基于强化理论设计远程虚拟实验室

【摘 要】本文探讨了在高校电工电子实验创新教学中应用新行为主义强化理论设计远程虚拟电工电子实验室，首先简单介绍了新行为主义强化理论，然后用理论指导，针对电工电子实验教学，设计了多个远程虚拟实验，探讨了设计方法，分析教学效果。

【关键词】强化理论；电工电子实验；远程虚拟实验室

一、引言

中国大陆很多高校中电工电子实验以验证理论课本知识为目的，学生只需要按部就班即可。电子课程属于较难的工科课程，实验课往往和理论教学同时进行，学生在实验中尚不懂电路知识，造成了实验教学效果差，学生实验效率低。

因此，浙江大学城市学院信电分院在实验教学中基于新行为主义强化理论设计了多个远程虚拟电工电子实验，并用之于实验教学上，取得了不错效果。本文介绍了设计思路和教学效果。

二、新行为主义强化理论

1.强化理论

强化理论是美国的心理学家和行为科学家斯金纳、赫西、布兰查德等人提出的一种理论，也称为行为修正理论或行为矫正理论。

巴甫洛夫在动物实验中发现了条件反射的作用,斯金纳把条件反射应用到人的学习中。斯金纳在巴甫洛夫条件反射理论的基础上，重新定义了强化。他提出了一种“操作条件反射”理论，认为人或动物在一定的环境中，为了达到一定目的，会采取一定的行为作用于环境。当这种行为的后果对他有利时，这种行为就会在以后重复出现；不利时，这种行为就减弱或消失。人们可以用这种正强化(positive reinforcement)或负强化(negative reinforcement)的办法来影响行为的后果，从而修正其行为。

某些行为可以使人们得到通常所说的奖赏，从而鼓励这些行为，这个过程这就是强化理论中的“强化”。

斯金纳认为，任何能够提高操作出现概率的事物都是强化，强化在有机体条件反应的形成中起着关键作用，强化决定了动物的行为是否会发生变化，新的行为模式要练习多次才能形成，以及形成后能保持多久。

斯金纳学习理论的核心概念就是强化。

2.实验教学与强化

强化理论对当今的学校教育有着深远的意义。在学校教育中，通过对学生的各个方面进行强化，教师可以修正学生的行为方式，塑造学生良好的行为习惯。通过教师不断地强化，引导其向积极健康的方向发展。

浙江大学城市学院电工电子实验室把强化理论应用到了实验教学中。

第一，在电工电子实验教学中，把实验教材分为多个教学单元，实验教师设计了多个远程虚拟实验用来辅助教学，采用了程序教学的原则，在每个教学单元前，通过远程虚拟实验进行预习来强化学生对电工电子学的认识，每个虚拟实验包括“解释-提问-解答-确认”四个环节。

第二，在虚拟实验中贯彻了即时强化的原则。在远程虚拟实验中，在输入数据后，可即时印证正确与否。在心理学上，行为主义大师斯金纳指出：“教师也常常设想，自己的作用只是指出学生错在哪里，但是如果指出学生对在哪里，常常会使课堂的气氛和教学效果产生巨大的差异。”为了强化学习效果，虚拟实验中，学生正确的行为会得到鼓励。

第三，在虚拟实验中多用正强化，当学生正确，予以鼓励。

第四，在现实生活中，更大量存在的是间歇性的强化。用问歇强化形成的行为相当稳定，也极难被消退。可以对个体的行为根据时间或行为次数来进行间歇强化。虚拟实验主要用在学生的课前预习中。

三、远程虚拟实验的实现方法

1.基于LabVIEW8.6的远程虚拟实验

LabVIEW是美国NI（National Instrument）公司领先的图形化系统设计软件，凭借图形化的设计模式和强大的系统模块完成各种设计和控制程序。

通过LabVIEW软件，把LabVIEW嵌入到WEB网页中，从而实现BrowserServer(浏览器服务器)结构的远程电工电子创新实践平台。通过虚拟实验室，学生可以通过交互式控制完成远程实验。

在LabVIEW中，使用源代码（LLB）的方式目标VI，可以很好的解决上述问题：将目标VI（am.vi）和它所调用的子VI一并打包生成为一个LLB；同时，修改HTML文件，将此LLB作为嵌入网页的目标。这样，当客户端的浏览器链接至此HTML时，会自动从服务器端下载LLB至本机的临时文件夹中，并在本机上独立运行其中的指定VI（a1.vi）。另外，在生成LLB时可以选择去掉所有VI的程序框图，这样可以保护程序的源代码。

2.远程虚拟电工电子实验室简介

目前远程虚拟电工电子实验室上开发了32个虚拟实验项目，可以虚拟14个数字电路实验，13个模拟电路实验和5个电工电子实验。实验可以操作，可以记录数据，大部分实验有练习题，

3.远程虚拟实验设计方法

首先定义实验内容，设计实验数据模型，仿真数据可以通过公式拟合，也可以读取实验数据数据库。然后使用LabVIEW 8.6编码实现虚拟小实验；再次通过LabVIEWLLB文件；最后建立一个网站，将对应实验LLB嵌入网页中。

如图1是虚拟电工电子实验室首页。

4.设计案例-三瓦法测功率

每个虚拟实验包括“解释-提问-解答-确认”四个环节。

首先对三瓦法做出解释“三相四线制电路中负载所消耗的总功率需用三只功率表分别测出A,B,C各相负载的功率,然后相加,即分别为A,B,C相负载消耗的功率，这种测量方法称为三瓦计法”。三瓦法主界面如图2所示。

其次，定义数据模型，本实验数据比较简单，直接编程实现模型，将真实测量数据预定义给瓦特表。设计程序框图如图3所示。

第三，提问-解答，程序中设计了输入数据表格，学生在仿真以后，需要填写表格，回答数据。、

第四，学生正确回答以后，将会获得积分。用来鼓励学生。

四、远程实验学生反馈

1.学生使用情况

启用后，在2010-2011学年第2学期每个实验学生平均每周有4学时的实验教学，共有322名学生参加实验。学生在教师教学前，已经对实验内容和实验效果有了了解，减轻了实验教师工作量。在2011-2012年第1学期共有314名学生参加实验。

2.学生反映

在学生使用远程实验系统以后，对上课学生做了问卷调查，答卷中88.2%的学生喜欢远程虚拟实验 ，欢迎这种教学方式。72%的学生认为远程实验强化了对电子电路的知识。

五、结束语

浙江大学城市学院信电分院，基于强化理论设计了远程虚拟电工电子系统，用于学生学习电路知识。学生对此反映良好，减轻了教师的工作量，取得较好效果。

参考文献：

[1]付瑜.斯金纳的强化理论及其在学校教育中的应用[J].中国电力教育，2008（4）.

[2][美] 斯金纳著，施良方译.自由与幸福的学生[A].瞿葆奎主编教育学文集——教学(上) [c].北京：人民教育出版社，1988：521.

[3]兰继军李磊 论新行为主义强化理论与教师的行为[J].社科纵横，2004-6.

[4]NI高校技术市场部.《基于LabVIEW构建远程实验室技术指导书》.

资助信息：2010年浙江省教育技术规划项目 编号JB031.