、分析、引导等合作性学习过程中，使学习者能够互相学习其他学习者的学习思路和问题解决方法，进而提高个人的学习素养，在过程中提高学习者自身对于知识的掌握能力。
1.3协作化虚拟实验的角色扮演
在协作化虚拟实验的设计中，辅导教师和学生是学习活动开展的重要成员。学习者为学习活动的主体，在虚拟实验活动中自主学习和操作，不断的探索和获得新的知识和发现新的问题。辅导教师是虚拟实验教学活动中的重要组成部分，一方面，教师需要在学生虚拟实验过程中对学生进行辅导与提示；另一方面，教师需要根据虚拟实验效果对虚拟实验教学活动进行及时的调整和安排[3]。
2.电路分析虚拟实验设计与实现
电路分析实验的学习过程，既是一种知识型的学习，同时也是一种操作性的学习。教师在教学过程中，不仅要使学生掌握相关的电子电路知识，认识各种电子元器件的设备，还要求学生学会这些设备和仪器的使用方法，使学生能够通过实验的环节，加深相关知识点的理解和认识，是一种知识技能和操作技能相结合的学习[4]。根据教学需求，在教学内容的设计上，虚拟实验需要涵盖电路分析实验教学大纲的基本实验内容，包括验证性实验、设计性实验、综合性实验等类型。不同的实验类型，由于教学考核重点不同，在设计思路上存在差异。验证性实验内容，虚拟软件以预先设计好的实验电路图作为实验的基本操作平台，通过线路连接、测量仪器的接入等虚拟操作完成电路特性的验证；设计性和综合性实验，为培养学生的创新意识和综合运用知识的能力，以开放性实验平台，学生自行设计和搭接各类综合性电路，培养学生的电路设计和分析能力。
软件的实现技术上，在.NET framework 3.5框架基础上，以WPF技术作为虚拟实验客户端的开发技术，以客户端调用WEB service的形式实现客户端与服务器端的通信；在客户端以XML文件作为操作信息存储工具，实现系统的设计功能。
在系统的整体设计上，采用客户端与服务器交互的设计模式；客户端作为学生虚拟实验客户端，完成教学内容的设计所需要的内容，并实现虚拟实验电路的搭建和测量调整。
2.1操作信息存储文件格式的定义
为了实现各个客户端之间的对于可视化操作界面的实时交互，需要对于用户的计算机协作化学习操作建立一个统一的操作文件存储规范，实现对于用户操作的存储以及用户之间的操作信息共享。在存储格式的定义上，首先考虑到用户与用户之间的协作性信息共享，需要实现对于用户连线操作信息的存储，如电路操作过程中导线的起点和重点等信息；其次，为了表征用户对于实验电路参数的设计思路和设计过程，在操作信息存储文件中需要表征用户对于实验电路中关键点的电流或电压等信息。虚拟操作文件示例如下：
//表征当前所进行的虚拟实验项目
（01）实验一 基尔霍夫定律与叠加定理
//表征电路图中电压表的状态，数量
1 //电压表的编号
100，100 //电压表在界面上所处的位置，以左上角为原点
F //电压表+端连接的电路示意点
B //电压表-端连接的电路示意点
…………
//表征电路中电流表的状态
1 //电流表的编号
F，A //电流表串联连接在电路中F，A示意点之间
………
电路中电源
1
5V 电路中电源的供给电压值
…………
在设计的过程中，预先对于电路图进行必要的分析和处理，在电路图上预先设定好实验过程中必要的测试点（如图中的A，B，F等点），并对于这些点进行必要的标注，这样的设计使实验过程中连线信息的存储以及载入等过程更加简单和方便。
2.2客户端与客户端的实时通信的建立
根据系统的设计，在客户端与客户端之间的通信建立上通过服务器端作为中继，发送端调用webservice将虚拟实验操作信息xml文件写到服务器的指定位置，并将文件发送状态、接受者信息写入到状态信息文件中；操作文件接收端在获取接受状态提示后，通过发送文件路径读取操作文件实现基于操作文件的实时通信设计。
用户为了实现通过服务器实现与远程用户的协作性操作过程，并使操作过程简化，需要在服务器端相应的位置存储远程用户之间存储操作信息的中间文件。由于文件系统的安全性方面的要求，在文件操作上仅仅允许同一时间单一用户的操作，这就要求在远程操作过程中具有一定的步骤性。
在学习过程中，当某人需要网络上其他人远程协作性学习时，首先请求者点击软件商的远程服务，建立与远程服务器之间的通信；之后将请求者需要远程协作的电路操作信息以一次性上传到服务器的指定位置，并通过一定的信息交互手段（如聊天室、论坛等）向网络远程用户提交远程协作请求。
远程协作学习请求接受者（简称接受者）根据请求者的请求一次性下载请求者提交的操作信息文件到本地，并通过软件载入操作文件还原请求者的可视化操作界面。在远程协作上系统设计包括两种模式：在线直播模式和离线操作模式。在线直播模式是接受者在获取操作文件操作的过程中，持续性的上传接受者的操作数据，同时请求者也持续性的下载接受者上传的数据，这样通过服务器中特定的操作文件，建立起一个请求者与接受者之间的实时通信模式，实现接受者与请求者之间的操作信息直播过程，满足网络协作性教学的基本需求；离线操作与在线直播相比操作过程比较简单，接受者首先根据请求者的请求离线操作，操作完成后将操作信息上传到服务器更新操作文件，请求者在获取接受者完成信息后下载操作文件，完成远程协作学习流程。
3.总结
本项目主要应用于电路分析实验的课前预习，电路分析实验网络虚拟考试，电路分析实验远程教学，电路分析实验远程辅导等。通过设计，本虚拟实验软件真实的模拟了电路分析实验的操作环境，实现学生与学生之间或者学生与教师之间的实验操作信息的交互，使学生在虚拟实验操作过程中感受到了真实的操作感觉，为真实环境下的实验室操作打下了良好的基础。 [科]
【参考文献】
[1]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008，（21） .
