基于仿真技術(shù)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革研究與實(shí)踐

謝水英, 韓承江

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院, 浙江 紹興 312000)

基于仿真技術(shù)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革研究與實(shí)踐

謝水英, 韓承江

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院, 浙江 紹興 312000)

為克服高職電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)存在的抽象、枯燥、教材編寫呆板、教學(xué)方法單一等問(wèn)題,提出利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的仿真實(shí)性、預(yù)測(cè)性和可操作性,從師資建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和教材建設(shè)、教學(xué)方法和教學(xué)手段、學(xué)生成績(jī)考核方法等方面進(jìn)行教學(xué)改革探索與實(shí)踐。實(shí)踐效果表明,將仿真技術(shù)運(yùn)用到電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中,可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、操作能力和理論結(jié)合實(shí)踐的能力,提高教學(xué)質(zhì)量。

電類專業(yè)基礎(chǔ)課； 仿真技術(shù)； 教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為分析和研究系統(tǒng)運(yùn)行行為、揭示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)電子化實(shí)驗(yàn)技術(shù),具有非常強(qiáng)的逼真仿照性、再現(xiàn)性和預(yù)測(cè)性,打破了時(shí)間、空間和實(shí)物實(shí)驗(yàn)條件的限制,具有方便、節(jié)時(shí)、節(jié)約成本、形象生動(dòng)、可操作等許多優(yōu)點(diǎn)。它不但用于科學(xué)研究,也大量用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,成為現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)不可或缺的一種教學(xué)手段[1]。

1 研究背景

電類專業(yè)基礎(chǔ)課主要包括“電工基礎(chǔ)”、“電工與電子”、“電機(jī)與拖動(dòng)”、“模擬電子技術(shù)”、“自控原理”等課程。因課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施不足等原因,電類專業(yè)基礎(chǔ)課常開(kāi)設(shè)成理論課,而傳統(tǒng)的理論課教學(xué)方式和教學(xué)手段較單一,存在理論性強(qiáng)、抽象等問(wèn)題,教學(xué)效果不佳。

1.1 電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)問(wèn)題分析

本課題組曾對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)電類專業(yè)基礎(chǔ)課的情況進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,設(shè)置了“你喜歡哪門課”、“你對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課教材的看法”、“你對(duì)目前學(xué)業(yè)成績(jī)考核的看法”等20個(gè)項(xiàng)目,調(diào)查對(duì)象是我校2013機(jī)電一體化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、電子信息技術(shù)等專業(yè)11個(gè)班的466名學(xué)生。調(diào)查結(jié)果顯示：學(xué)生認(rèn)為對(duì)電類專業(yè)基礎(chǔ)課聽(tīng)不懂的原因是教學(xué)內(nèi)容太抽象、太理論化的達(dá)61%,認(rèn)為教師教學(xué)方法單一的達(dá)50%；認(rèn)為電類專業(yè)基礎(chǔ)課教材抽象、枯燥的也有26%。

分析電類專業(yè)基礎(chǔ)課存在的問(wèn)題,主要有[2]:

(1) 教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)、抽象枯燥,高職學(xué)生不喜歡聽(tīng),聽(tīng)了也不易理解；

(2) 教材大多沒(méi)有特色,形式呆板,內(nèi)容敘述深?yuàn)W、復(fù)雜、抽象、枯燥,學(xué)生不喜歡看,也不容易看懂；

(3) 教學(xué)方法和教學(xué)手段較單一,“滿堂灌”多,學(xué)生動(dòng)手少,難以提高學(xué)生興趣,教學(xué)效果不理想；

(4) 成績(jī)考核方法側(cè)重考查學(xué)生理論知識(shí)的記憶程度,一般是“平時(shí)分+期末筆試”,難以反映學(xué)生掌握知識(shí)技能的真實(shí)情況。

1.2 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

電類專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、比較抽象的特點(diǎn),又因?qū)嶒?yàn)條件不夠等原因,在實(shí)際教學(xué)中常開(kāi)設(shè)成理論課。在理論課教學(xué)中,教師講得多、學(xué)生動(dòng)手少,使學(xué)生感覺(jué)枯燥、乏味,教學(xué)效果不太理想。

