电路虚拟实验教学系统的研究与应用 - 图文(6)

北京邮Ｉ【｝人学ｆＩ！ｉｆ‘ｌｊ论义模拟ＩＵ路席拟爻黔教学系统的川究’Ｊ胁用…塑匝陬’丽王翼］匿巫［夔亟亘困图２－Ｉ建构主义学习环境模型１２８Ｊ本研究所介绍的模拟电路虚拟实验教学系统，教师可以借助实验平台和相应的实验设备和器材，按照教学目标，实现了一个虚拟的实验教学环境的建构。２．１．４学习资源学习资源１２９ｊ是指在学习过程中可被学习者利用的一切要素，包括支持学习的人、财、物、信息等。按照学习资源的来源分类，教育技术的ＡＥＣＴ’７７（ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｏｒＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，简称ＡＥＣＴ）定义曾经把学习资源分为两大类：设计的资源和可利用的资源。所谓设计的资源指为教学目的而专门预备的资源，如教室、教科书、教学软件等。可利用的资源指那些本来并非为教学专门设计，但是被发现可用来为教学服务的资源，如软件工具等。按照学习资源的表现形态，学习资源可以分为：硬件资源、软件资源。硬件资源指学习进行过程中所需要的机器、设备、场所等物化设备。而软件资源指各种媒体化的学‘．．习材料和支持学习活动的工具性软件。其中媒体化的学习才来还可以进一步分为’内容特定的软件资源利内容相关的软件资源。内容特定的软件资源是根据具体课程内容而设计的学习材料，通常具有明确的教学目标，内容相关的软件资源知识与课程有间接关系或包含了课程之外的大量内容，如游戏类学习软件或电子百科全书等ｊ．．?．本文中所要开发的模拟电路虚拟实验教学系统不仅可以用于网络课程教学使用，同时电＿ｌＩＪ＋以用于传统实验课程的辅助教学，是～种教学软件，属于设计的北京邮ｌＵ人学坝Ｉ：ｉ２义模拟ＩＵ路席拟实验教学系统的研究‘ｊＪ啼用资源，是用于支持学习活动的内容特定的工具性软件。２．１．５教育软件教育软件是根据现代教育技术发展应运而牛的多媒体化、网络化、个性化和交．瓦性强的计算机软件。它不仅仅是一个普通计算机软件，还必须是一个能适应现代教育体制和教学模式的智能软件。教育软件的内涵丰富，不仅包括针对普通学牛达到学习目的的软件，也包括针对教师完成教育目标的教育平台，为实施教育评价而应用的教育管理工具等等。按照应用方式的不同，教育软件有“助教”与“助学”之分，即在课堂教学中＿丰要是用于静态或动态演示，还是提供给学牛进行独立操作、浏览和探索。教育软件主要包括供教学和学习使用的教学软件（如教学课件），供为教学服务功能的教学工具软件（如排课系统、阅卷系统）和教学辅助软件（如各类教学平台、实验教学平台）。根据教学对象可分为：适用于儿童学习的软件（注重于形象、牛动、趣味性）；适用于在校学牛学习的软件（注重于体现教学目的、教学规律）；适用于各类人员学习的软件（注重于继续教育、辅助教学）；适用于教师教学活动使用的各类编程软件（注重于教学工具和辅助工具，如教学平台、评分系统）等。具有交－瓦性和网络共享性等特点。模拟电路虚拟实验教学系统提供了实验教学平台，借助网络环境是教师和学牛可以随时在系统中进行实验教学活动，属于网络教育软件。２．１．６网络教育资源建设技术规范目前，人们开发了越来越多的教育资源在＿可．联网上，由于缺乏统一的规划和管理，没有科学的网络教育资源的技术规范，使得网络上的教育资源得不到充分的利用、传播和共享。目前世界上很多标准化组织都在之一路网络教育资源的标准化研究并公布了一些标准或规范。其中比较有影响的有：ＩＭＳ的ＬｅａｒｎｉｎｇＲｅｓｏｕｒｃｅＭｅｔａｄａｔａ（学习资源元数据规范）、ＡＤＬ—ＳＣＯＲＭ（ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＬｅａｒｎｉｎｇ—ＳｈａｒａｂｌｅＣｏｕｒｓｅｏｂｊｅｃｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭｏｄｅｌ，高级分布式学习——科共享课程对象参照模型）、ＩＥＥＥＬＴＳＣ（ＬｅａｒｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｔａｎｄａｒｄｓＣｏｍｍｉｔｔｅｅ，学习技术标准化委员会）的ＬＯＭ（ＬｅａｒｎｉｎｇＯｂｊｅｃｔＭｅｔａｄａｔａ：学习对眼元数据模型）、ＯＣＬ（ＯｎｌｉｎｅＣｏｍｐｕｔｅｒＬ；．ｂｒａｒｙＣｅｎｔｅｒ）的ＤｕｂｌｉｎＣｏｒｅ原数据标准等。２００１年，我国教育不组织有关专家成立了现代远程教育技术标注华委员会，启动了中国远程教育技术标准研究项目，简称ＣＥＬＴＳ（ＣｈｉｎｅｓｅＥ—ｌｅａｒｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｔａｎｄａｒｄｓ）项目。该项目专门致力于网络教育技术标准的制定和推广Ｊ：作ＣＥＬＴＳ的体系架构是在参照美国的ＬＴＳＣＩＥＥＥ１４８４．１的基础上形成的，它包括总标准、教学资源相关标准、学习石‘相关标准、教学环境．午Ｉｌ关标准利教育服北京ｌ㈣Ｕ人学坝Ｉ，论文模拟Ｉ【Ｉ路慌拟实验教学系统的例究。ＪＪ够用务质量棚关标准等内容。目前比较成熟的标准草案已经公布，比如ＣＥＬＴＳ．３学习对象元数据规范、ＣＥＬＴＳ．３ｌ教育资源建设技术规范等。其中虚拟实验的相关标准属于学习环境类标准，其相关的标准研究已列入全困信息技术标准化委员会教育技术分技术委员会的研究计划中。２．２技术基础２．２．