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【摘 要】WEB虚拟实验室是一个集实验教学、技术交流、共同研究和协同工作的交互式平台,本文以《微机原理与接口技术》实验课程为例,介绍了WEB虚拟实验室的建设,并从教学内容、教学资源、教学方法手段、教学实践等方面着重介绍了基于WEB虚拟实验室的实验教学模式的研究和构建。
【关键词】WEB虚拟实验室 微机原理 实验教学模式
【中图分类号】F224-39 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)06-0078-02
1 引言
在高校教学评估工作中,实践教学环节是重要的组成部分。但高校招生规模的增加,导致实验和实习经费不足,学生人均设备的台套数明显减少,依托设备的实验次数明显下降等,这严重制约着高校实验教学质量的提高,也限制着学生个性化和创造力的培养和发展。以《微机原理与接口技术》实验课程为例:虽然微机CPU和接口技术在快速发展,但是实验课程的传统教学却远远跟不上步伐,其中不乏几大问题:实验设备落后不足、实验软件版本较低、操作流程单一、实验效果不佳,造成学生对实验兴趣不够和实验过程束手束脚的情况。即使开放了实验室,学生也无法进行更深入的实验,这对学生对理论知识的理解,或是课程设计和其他实践环节无疑影响很大。因此寻求一种新的实验教学模式,改善实验环境和实验内容,转变教学方式,更新教学方法手段已势在必行。本文以《微机原理与接口技术》实验课程为例,介绍我院WEB虚拟实验室在实验教学环节的建设情况。
2 基于WEB的虚拟实验室
2.1 虚拟实验室
虚拟实验室(Virtual Laboratory, VL)最早在1989年由美国弗吉尼亚大学(Univer-sity of Virginia)的威廉·沃尔夫(William Wulf)教授提出。它可以向实验者提供通过软件实现的不实际存在的虚拟实验场景及其中的虚拟仪器设备;也可以通过硬件接口技术将真实仪器与计算机相连,利用计算机强大的处理能力扩充仪器的功能,使其成为一台虚拟仪器。因此,研究人员或学生可以不受时空限制,能随时随地进行虚拟实验操作,共享仪器设备,共享数据和计算机资源,进行协作或得到远程指导等,突破了传统实验教学的局限性和被动性。可以说,基于WEB的虚拟实验室作为一个实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的交互式平台,是一种特别的、分布式的解决问题的环境,也是除理论与实物实验之外的全新的科学研究与工程设计方法,不但大大降低了购建仪器设备的成本,而且提高了资源的使用效率和成员之间的协作。
2.2 基于WEB的虚拟实验室的建设
《微机原理与接口技术》实验课程的虚拟实验室是基于WEB平台构建的,它主要由以下模块构成:
(1)管理模块:该模块为学生提供相关实验项目介绍(实验内容、实验目的、实验要求与进度等)、虚拟实验帮助与智能管理系统。提供的实验帮助有电子教材、实验指导书、电子教案、多媒体课件和题库等。为方便管理,该模块设置了学生/教师登陆、课表设置/查询、仪器仪表管理(添加、修改及查询)、成绩管理(评分标准设定、成绩登记及查询)等子模块。(2)虚拟实验平台:该平台由硬件仿真实验平台和代码分析器组成的编译调试平台共同组成。它为学生提供实验所需要的仿真工具、器件、实验状态、数据采集与处理、数据分析与显示、实验技术支持等内容。学生成功登陆后,根据实验要求和内容,进行汇编程序的编制、编译和调试,或者是接口硬件电路的搭建和仿真。当调试完毕后,学生可以观察运行结果和实验现象,从而验证代码设计与电路设计的正确性。当学生完成实验,该模块根据学生实验的具体情况、难易程度、处理方法等,自动生成标准格式的实验报告,供教师批阅。(3)实时交互模块:该模块由答疑教室和答疑论坛组成,使学生与学生之间、老师和老师之间、学生与老师之间,都可同步或异步地解决实验过程中遇到的疑难问题、经验交流和技术创新等。(4)虚拟实验生活区:该模块包括虚拟实验点播室、虚拟实验信息超市、虚拟实验公告栏等。虚拟实验点播室播放一些实验新技术、新方法、新成果等内容。虚拟实验超市可提供相关实验信息、综合/设计性实验竞赛、优秀实验项目展示等内容。虚拟公告栏公布实验课程安排进度表、考核方法、考核成绩公布、专家讲座、会议动态等内容。
