“模擬電子技術(shù)”課程開放式實驗教學(xué)平臺的研究與實踐

王革思

(哈爾濱工程大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

“模擬電子技術(shù)”課程是電氣類、自控類和電子類等專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的理論性、實踐性和工程性。隨著我國高等教育的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，這門課程在培養(yǎng)人才方面發(fā)揮出的作用越來越明顯。傳統(tǒng)的依附于理論課程的模擬電子技術(shù)實驗課程是以課堂教學(xué)為主，內(nèi)容單一，實驗數(shù)量少，更新緩慢，教學(xué)方法與手段滯后于現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展。而現(xiàn)有的開放實驗教學(xué)大多強調(diào)時間和空間開放，不注重實驗內(nèi)容上的開放，所以在一定程度上不利于學(xué)生自主性和創(chuàng)造力的發(fā)揮[1]。本文基于校園網(wǎng)設(shè)計開發(fā)出一種開放式實驗教學(xué)平臺——模擬電子線路虛擬實驗室，它既可以用于課堂實驗教學(xué)，又可以用于課外學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主實驗，在動態(tài)交互、情境創(chuàng)設(shè)、資源共享等方面具有明顯的優(yōu)勢，并取得了較好的教學(xué)效果。

1 開放式多層次、模塊化實驗課程體系構(gòu)建

實驗教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生包括動手操作能力、知識應(yīng)用能力、分析問題和解決問題能力在內(nèi)的工程實踐能力及創(chuàng)新能力[2]，而開放式教學(xué)是指教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等幾個方面的開放。因此，一門好的實驗課程既要重視課堂教學(xué)和書本知識，還要將教學(xué)活動由課堂延伸到課外，由課本知識聯(lián)系到生產(chǎn)、生活、科研等實踐知識，引導(dǎo)學(xué)生自主參與實踐活動，靈活地選取探索途徑和方法，為學(xué)生提供發(fā)展創(chuàng)造性思維和實踐的機會，從而使學(xué)生獲得創(chuàng)新的能力和方法。

基于培養(yǎng)工程型、研究與創(chuàng)新型人才的考慮，我們按照“強基礎(chǔ)、重能力、抓創(chuàng)新”的教學(xué)特色，對模擬電子技術(shù)實驗課程體系進行改革，以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主實驗、自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)[3]，建立“模擬電子技術(shù)”開放式、多層次、模塊化實驗課程體系。這種實驗課程體系注重教學(xué)內(nèi)容的整體優(yōu)化和學(xué)科之間的相互交叉滲透[4]，遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程，為不同發(fā)展特點的學(xué)生創(chuàng)設(shè)開放的、多樣的、自主的實驗教學(xué)環(huán)境，結(jié)合學(xué)習(xí)過程的差異去調(diào)節(jié)學(xué)生個體的智力、能力、興趣和特長，讓學(xué)生以自己的方法去思考，拓寬思路，不斷提出問題和解決問題，并得到知識能力和實踐能力的迅速提高。

在開放式實驗課程體系中是這樣構(gòu)思的：

第一層次是實訓(xùn)基本技能，包括演示、驗證、儀器儀表操作等，針對初學(xué)者的知識背景，強化理論知識的理解和實驗基礎(chǔ)，著重培養(yǎng)學(xué)生實驗技能和科學(xué)的思維方式，使學(xué)生初步掌握科學(xué)實驗的方法和設(shè)計思想；

第二層次是提升理論知識應(yīng)用能力，教師應(yīng)特別注意啟發(fā)式教學(xué)方法的靈活運用，通過對一些簡單、有工程背景的問題分析和研究，使學(xué)生了解和掌握電子線路分析、設(shè)計、仿真、安裝與調(diào)試整個過程，提高學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)作風(fēng)和認真嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度；

第三層次是培養(yǎng)綜合與創(chuàng)新能力，實驗教學(xué)內(nèi)容涉及多門學(xué)科理論知識，以學(xué)生為主體[5]，以教師指導(dǎo)為輔，內(nèi)容安排上既要體現(xiàn)知識的綜合性與創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力素質(zhì)培養(yǎng)，使學(xué)生熟悉和掌握科學(xué)研究的基本過程及方法，學(xué)生還可以自主提出具有一定水平和前瞻性的題目，倡導(dǎo)論文式的實驗報告，這樣可激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，有利于發(fā)揮學(xué)生的個性與特長[6]，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)自我超越。

2 開放式實驗教學(xué)平臺內(nèi)涵建設(shè)

2.1 基本目標(biāo)定位

以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建“模擬電子技術(shù)”課程開放式實驗教學(xué)平臺，一方面是教師利用教學(xué)平臺制作網(wǎng)絡(luò)課程，進行課堂實驗教學(xué)活動，也可以通過平臺組織學(xué)生討論、輔導(dǎo)、答疑、批改實驗報告等形式，使課堂實驗教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)上得到延伸，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；另一方面是提供各種教育教學(xué)資源，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以利用這些資源有目的地開展自主學(xué)習(xí)與實驗。具體建設(shè)目標(biāo)如下：