[2]杜保强，尹飞凰.电子电路虚拟实验的构建[J].现代电子技术，2004，（04）.
[3]陈传波，张立峰，陈南平等.一个远程虚拟实验教学平台的研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2002，30（12）：12-14.
[4]李鸣华.虚拟实验的设计与实现[J].现代教育技术，2007，17（12）：100-103.
[5]杨雪，吴双，宋金刚等.虚拟实验的感性设计研究[J].中国电化教育，2012，（1）：127-131.
[6]杨雪，王倩，黄海林等.虚拟实验的反馈设计与实现[J].中国电化教育，2011，（7）：136-140.
【关键词】协作性学习；虚拟实验；WPF；电路分析
0.绪论
随着计算机网络技术、通讯技术、多媒体技术的成熟与发展，基于计算机支持的协作学习是成为目前网络学习的一个重要的发展趋势。但局限于目前网络的交互手段，学习者在网络学习中参与度较低，与传统的课堂教育还相差甚远，在实验课程中尤为突出。目前，网络实验课程较多采用单机版的虚拟实验软件来辅助教学，学习者独自进行实验，在实验过程中互相之间缺少交流。通过多人网络协同实验系统，分布在各地的学习者就能够共同完成一项实验，并在实验的过程中使用多种交流手段互相探讨、协同的对虚拟实验中的各种虚拟仪器进行操作，克服网络异地教学带来的学生之间的陌生感和学习气氛的贫乏等问题[1]。
1.协作化虚拟实验的实现手段分析
协作化学习是指在一定的环境下，为获得最大的学习效果而组织具有共同学习目的或者教学目的的团队所开展学习学习相关活动。协作化学习活动的基本模式主要有竞争、辩论、合作、问题解决、伙伴、设计和角色扮演等。由于受到网络交流媒介以及计算机软件交互手段等方面的限制，协作化学习在网络学习环境中开展受到局限，特别是是虚拟实验的开展。在符合协作化学习要求的前提下，协作化网络虚拟实验还需要将实验教学特点与协作教学要求结合起来，这样才能发挥协作化学习的优势。因此，在协作化网络虚拟实验的设计中，需要对传统的协作化学习活动进行实验化改造[2]，主要包括以下几个方面：
1.1协作化虚拟实验的交互
依据实验教学特点和实验教学内容的需要，学生通过虚拟实验操作，在实现线路搭建、实验电路参数更改以及实验现象观测等环节中，将实验者的学习想法融入到虚拟实验中，并将学习想法所带来的结果反馈给学习者，使学习者融入到虚拟实验教学环境中。良好的交互效果可以激发学生的学习热情、激励学生的积极参与，提高学生的实践技能，促进协作化虚拟实验教学的开展。
1.2协作化虚拟实验的合作
在虚拟化教学环境中，首先要构建一个学生与学生之间以及学生与教师之间的讨论、分析、引导等面向于学习内容的交流环境。在学习者之间的讨论、分析、引导等合作性学习过程中，使学习者能够互相学习其他学习者的学习思路和问题解决方法，进而提高个人的学习素养，在过程中提高学习者自身对于知识的掌握能力。
1.3协作化虚拟实验的角色扮演
在协作化虚拟实验的设计中，辅导教师和学生是学习活动开展的重要成员。学习者为学习活动的主体，在虚拟实验活动中自主学习和操作，不断的探索和获得新的知识和发现新的问题。辅导教师是虚拟实验教学活动中的重要组成部分，一方面，教师需要在学生虚拟实验过程中对学生进行辅导与提示；另一方面，教师需要根据虚拟实验效果对虚拟实验教学活动进行及时的调整和安排[3]。
2.电路分析虚拟实验设计与实现
电路分析实验的学习过程，既是一种知识型的学习，同时也是一种操作性的学习。教师在教学过程中，不仅要使学生掌握相关的电子电路知识，认识各种电子元器件的设备，还要求学生学会这些设备和仪器的使用方法，使学生能够通过实验的环节，加深相关知识点的理解和认识，是一种知识技能和操作技能相结合的学习[4]。根据教学需求，在教学内容的设计上，虚拟实验需要涵盖电路分析实验教学大纲的基本实验内容，包括验证性实验、设计性实验、综合性实验等类型。不同的实验类型，由于教学考核重点不同，在设计思路上存在差异。验证性实验内容，虚拟软件以预先设计好的实验电路图作为实验的基本操作平台，通过线路连接、测量仪器的接入等虚拟操作完成电路特性的验证；设计性和综合性实验，为培养学生的创新意识和综合运用知识的能力，以开放性实验平台，学生自行设计和搭接各类综合性电路，培养学生的电路设计和分析能力。