3 基于虚拟实验室实验教学模式的构建
3.1 优化实验教学环境
实验软件和实验设备是进行网络化虚拟实验教学的根本,没有好的软件或者硬件设施就谈不上网络化虚拟实验教学。但是由于实验软硬件设施更新的速度越来越快,再加上实验和实习经费的不足、实验教师知识水平不均,造成学生人均设备的台套数明显减少,学生实验积极性不够等结果。借助校园网,这些问题就可以很大程度上得到解决。首先借助学院的研发力量,集中业务专家、专业教师、多媒体软件开发专家的群体智慧,选择《微机原理与接口技术》经典实验为实践内容,开发出真正网络化的多媒体CAI实验软件。然后利用先进的虚拟技术和多媒体技术将实验过程中使用的指令运行过程、芯片连接、硬件电路等形象地表现出来。最后将《微机原理与接口技术》网络化虚拟实验软件与校园网联通,使学员在实践过程中不但能随时获取真实的、动态的信息(如专业知识、错误提示等),从而形成一个信息化的网络实验教学环境。
3.2 丰富教学内容
围绕以电子信息类专业的基本原理、专业技术与工程应用相结合的特点为中心,结合网络资源,丰富了教学内容,明确了教学重点。《微机原理与接口技术》实验课程的教学内容分硬件和软件两部分。以往教学中,软件部分是给出一些设计性的题目要求学生根据给定的实验题目编写汇编语言源程序,并在计算机上用Debug或宏汇编对程序进行调试、运行,实现题目要求的功能。而硬件接口部分是学生结合实验箱上的硬件接口设备,通过连线、编制程序控制设备工作。这些在实验过程中或多或少存在一些问题,如软件部分由于实验室应用软件的限制,只能进行16位数据的程序的处理;硬件部分由于实验箱本身的局限性,再加上使用较频繁,也是坏的坏烧的烧,因此直接导致有的设计性或综合性的教学内容无法开展。
借助WEB形成虚拟实验室后,结合网络资源,可以进行大量的设计性和综合性实验。如8255并行接口实验中,根据提供的虚拟硬件设备(如8086、8255等)搭建电路,然后进行电路验证和仿真就可以实现一些有趣的实验,如趣味性的乒乓球比赛、模拟电梯设计实验和走时的控制。
3.3 充分调动学生积极性
教师不仅需要不断改进和创新原有的教学手段和教学方法,还要根据学生的理论与实践水平的参差不齐,不同学生不同情况区别对待、实事求是、因材施教。在实践教学过程中也可以尝试小组互助等学习方式,把学生分成若干学习小组,每个学习小组完成一个完整的软硬件实验,每个人负责实验当中的其中一个模块,如一个同学负责虚拟的硬件连接,另外的同学负责软件程序的编写和调试。尽可能地将实验内容抽象变为具体,将枯燥变为生动,激发学生的学习兴趣,使学生的被动式学习方式成为主动探索式学习方式,提高实验课程的教学质量,达到预期的教学效果。
3.4 设立多样的考核方式
针对《微机原理与接口技术》实验课程的特点,对考核形式、考核内容进行了相应的改革,增加了课外实验环节的考核。按理论考试:课内实验:课外实验=6:2:2的比例进行综合评定,全面考察学生的动手能力、理论联系实际能力及应用所学理论分析问题和解决问题的能力。老师按两人为一组布置题目,学生根据布置的题目在课外进行虚拟实验,验证通过后以组号为文件名保存实验电路图和运行结果。老师在同一时间内登陆系统,对所有的电路图和结果进行评分。从实践情况看,考核方式的改革是成功的,基本兼顾了基本理论知识、系统分析与设计能力等方面的考察,同时也充分利用了网络优势。
4 结语
本文结合《微机原理与接口技术》实验教学的现状,运用现有的校园网资源,提出一种基于WEB虚拟实验室的实验教学模式。该模式包括教学内容、教学资源、教学方法手段、教学实践等方面。实际应用表明,该实验课程的虚拟实验室运行良好,证明该教学模式正确合理。
参考文献
[1] 王红,林卫.微机原理实验教学改革的探索与实践[J].电气电子教学学报,2002(02): 76-78.
[2] 王巧莲,方风波,蹇永良.改革微机原理实验教学培养学生的工程设计能力[J].江汉石油学院学报(社科版),2003(1):83-84.