(1) 全方位開放。實驗不再受時間、地點、內(nèi)容的限制，學(xué)生可以在自己認為合適的時間和地點，選擇適合自己的實驗項目進行實驗，也可以隨時上網(wǎng)討論，或得到教師的輔導(dǎo)、答疑。

(2) 教學(xué)資源共享。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，由于信息手段落后，優(yōu)秀教學(xué)資源只能被少數(shù)人使用，資源不能充分發(fā)揮效益。網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)使優(yōu)秀的教學(xué)資源可以通過網(wǎng)絡(luò)傳播分配，彌補了教學(xué)資源稀缺的不足，全社會的每個受教育者都可以享受到這些教學(xué)資源，使其得到最優(yōu)化使用，價值無限擴大。

(3) 教師多元化。網(wǎng)上實驗教學(xué)活動，學(xué)生與教師之間呈現(xiàn)一對一、一對多、多對一、多對多的互動教學(xué)模式，學(xué)生在實驗課程的學(xué)習(xí)過程中可以師從多位教師。

(4) 教學(xué)過程非線性化。學(xué)生不再受傳統(tǒng)的教學(xué)計劃和課本知識有序性的制約，可以根據(jù)自身的知識結(jié)構(gòu)，進行跳躍式的學(xué)習(xí)。

(5) 實驗個性化。學(xué)生可根據(jù)自己的認知水平、知識結(jié)構(gòu)層次自由選擇實驗內(nèi)容，自行規(guī)劃、安排實驗進程，自主建構(gòu)自己的知識結(jié)構(gòu)，最大限度地發(fā)揮自己的主動性、積極性。

2.2 融合課程特點

“模擬電子技術(shù)”課程由理論教學(xué)、實驗教學(xué)和課程設(shè)計3個環(huán)節(jié)構(gòu)成，主要特點體現(xiàn)在3方面：

一是內(nèi)容多、覆蓋面廣、理論比較抽象，需要通過實驗演示、驗證來幫助學(xué)生理解；

二是應(yīng)用性及工程性很強，如從分立電路到集成電路，從單元電路到系統(tǒng)電路，必須通過學(xué)生自己動手實踐才能掌握；

三是電子信息技術(shù)發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新很快，容易造成教學(xué)滯后技術(shù)進步的局面。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式理論教學(xué)與實驗教學(xué)分開，而且理論知識往往過分追求教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性與完整性，忽視了其作為應(yīng)用學(xué)科的實用價值，使學(xué)生缺乏明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，難以理解課程的目的和意義，不但給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成很大困難，也影響了教學(xué)質(zhì)量的提高和人才的培養(yǎng)?！澳M電子技術(shù)”課程開放式實驗教學(xué)平臺將理論教學(xué)與實踐應(yīng)用相互統(tǒng)一，全面體現(xiàn)“模擬電子技術(shù)”課程的特點，使學(xué)生能夠明確本課程學(xué)習(xí)的目的、意義及應(yīng)用學(xué)科價值，給教學(xué)內(nèi)容與方法帶來了新的發(fā)展空間。學(xué)生通過平臺能夠探究知識的發(fā)生過程，掌握科學(xué)的思維方式，培養(yǎng)自己的探究能力和科學(xué)研究能力，并為畢業(yè)后發(fā)展和終身學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

2.3 創(chuàng)新實驗教學(xué)模式

傳統(tǒng)的“模擬電子技術(shù)”課程實驗教學(xué)是以教師為主體，學(xué)生處于被動接受知識的地位，創(chuàng)造性和積極性得不到有效激發(fā)。而實驗過程往往是學(xué)生根據(jù)教師的要求，按照教科書上的內(nèi)容自我灌輸，進行單一的實驗設(shè)計，然后再進入實驗室完成整個實驗，這樣就會造成實驗資源缺乏、實驗方式單一、經(jīng)驗交流不夠、知識難以掌握等弊端，學(xué)生也很難將自己的想法融入其中，大大降低主動參與實驗的興趣，在一定程度上制約了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展[7]。我們本著實驗教學(xué)與虛擬仿真相結(jié)合、自主實驗與啟發(fā)指導(dǎo)相結(jié)合、知識傳授與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計思想，運用多媒體、虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代教育技術(shù)手段創(chuàng)建了一種新的開放式實驗教學(xué)模式。這種新模式既適合于課堂實驗教學(xué)，又適合于學(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)、自主實驗，其發(fā)揮的作用是：

(1) 激發(fā)探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生自主性實驗?zāi)芰Γ?/p>