仿真技術(shù)具有逼真仿照性、生動(dòng)形象和可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且設(shè)施非常簡(jiǎn)單,只要有一臺(tái)電腦就可以進(jìn)行操作,既可以進(jìn)行課堂演示,也可以開(kāi)設(shè)學(xué)生電子實(shí)驗(yàn)。仿真軟件功能強(qiáng)大,幾乎所有實(shí)物實(shí)驗(yàn)均可以開(kāi)設(shè)成仿真實(shí)驗(yàn)[3]。將仿真技術(shù)運(yùn)用到電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中,可較好地改變電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中抽象、枯燥的狀況,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的操作能力和理論結(jié)合實(shí)踐的能力,提高教學(xué)質(zhì)量。

2 基于仿真技術(shù)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革

本課題以“電工與電子”課程教學(xué)中應(yīng)用Multisim軟件為例,從師資培訓(xùn)、仿真實(shí)驗(yàn)和教材建設(shè)、教學(xué)方法和教學(xué)手段改革、學(xué)生成績(jī)考核方法改進(jìn)等方面進(jìn)行了基于仿真技術(shù)的教學(xué)改革探索與實(shí)踐[4]。

2.1 師資培訓(xùn)

目前高職電類專業(yè)基礎(chǔ)課教師隊(duì)伍中仍有部分教師不能很好地運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段。要積極鼓勵(lì)和支持這些教師參加專業(yè)培訓(xùn)、現(xiàn)代教學(xué)技能培訓(xùn)和網(wǎng)上下載軟件自學(xué)互學(xué)等,要求他們掌握主講課程的常用仿真軟件,如電工電子類課程可用Multisim、Proteus軟件,自動(dòng)控制原理、電機(jī)與控制課程可以用Matlab/Simulink等軟件。對(duì)于已經(jīng)掌握仿真技術(shù)的教師,要積極引導(dǎo)和要求他們使用仿真軟件輔助教學(xué)。

要形成普遍使用仿真技術(shù)輔助理論教學(xué)的良好氛圍,使電類專業(yè)基礎(chǔ)課教師不再只會(huì)進(jìn)行理論的講解,而應(yīng)能夠用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)進(jìn)行仿真演示、仿真實(shí)驗(yàn)和輔導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用仿真軟件,建設(shè)一支能利用1～3種仿真軟件進(jìn)行教學(xué)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教師隊(duì)伍[5]。

2.2 建設(shè)與教學(xué)內(nèi)容配套的仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)教材

開(kāi)發(fā)與教學(xué)內(nèi)容配套的仿真實(shí)驗(yàn),研究能利用仿真技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容整合、呈成方式,加強(qiáng)利用仿真技術(shù)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教材建設(shè)。

例如,“電工與電子”課程的直流穩(wěn)壓電源部分就可以設(shè)置“半波整流電容濾波(含半波整流)”、“全波整流電容濾波(含全波整流)”、“全波整流電容濾波穩(wěn)壓”等若干個(gè)Multisim仿真實(shí)驗(yàn)?！鞍氩ㄕ麟娙轂V波”實(shí)驗(yàn)的仿真電路圖與輸出波形圖如圖1所示。

圖1 半波整流電容濾波仿真實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,可以分別仿真有濾波電容和無(wú)濾波電容2種半波整流電路,讓學(xué)生比較2種情況下的輸出電壓波形差別,并由學(xué)生測(cè)量輸出電壓值。這種生動(dòng)形象、通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手操作獲得知識(shí)的過(guò)程,能使學(xué)生較好地掌握半波整流與半波整流帶濾波電容2種電路功能的區(qū)別、輸出電壓的區(qū)別和濾波電容的作用。改變電路中電容、電阻值,學(xué)生可以看到輸出電壓波形的變化、平均值的變化,從而掌握“時(shí)間常數(shù)”這個(gè)概念的含義及在這個(gè)電路中的作用[6]。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師可以設(shè)置電路故障,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,培養(yǎng)對(duì)電路故障的診斷與排除能力。