[3] 傅娟.电子信息类专业.微机原理及应用》实践教学探讨[J].文教资料,2006(10): 115-116.
【关键词】WEB虚拟实验室 微机原理 实验教学模式
【中图分类号】F224-39 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)06-0078-02
1 引言
在高校教学评估工作中,实践教学环节是重要的组成部分。但高校招生规模的增加,导致实验和实习经费不足,学生人均设备的台套数明显减少,依托设备的实验次数明显下降等,这严重制约着高校实验教学质量的提高,也限制着学生个性化和创造力的培养和发展。以《微机原理与接口技术》实验课程为例:虽然微机CPU和接口技术在快速发展,但是实验课程的传统教学却远远跟不上步伐,其中不乏几大问题:实验设备落后不足、实验软件版本较低、操作流程单一、实验效果不佳,造成学生对实验兴趣不够和实验过程束手束脚的情况。即使开放了实验室,学生也无法进行更深入的实验,这对学生对理论知识的理解,或是课程设计和其他实践环节无疑影响很大。因此寻求一种新的实验教学模式,改善实验环境和实验内容,转变教学方式,更新教学方法手段已势在必行。本文以《微机原理与接口技术》实验课程为例,介绍我院WEB虚拟实验室在实验教学环节的建设情况。
2 基于WEB的虚拟实验室
2.1 虚拟实验室
虚拟实验室(Virtual Laboratory, VL)最早在1989年由美国弗吉尼亚大学(Univer-sity of Virginia)的威廉·沃尔夫(William Wulf)教授提出。它可以向实验者提供通过软件实现的不实际存在的虚拟实验场景及其中的虚拟仪器设备;也可以通过硬件接口技术将真实仪器与计算机相连,利用计算机强大的处理能力扩充仪器的功能,使其成为一台虚拟仪器。因此,研究人员或学生可以不受时空限制,能随时随地进行虚拟实验操作,共享仪器设备,共享数据和计算机资源,进行协作或得到远程指导等,突破了传统实验教学的局限性和被动性。可以说,基于WEB的虚拟实验室作为一个实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的交互式平台,是一种特别的、分布式的解决问题的环境,也是除理论与实物实验之外的全新的科学研究与工程设计方法,不但大大降低了购建仪器设备的成本,而且提高了资源的使用效率和成员之间的协作。
2.2 基于WEB的虚拟实验室的建设
《微机原理与接口技术》实验课程的虚拟实验室是基于WEB平台构建的,它主要由以下模块构成:
(1)管理模块:该模块为学生提供相关实验项目介绍(实验内容、实验目的、实验要求与进度等)、虚拟实验帮助与智能管理系统。提供的实验帮助有电子教材、实验指导书、电子教案、多媒体课件和题库等。为方便管理,该模块设置了学生/教师登陆、课表设置/查询、仪器仪表管理(添加、修改及查询)、成绩管理(评分标准设定、成绩登记及查询)等子模块。(2)虚拟实验平台:该平台由硬件仿真实验平台和代码分析器组成的编译调试平台共同组成。它为学生提供实验所需要的仿真工具、器件、实验状态、数据采集与处理、数据分析与显示、实验技术支持等内容。学生成功登陆后,根据实验要求和内容,进行汇编程序的编制、编译和调试,或者是接口硬件电路的搭建和仿真。当调试完毕后,学生可以观察运行结果和实验现象,从而验证代码设计与电路设计的正确性。当学生完成实验,该模块根据学生实验的具体情况、难易程度、处理方法等,自动生成标准格式的实验报告,供教师批阅。(3)实时交互模块:该模块由答疑教室和答疑论坛组成,使学生与学生之间、老师和老师之间、学生与老师之间,都可同步或异步地解决实验过程中遇到的疑难问题、经验交流和技术创新等。(4)虚拟实验生活区:该模块包括虚拟实验点播室、虚拟实验信息超市、虚拟实验公告栏等。虚拟实验点播室播放一些实验新技术、新方法、新成果等内容。虚拟实验超市可提供相关实验信息、综合/设计性实验竞赛、优秀实验项目展示等内容。虚拟公告栏公布实验课程安排进度表、考核方法、考核成绩公布、专家讲座、会议动态等内容。