(2) 深化知識理解，提高學(xué)生實踐性技能；

(3) 模擬科學(xué)研究活動，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)；

(4) 創(chuàng)設(shè)開放式教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

2.4 研發(fā)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源

優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源是“模擬電子技術(shù)”課程改革與創(chuàng)新之源泉。為了有重點地突出本課程的特色，促進理論教學(xué)與實驗教學(xué)相互統(tǒng)一，使教學(xué)資源能夠與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才結(jié)合緊密，我們立足基礎(chǔ)理論技術(shù)的創(chuàng)新、開發(fā)與應(yīng)用，進行優(yōu)質(zhì)資源開發(fā)：

一是將科研、工程實踐、電子大賽及創(chuàng)新活動成果精心提煉成教學(xué)內(nèi)容，按照從基礎(chǔ)到創(chuàng)新的發(fā)展等級將模擬電路知識分成多組單元，集合成庫，并采用規(guī)范化、模塊化的設(shè)計，研發(fā)出技能實訓(xùn)、基礎(chǔ)知識應(yīng)用、電路分析、綜合與創(chuàng)新實驗共4類原創(chuàng)性實踐項目庫，其中包括21個實踐單元，124個實踐項目，而且每個實踐項目均具有典型性及工程背景，反映理論知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)；

二是統(tǒng)籌啟發(fā)、探究、觀察等多元化教學(xué)方法，運用現(xiàn)代教育技術(shù)及一體化設(shè)計方法，編寫制作《元器件知識》、《虛擬儀器使用》、《模擬電子線路分析 設(shè)計與仿真》、《EDA技術(shù)基礎(chǔ)教程》等12部電子版教材(課件)。這些優(yōu)質(zhì)資源尊重并符合學(xué)生的個體差異，內(nèi)容豐富、形式多樣化，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實驗及合作研究為主，教師的啟發(fā)、指導(dǎo)為輔，平時掛在教學(xué)平臺上，學(xué)生可以根據(jù)自身的基礎(chǔ)、興趣來選擇最適合自己的學(xué)習(xí)與實驗內(nèi)容，調(diào)整不同的進度、時間、地點，進行自主學(xué)習(xí)、自主實驗及開展科技創(chuàng)新活動。

3 開放式實驗教學(xué)平臺設(shè)計

3.1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)

虛擬仿真實驗系統(tǒng)作為“模擬電子技術(shù)”課程開放式實驗教學(xué)平臺的核心，包括4個子系統(tǒng)：

(1) 單元電路實驗子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括二極管電路、晶體管基本放大電路、功率放大電路、信號運算電路等10個實踐單元，可調(diào)用66個實驗電路，與理論教學(xué)內(nèi)容同步，突出設(shè)計性教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生加深模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論的理解和靈活運用，掌握先進的設(shè)計技術(shù)及方法，提高學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力。

(2) 電路分析實驗子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括1個實踐單元，可調(diào)用直流工作點分析、噪聲分析、失真分析等17個實驗電路，可使學(xué)生初步掌握如何檢測電路的電性能，評估元器件參數(shù)變化(包括故障)對電路造成的影響，以及分析一些較難測量的電路特性。

(3) 綜合創(chuàng)新實驗子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括傳感器、控制器、測量儀器、信號檢測、音頻信號放大電路等8個實踐單元，可調(diào)用26個實驗電路，實驗項目大多取材于工程應(yīng)用、電子競賽、業(yè)余科技制作及科研等開發(fā)成功的實際項目，主要訓(xùn)練學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

(4) 其他實驗子系統(tǒng)。該類子系統(tǒng)包括虛擬儀器使用、半導(dǎo)體元件測試2個實踐單元，可調(diào)用15個實驗電路，主要針對學(xué)生的操作技能實訓(xùn)，包括元器件正確選用、測試，虛擬儀器熟練操作及電路的“調(diào)”、“測”、“修”、“換”等。

3.2 多媒體課件展示系統(tǒng)

該系統(tǒng)著重自主型教學(xué)設(shè)計，不再受傳統(tǒng)的教學(xué)計劃和課本知識的有序性的制約，立足于促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變和知識的建構(gòu)，開展自主學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)、問題解決學(xué)習(xí)、主題探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等[8]。通過多媒體課件展示系統(tǒng)促進教學(xué)資源對良好認知環(huán)境的創(chuàng)建[9]，學(xué)生能夠瀏覽與自學(xué)《元器件知識》、《虛擬儀器使用》、《模擬電子線路分析 設(shè)計與仿真》、《EDA技術(shù)基礎(chǔ)教程》等多種網(wǎng)絡(luò)版教材(課件)。

3.3 師生交流系統(tǒng)