软件的实现技术上，在.NET framework 3.5框架基础上，以WPF技术作为虚拟实验客户端的开发技术，以客户端调用WEB service的形式实现客户端与服务器端的通信；在客户端以XML文件作为操作信息存储工具，实现系统的设计功能。
在系统的整体设计上，采用客户端与服务器交互的设计模式；客户端作为学生虚拟实验客户端，完成教学内容的设计所需要的内容，并实现虚拟实验电路的搭建和测量调整。
2.1操作信息存储文件格式的定义
为了实现各个客户端之间的对于可视化操作界面的实时交互，需要对于用户的计算机协作化学习操作建立一个统一的操作文件存储规范，实现对于用户操作的存储以及用户之间的操作信息共享。在存储格式的定义上，首先考虑到用户与用户之间的协作性信息共享，需要实现对于用户连线操作信息的存储，如电路操作过程中导线的起点和重点等信息；其次，为了表征用户对于实验电路参数的设计思路和设计过程，在操作信息存储文件中需要表征用户对于实验电路中关键点的电流或电压等信息。虚拟操作文件示例如下：
（01）实验一 基尔霍夫定律与叠加定理
…………
………
…………
在设计的过程中，预先对于电路图进行必要的分析和处理，在电路图上预先设定好实验过程中必要的测试点（如图中的A，B，F等点），并对于这些点进行必要的标注，这样的设计使实验过程中连线信息的存储以及载入等过程更加简单和方便。
2.2客户端与客户端的实时通信的建立
根据系统的设计，在客户端与客户端之间的通信建立上通过服务器端作为中继，发送端调用webservice将虚拟实验操作信息xml文件写到服务器的指定位置，并将文件发送状态、接受者信息写入到状态信息文件中；操作文件接收端在获取接受状态提示后，通过发送文件路径读取操作文件实现基于操作文件的实时通信设计。
用户为了实现通过服务器实现与远程用户的协作性操作过程，并使操作过程简化，需要在服务器端相应的位置存储远程用户之间存储操作信息的中间文件。由于文件系统的安全性方面的要求，在文件操作上仅仅允许同一时间单一用户的操作，这就要求在远程操作过程中具有一定的步骤性。
在学习过程中，当某人需要网络上其他人远程协作性学习时，首先请求者点击软件商的远程服务，建立与远程服务器之间的通信；之后将请求者需要远程协作的电路操作信息以一次性上传到服务器的指定位置，并通过一定的信息交互手段（如聊天室、论坛等）向网络远程用户提交远程协作请求。
远程协作学习请求接受者（简称接受者）根据请求者的请求一次性下载请求者提交的操作信息文件到本地，并通过软件载入操作文件还原请求者的可视化操作界面。在远程协作上系统设计包括两种模式：在线直播模式和离线操作模式。在线直播模式是接受者在获取操作文件操作的过程中，持续性的上传接受者的操作数据，同时请求者也持续性的下载接受者上传的数据，这样通过服务器中特定的操作文件，建立起一个请求者与接受者之间的实时通信模式，实现接受者与请求者之间的操作信息直播过程，满足网络协作性教学的基本需求；离线操作与在线直播相比操作过程比较简单，接受者首先根据请求者的请求离线操作，操作完成后将操作信息上传到服务器更新操作文件，请求者在获取接受者完成信息后下载操作文件，完成远程协作学习流程。
3.总结
本项目主要应用于电路分析实验的课前预习，电路分析实验网络虚拟考试，电路分析实验远程教学，电路分析实验远程辅导等。通过设计，本虚拟实验软件真实的模拟了电路分析实验的操作环境，实现学生与学生之间或者学生与教师之间的实验操作信息的交互，使学生在虚拟实验操作过程中感受到了真实的操作感觉，为真实环境下的实验室操作打下了良好的基础。 [科]
【参考文献】
[1]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008，（21） .
[2]杜保强，尹飞凰.电子电路虚拟实验的构建[J].现代电子技术，2004，（04）.
[3]陈传波，张立峰，陈南平等.一个远程虚拟实验教学平台的研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2002，30（12）：12-14.
[4]李鸣华.虚拟实验的设计与实现[J].现代教育技术，2007，17（12）：100-103.
[5]杨雪，吴双，宋金刚等.虚拟实验的感性设计研究[J].中国电化教育，2012，（1）：127-131.
[6]杨雪，王倩，黄海林等.虚拟实验的反馈设计与实现[J].中国电化教育，2011，（7）：136-140.