3 基于虚拟实验室实验教学模式的构建
3.1 优化实验教学环境
实验软件和实验设备是进行网络化虚拟实验教学的根本,没有好的软件或者硬件设施就谈不上网络化虚拟实验教学。但是由于实验软硬件设施更新的速度越来越快,再加上实验和实习经费的不足、实验教师知识水平不均,造成学生人均设备的台套数明显减少,学生实验积极性不够等结果。借助校园网,这些问题就可以很大程度上得到解决。首先借助学院的研发力量,集中业务专家、专业教师、多媒体软件开发专家的群体智慧,选择《微机原理与接口技术》经典实验为实践内容,开发出真正网络化的多媒体CAI实验软件。然后利用先进的虚拟技术和多媒体技术将实验过程中使用的指令运行过程、芯片连接、硬件电路等形象地表现出来。最后将《微机原理与接口技术》网络化虚拟实验软件与校园网联通,使学员在实践过程中不但能随时获取真实的、动态的信息(如专业知识、错误提示等),从而形成一个信息化的网络实验教学环境。
3.2 丰富教学内容
围绕以电子信息类专业的基本原理、专业技术与工程应用相结合的特点为中心,结合网络资源,丰富了教学内容,明确了教学重点。《微机原理与接口技术》实验课程的教学内容分硬件和软件两部分。以往教学中,软件部分是给出一些设计性的题目要求学生根据给定的实验题目编写汇编语言源程序,并在计算机上用Debug或宏汇编对程序进行调试、运行,实现题目要求的功能。而硬件接口部分是学生结合实验箱上的硬件接口设备,通过连线、编制程序控制设备工作。这些在实验过程中或多或少存在一些问题,如软件部分由于实验室应用软件的限制,只能进行16位数据的程序的处理;硬件部分由于实验箱本身的局限性,再加上使用较频繁,也是坏的坏烧的烧,因此直接导致有的设计性或综合性的教学内容无法开展。
借助WEB形成虚拟实验室后,结合网络资源,可以进行大量的设计性和综合性实验。如8255并行接口实验中,根据提供的虚拟硬件设备(如8086、8255等)搭建电路,然后进行电路验证和仿真就可以实现一些有趣的实验,如趣味性的乒乓球比赛、模拟电梯设计实验和走时的控制。
3.3 充分调动学生积极性
教师不仅需要不断改进和创新原有的教学手段和教学方法,还要根据学生的理论与实践水平的参差不齐,不同学生不同情况区别对待、实事求是、因材施教。在实践教学过程中也可以尝试小组互助等学习方式,把学生分成若干学习小组,每个学习小组完成一个完整的软硬件实验,每个人负责实验当中的其中一个模块,如一个同学负责虚拟的硬件连接,另外的同学负责软件程序的编写和调试。尽可能地将实验内容抽象变为具体,将枯燥变为生动,激发学生的学习兴趣,使学生的被动式学习方式成为主动探索式学习方式,提高实验课程的教学质量,达到预期的教学效果。
3.4 设立多样的考核方式
针对《微机原理与接口技术》实验课程的特点,对考核形式、考核内容进行了相应的改革,增加了课外实验环节的考核。按理论考试:课内实验:课外实验=6:2:2的比例进行综合评定,全面考察学生的动手能力、理论联系实际能力及应用所学理论分析问题和解决问题的能力。老师按两人为一组布置题目,学生根据布置的题目在课外进行虚拟实验,验证通过后以组号为文件名保存实验电路图和运行结果。老师在同一时间内登陆系统,对所有的电路图和结果进行评分。从实践情况看,考核方式的改革是成功的,基本兼顾了基本理论知识、系统分析与设计能力等方面的考察,同时也充分利用了网络优势。
4 结语
本文结合《微机原理与接口技术》实验教学的现状,运用现有的校园网资源,提出一种基于WEB虚拟实验室的实验教学模式。该模式包括教学内容、教学资源、教学方法手段、教学实践等方面。实际应用表明,该实验课程的虚拟实验室运行良好,证明该教学模式正确合理。
参考文献
[1] 王红,林卫.微机原理实验教学改革的探索与实践[J].电气电子教学学报,2002(02): 76-78.
[2] 王巧莲,方风波,蹇永良.改革微机原理实验教学培养学生的工程设计能力[J].江汉石油学院学报(社科版),2003(1):83-84.
[3] 傅娟.电子信息类专业.微机原理及应用》实践教学探讨[J].文教资料,2006(10): 115-116.