目前,電類專業(yè)基礎(chǔ)課配有仿真實(shí)驗(yàn)的教材很少,凡以仿真輔助教學(xué)的教師基本上都需要自己課前準(zhǔn)備,且由于資源不共享,存在精力、勞力的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此,建設(shè)含有仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教材是非常必要的。本課題組編寫的浙江省十一五重點(diǎn)規(guī)劃教材《電工基礎(chǔ)》(謝水英主編),其中有大量仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,這些仿真實(shí)驗(yàn)與每章的教學(xué)內(nèi)容配套,或是對(duì)電路規(guī)律、原理的探索與驗(yàn)證,或是對(duì)電路現(xiàn)象與工作過(guò)程的再現(xiàn),均能對(duì)教學(xué)起到很好的輔助作用[7]。

2.3 基于仿真技術(shù)的教學(xué)方法、手段改革

仿真技術(shù)可以用于課堂演示、學(xué)生電子實(shí)驗(yàn),也可以用于學(xué)生課后作業(yè)、復(fù)習(xí)、自學(xué)等方面,它可以豐富教學(xué)手段、改進(jìn)教學(xué)方法、拓展知識(shí)技能。

(1) 在課堂教學(xué)中進(jìn)行仿真演示,可以使抽象的知識(shí)變得直觀、形象、生動(dòng)和易理解[8]。例如進(jìn)行交流電的三要素(周期、初相角、有效值)教學(xué)時(shí),利用仿真軟件Multisim,就可以很形象地將這些概念及相互間關(guān)系展示出來(lái),如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)單的交流電路仿真實(shí)驗(yàn)

在圖2(b)中,通過(guò)調(diào)節(jié)交流電源中的初相角,學(xué)生可以觀察到波形起點(diǎn)的變化,測(cè)量起點(diǎn)電壓值,理解初相角的含義；通過(guò)比較示波器測(cè)得的電壓最大值(指針2讀數(shù)14.14 V)和圖2(a)中交流電壓表讀數(shù)(有效值10 V),說(shuō)明了正弦交流電最大值與有效值的數(shù)值關(guān)系。周期也可以用仿真示波器的2個(gè)指針測(cè)量出來(lái),與電源設(shè)置的頻率進(jìn)行比較,得出周期與頻率的關(guān)系。

(2) 在課堂教學(xué)中進(jìn)行仿真操作,可以將規(guī)律、原理由傳統(tǒng)的教師敘述、灌輸式教學(xué),變成學(xué)生探索式、研究式學(xué)習(xí)[9]。例如集成運(yùn)放電路的輸出與輸入關(guān)系,若以公式推導(dǎo),則學(xué)生不易掌握。圖3是反相比例運(yùn)算放大仿真電路。

圖3 仿真軟件生成的反相比例運(yùn)放電路圖

改變Rf/R1的值,輸出電壓值也隨之改變。通過(guò)Rf/R1值、輸入電壓Ui、輸出電壓Uo三者關(guān)系,可以方便得出反相比例運(yùn)放公式Uo=(-Rf/R1)Ui,并且通過(guò)增大輸入電壓或Rf/R1的比值,增大輸出電壓的理論值。但實(shí)際測(cè)量值達(dá)到-12 V(該運(yùn)放器的負(fù)飽和值)后絕對(duì)值不再變大,由此可以幫助學(xué)生較好地理解集成運(yùn)放飽和值的含義。

這種探索式、研究式的教學(xué)方法,不但可以提高學(xué)生的學(xué)生興趣,也有助于對(duì)難點(diǎn)知識(shí)的理解與掌握,加深記憶,起到較好的教學(xué)效果。

(3) 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合,可提高學(xué)生的操作能力和理論結(jié)合實(shí)際的能力。傳統(tǒng)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)很少給學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì),而仿真技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)這個(gè)不足，可開(kāi)設(shè)純仿真實(shí)驗(yàn),也可以開(kāi)設(shè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)前的仿真預(yù)演實(shí)驗(yàn)[10]。