１计算机仿真技术，计算机仿真技术（ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ｔｓｏｊ禾Ｏ用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的－１＇７综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。仿真型实验采用计算机技术、仿真技术等构建虚拟实验环境、虚拟仪器和设备的方法，提供一种仿真的实验环境。虚拟实验是利用鼠标的点击、拖动，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括器材的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟。２．２．２Ｓｐｉｃｅ电路描述方式。ＳＰＩＣＥｔ惜Ｊ足英文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓＥｍｐｈａｓｉｓ的缩写，其字面的意思是针对集成电路的电路仿真程序，但是经过不断的扩充，它己经成为一个功能强人的通用电路仿真程序。’ＳＰＩＣＥ将计算机技术、数值分析方法和晶体管建模很好的结合在一起，可以验证电路设计和预测电路的行为，三十多年以来它＿直是丰要的管级电路仿真程序，是ＥＤＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，电子设计自动化）技术的基础，对于电子技术和信息技术的发展起了很大作用。ＳＰＩＣＥ的前身是１９６８年出现的非线性电路仿真程序ＣＡＮＣＥＲ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ１４北京邮Ｉ【１人学硕ｌｊ论文模拟ＩＵ路懦拟实，聆教学系统的ｆｉｊ｝究‘ｊ｝Ⅳ用ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＮｏｎｌｉｎｅａｒＣｉｒｃｕｉｔｓ，ＥｘｃｌｕｄｉｎｇＲａｄｉａｔｉｏｎ），１９７１年发布的改进的ＣＡＮＣＥＲ版本将名称改为了ＳＰＩＣＥ，其研制负责人是美国们克利大学的Ｄ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ教授。１９７５年发布了ＳＰＩＣＥ２，１９８３年发布了用当时比较流行的ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写的ＳＰＩＣＥ２Ｇ６，１９９３年发布了用Ｃ语言编写的比较成熟的ＳＰＩＣＥ３Ｆ版本，１９９７年发布了最新的ＳＰＩＣＥ３Ｆ５版本。由于ＳＰＩＣＥ在电路仿真方面的作用和重要性，使得Ｄ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ教授获得了１９９８年ＩＥＥＥ荣誉金奖，被称为ＳＰＩＣＥ之父。目前，几乎所有的电路仿真应用软件都是以ＳＰＩＣＥ为内核的，或者是在ＳＰＩＣＥ基础上的扩充，ＳＰＩＣＥ己经成为事实上的工业标准。因此，Ｓｐｉｃｅ是ＥＤＡ最基本的语言基础。国际上较为通用的仿真模拟系统，包括一些商业化的电路设计软件，都是以ＳＰＩＣＥ为基础，进行功能的扩充，使其能支持各种规模的数字、模拟和数模混合的电路仿真。同时还为其提供了图形化的接口，方便用户进行电路设计。在这一系列产品中，比较著名的有ＰＳｐｉｃｅ，Ｈ．Ｓｐｉｃｅ等。这些软件系统功能极为强大，．并且提供了友好的图像界面，也是许多大学乃至研究院进行电路教学和电路设计一的首选工具，其电路仿真结果具备极高的科学性和真实性。然而，这些优秀的软件却无法成为仿真核心的最佳选择。究其原因，一是因为这些软件均为商业性的独立系统，无法有效的集成到虚拟电路实验系统中：二是其功能过于强大，在实际应用中往往被用来作为电路设计的工具，而教学实验的一般只需要支持基本的电路仿真。２．２．３系统的开发流程教育软件与其他的软件在开发过程中的区别丰要在于需要将教育理念与需求分析过程相结合，根据实际的教育需要来确定软件的功能。教育软件的开发过程一般分为以下六个阶段【３‘ｌ：（１）计划阶段确定出所要开发软件系统的总目标，给出它的功能、性能、可靠性和接口等方面的要求，结合教育软件的使用单位或教育软件开发者提出的需求，做出软件开发的可行性分析以及相关工作计划。．?．？（２）需求分析阶段．．．这个阶段是将教育理念与需求分析相融合的过程，对软件提出的需求进行分析并给出详细的定义。形成系统需求说明书及初步的系统用户手册等。（３）软件设计阶段’。设计是软件开发工作的核心，在设计阶段，需要设计人员将已确定的各项需求转换成市｜Ｉ应的体系结构，这些体系结构由Ｌｊ需求一一对应的功能模块构成。所北京邮，Ｕ人学坝Ｉｊ论义模拟Ｉ【ｌ路虚拟实验教学系统的川究’ＪＪⅣ用有的设计工作都要形成详细的设计说明书，以供后继：Ｉ：作的使用。（４）软件实现阶段根据软件需求分析以及设计文档，对每个模块编码和实现。本阶段首先的任务主要由软件开发人员来承担。（５）软件测试阶段’软件测试阶段是保证软件质量的重要环节。在设计的测试用例的基础上对软件的各个组成部分进行测试，包括单元测试、集成测试等测试内容，以确定所开发的软件是否符合规定的各项需求，是否合格，能否交付用户使用。’（６）软件运行／维护阶段已交付的软件投入正常使用就进入了运行阶段，在这个阶段软件可能会由于各种原因需要修改，或做适当变更。。～．本文所介绍的模拟电路虚拟实验系统也是遵循了软件系统的一般升发流程，结合教育理念及实际教育教学的需要来完成的。１６