通過網(wǎng)絡(luò)，教師與學(xué)生開展互動交流，學(xué)生之間也可以在網(wǎng)上討論，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生“既想得到，又做得到”，進而培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新思想。教師制作的電子版教材、多媒體課件、視頻教學(xué)案例及數(shù)字化資料等均掛在網(wǎng)站上，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽、自學(xué)、預(yù)習(xí)及下載。

3.4 平臺管理系統(tǒng)

平臺管理系統(tǒng)分為前臺網(wǎng)站和后臺管理2個部分。前臺網(wǎng)站實時地從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)的內(nèi)容，并通過瀏覽器以網(wǎng)頁方式呈現(xiàn)。前臺網(wǎng)頁內(nèi)容的維護由后臺管理來實現(xiàn)。其中，信息管理主要包括添加或更改學(xué)生信息、修改密碼、更新留言板及信息公告等；內(nèi)容管理可對網(wǎng)站各欄目進行增添、刪除、修改等操作，完成網(wǎng)站內(nèi)容編輯后，系統(tǒng)自動完成排版，生成用戶可瀏覽的Web頁面；節(jié)點管理采用樹型方式管理課程資源節(jié)點[10]，很直觀地呈現(xiàn)各種教學(xué)資源節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)，從而提高使用方便性，并且通過遞歸算法，很容易地實現(xiàn)前臺的導(dǎo)航。

3.5 教學(xué)網(wǎng)站設(shè)計

(1) 開發(fā)環(huán)境與開發(fā)工具。采用Windows server 2003操作系統(tǒng)作為Web平臺運行的環(huán)境。在服務(wù)器端，使用ASP.NET體系結(jié)構(gòu)中的3層結(jié)構(gòu)來構(gòu)建Web平臺?；谙到y(tǒng)需求分析，選擇微軟公司的SQL Server 2005作為后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。

(2) 網(wǎng)頁設(shè)計。采用完全符合HTML及DHTML的網(wǎng)頁技術(shù)以及優(yōu)化頁面代碼和圖片技術(shù)，由純樹型目錄結(jié)構(gòu)建立網(wǎng)站文件目錄，利用TCP/IP傳輸及ASCII編碼的文件命名。在技術(shù)手段上，充分運用多媒體、虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，強調(diào)網(wǎng)站的交互性。學(xué)生既可以利用網(wǎng)站強大的交互功能進行實驗教學(xué)內(nèi)容的組織及自主學(xué)習(xí)和做實驗，又可以通過交流系統(tǒng)向教師提問，由教師進行在線答疑，形成人機互動、師生互動。網(wǎng)站地址為gslab.hrbeu.edu.cn。

(3) 虛擬實驗技術(shù)。Multisim是美國國家儀器公司(NI，National Instruments)推出的一種EDA工具軟件，它提供所見即所得的設(shè)計環(huán)境，互動式的仿真界面，功能分析與圖形顯示窗口，種類齊全的虛擬儀表及數(shù)千種電路元件等。利用Multisim創(chuàng)造虛擬實驗環(huán)境，這種虛擬實驗環(huán)境近乎真實情境，與實際工作相似。每個學(xué)生都能親自動手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計、邊實踐[11]，完全沉浸在現(xiàn)實的學(xué)習(xí)、工作情境中。在激發(fā)學(xué)生實驗興趣的同時，大大提高了課堂實驗教學(xué)效率[12]。

4 教學(xué)應(yīng)用情況

本項目研究歷時4年，按照邊研究、邊應(yīng)用的思路，研究成果相繼投入教學(xué)中。從2010年起，已經(jīng)在我校2008級—2011級本科生“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)中使用。課堂上教師可以通過典型電路的仿真演示，分析、講解工程應(yīng)用電路設(shè)計教學(xué)案例，讓學(xué)生掌握先進的設(shè)計思想及技術(shù)，加深對理論知識的認識和理解，提高知識綜合應(yīng)用能力，取得比較明顯的教學(xué)效果；課下學(xué)生可以利用豐富、多樣化的教學(xué)資源進行自主學(xué)習(xí)、自主實驗及科技創(chuàng)新活動，擴展視野，提高實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。部分成果現(xiàn)已作為大學(xué)生電子設(shè)計競賽的重點培訓(xùn)內(nèi)容之一。研究成果還獲得第十二屆全國多媒體課件大賽高教工科組二等獎。此外，根據(jù)相關(guān)信息統(tǒng)計，模擬電子線路虛擬實驗室用戶目前已經(jīng)遍及全國各省、直轄市和自治區(qū)，以及英國、美國及我國香港、臺灣等14個國家和地區(qū)，國內(nèi)幾十所大學(xué)用戶瀏覽過虛擬實驗室資源。

5 結(jié)束語

這種基于計算機技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計、開發(fā)的開放式實驗教學(xué)模式，必將給實驗教學(xué)改革注入新的內(nèi)涵，帶來新的發(fā)展生機，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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