在教學(xué)計(jì)劃安排上,可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容插入仿真實(shí)驗(yàn),讓每個(gè)學(xué)生都可以在機(jī)房動(dòng)手操作,或驗(yàn)證原理規(guī)律,或設(shè)計(jì)電路,或診斷排除電路故障。特別是電路設(shè)計(jì)與電路故障診斷排除的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,用仿真技術(shù)非常方便、靈活、有效。例如,放大電路很容易出現(xiàn)輸出失真,故障原因很多,在教學(xué)中可據(jù)此設(shè)計(jì)幾個(gè)排除故障的仿真實(shí)驗(yàn)[11]。

圖4為共射極單管放大電路仿真實(shí)驗(yàn),可以看出輸出信號(hào)產(chǎn)生了飽和失真。用Multisim仿真軟件特有的探針可知是基極靜態(tài)電流(38.5 μA)太大造成的。進(jìn)一步測(cè)量分析可知是基極電阻R2有漏電流或阻值太小造成的。在具體仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可以讓學(xué)生先設(shè)置故障,然后讓觀察電路現(xiàn)象,觀察不同故障的不同電路現(xiàn)象。通過(guò)多次練習(xí),可以提高學(xué)生根據(jù)電路現(xiàn)象診斷故障的能力,提高排除故障的能力[12]。

圖4 共射極單管放大電路仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)物實(shí)驗(yàn)的立體感、空間感、物理結(jié)構(gòu)等都是仿真軟件中平面化虛擬元器件無(wú)法做到的,因此在電類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中適當(dāng)安排實(shí)物實(shí)驗(yàn)是必要的。有了仿真技術(shù),可在實(shí)物實(shí)驗(yàn)前先仿真一下,使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和注意事項(xiàng)等先有個(gè)總體了解,這樣做實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)就能減少盲目性,提高成功率和效率、減少故障率和元器件損毀。特別是電路設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn),學(xué)生先用仿真軟件對(duì)電路結(jié)構(gòu)、元件選擇、元件參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和反復(fù)調(diào)試,直到得到最佳方案,然后再用此方案進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn),可以大大提高實(shí)物實(shí)驗(yàn)的成功率。由此也能提高學(xué)生的操作技能、理論結(jié)合實(shí)際的能力,甚至能提高創(chuàng)新能力[13]。

2.4 學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)考核方法改革

傳統(tǒng)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課考核成績(jī)是由平時(shí)成績(jī)和期末筆試成績(jī)2部分組成的。平時(shí)成績(jī)由平時(shí)課堂表現(xiàn)、完成作業(yè)情況決定,期末筆試內(nèi)容大多是記憶性的知識(shí)原理的考查。這種考核方法會(huì)造成只要平時(shí)出勤率高、作業(yè)抄得全,期末階段突擊一下、死記硬背幾天就能得到高分的現(xiàn)象,影響學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性、誤導(dǎo)學(xué)風(fēng),影響人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[14-15]。

本課題對(duì)2013機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)7個(gè)班的“電工與電子”課程考核方法進(jìn)行了較大改革:平時(shí)成績(jī)注重學(xué)習(xí)過(guò)程和能力的考核,期末考核添加操作技能測(cè)試,期末筆試內(nèi)容添加靈活運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的題型。

(1) 平時(shí)成績(jī)權(quán)重35%，含平時(shí)理論課堂表現(xiàn)、完成作業(yè)情況、電子實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)情況。特別是對(duì)電子實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量、時(shí)間等進(jìn)行隨堂打分,很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,且這個(gè)打分較前面2部分更能真實(shí)地反映學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)能力、對(duì)知識(shí)技能的掌握情況,也體現(xiàn)了重學(xué)習(xí)過(guò)程的考核創(chuàng)新[16]。

(2) 期末仿真操作考試權(quán)重15%。共準(zhǔn)備了9個(gè)應(yīng)用仿真軟件Multisim進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、測(cè)量和排除故障的操作大題目,上機(jī)考試時(shí)每人任抽一題進(jìn)行考試。由于是開(kāi)卷考試,具體題目較靈活,內(nèi)容覆蓋了重要知識(shí)、技能點(diǎn),能反映學(xué)生的操作能力和理論結(jié)合實(shí)際的能力?？荚嚱Y(jié)果表明，絕大多數(shù)學(xué)生都能考出80分以上的好成績(jī),且此類型考試也非常受歡迎。

(3) 期末閉卷筆試,權(quán)重50%。卷面分仍為100分,但減少了記憶類理論知識(shí)考查比例(占55分),加大了運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的應(yīng)用型題目(占45分)。例如某試卷最后一大題為:要求負(fù)載電壓30 V、電流150 mA,采用單相橋式整流、電容濾波電路,電源頻率為50 Hz，要求設(shè)計(jì)電路圖,且選用二極管型號(hào)和濾波電容(15分)。此題考查了學(xué)生對(duì)橋式整流和電容濾波兩部分知識(shí)的掌握情況,也考查了依據(jù)功能進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力。在考試時(shí)提供元器件型號(hào)參數(shù)表,供學(xué)生選擇。選擇元器件型號(hào)參數(shù)是從事電路設(shè)計(jì)與維修工作必備的一種實(shí)踐能力。

這樣的閉卷筆試卷面分不是很高,大多數(shù)只考出60～80分的成績(jī),但信度高、區(qū)分度好、成績(jī)呈正態(tài)分布,卷面分高的學(xué)生的確是知識(shí)掌握得較好的學(xué)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于有了功能強(qiáng)大的仿真電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使教師從疲于講解、窘于解惑的困境中解放出來(lái),使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)探索知識(shí)，并提高了操作技能。

本課題組就“電工與電子”(機(jī)電專業(yè))和“電工基礎(chǔ)”(自動(dòng)化、電信專業(yè))2門課的教改實(shí)踐,對(duì)學(xué)生進(jìn)行了無(wú)記名問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查表明:在機(jī)電類專業(yè)基礎(chǔ)課中,機(jī)電專業(yè)7個(gè)班318名學(xué)生中,有55.3%人更喜歡“電工與電子”課；在自動(dòng)化專業(yè)2個(gè)班70名學(xué)生中,有44.3%人更喜歡“電工基礎(chǔ)”；對(duì)于課堂教學(xué)法,機(jī)電、自動(dòng)化、電信3個(gè)專業(yè)466名學(xué)生中,有48.3%的人贊成在理論課中增加一些實(shí)物展示、仿真演示和視頻動(dòng)畫播放,多做一些實(shí)驗(yàn)。從調(diào)查可知,課題組試點(diǎn)進(jìn)行教改的課程是很受學(xué)生歡迎的,改進(jìn)的教學(xué)方法和教學(xué)形式也是學(xué)生所希望的。

經(jīng)過(guò)一年多教改實(shí)踐,本課題組教師基本上均能用1～2種仿真軟件輔助電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué),學(xué)生提高了學(xué)習(xí)興趣,拓展了知識(shí)面,增強(qiáng)了操作技能,提高了理論結(jié)合實(shí)際的能力和創(chuàng)新能力,電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量明顯提高。教改課程“電工與電子”(謝水英主持)成為校級(jí)精品課程,基于仿真技術(shù)的“教、學(xué)、做”浙江省“十一五”重點(diǎn)規(guī)劃教材《電工基礎(chǔ)》(謝水英主編)已由機(jī)械工業(yè)出版社出版且投入使用。

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A study of basic course teaching reform and its practice for electronics/electricity specialty based on simulation technology： In the “electrical and electronic” course as an example

Xie Shuiying, Han Chengjiang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

An exploration and application of teaching reform were conducted on multiple aspects such as teacher training, course content, textbook, teaching method, and students’ evaluation by taking advantage of reality, predictability and operability of computer simulation technology, in order to overcome problems existed in current basic course teaching for electronics/electricity specialty in colleges. The exploration reveals that application of simulation technology in basic course teaching for electronics/electricity specialty improves motivation, capability of theory and operability of students, which consequently enhances teaching quality.

basic course of electronics/electricity specialty; simulation technology; teaching reform

2015- 06- 17

浙江省2013年省級(jí)教改項(xiàng)目“教、學(xué)、做融合高職機(jī)電類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革研究”(jg2013330)

謝水英(1965—),女,浙江紹興,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)殡婎愓n程教學(xué)改革和電氣控制技術(shù).

E-mail：lbyzxsy@163.com

G642

A

1002-4956(2015)12- 0166- 04