基于虛擬仿真的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案探索

胡維++張方櫻

摘 要： 文章根據(jù)廣州大學(xué)現(xiàn)有電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，提出了虛擬仿真電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方案，以及逐步應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的方法，并對(duì)教材的編寫和團(tuán)隊(duì)建設(shè)進(jìn)行了探討，為虛擬仿真電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了改革的總體框架。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真 電路實(shí)驗(yàn) 立體化 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1.引言

電路實(shí)驗(yàn)系列課程（以下統(tǒng)稱為電路實(shí)驗(yàn)）包括：電路實(shí)驗(yàn)、電工與電子技術(shù)、電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)，是高等學(xué)校電類、非電類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。目前國(guó)內(nèi)大中專院校絕大部分仍然延續(xù)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，即在教授理論知識(shí)的同時(shí)，根據(jù)課程設(shè)置，延后一段時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。顯然，這種實(shí)驗(yàn)安排方法造成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證落后于理論教學(xué)的進(jìn)度，特別是工科專業(yè)較多的學(xué)校，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排的限制，甚至出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課提前于理論知識(shí)的情況。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法獲得實(shí)驗(yàn)的感性知識(shí)，理論—實(shí)驗(yàn)—認(rèn)知這一傳統(tǒng)的教學(xué)模式被割裂的同時(shí)，也不利于知識(shí)的吸收、轉(zhuǎn)化。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不依賴于具體的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器，克服了以前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間、場(chǎng)地、器材限制等弊端。同時(shí)由于學(xué)生操作具有不可預(yù)知性，教師在開(kāi)發(fā)和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)都需要預(yù)知可能出現(xiàn)的問(wèn)題，這對(duì)教師教學(xué)方式的變化和教學(xué)能力的提高都有著積極的作用。

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)存的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾提供了很好的解決方案。國(guó)內(nèi)部分高校的電路實(shí)驗(yàn)課程加入了軟件仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有利于學(xué)生對(duì)電路基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理解吸收。為此，本項(xiàng)目旨在探索將虛擬仿真技術(shù)引入電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，將“課程+實(shí)驗(yàn)”的理念引向深入，創(chuàng)建“理論授課—虛擬實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”融合的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，最大限度地共享實(shí)驗(yàn)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)的使用效率，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的初步推廣試行。

2.存在的問(wèn)題

據(jù)2012年全校本科專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，廣州大學(xué)校內(nèi)現(xiàn)有三個(gè)學(xué)院八個(gè)專業(yè)四門課，年均292個(gè)學(xué)時(shí)，共14000人機(jī)時(shí)數(shù)電路實(shí)驗(yàn)?？梢哉f(shuō)電工學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才的基石，但由于歷史及其他各方面原因，我校目前電類實(shí)驗(yàn)存在以下幾方面的問(wèn)題：

（1）由于經(jīng)費(fèi)有限，加上近幾年專業(yè)的擴(kuò)招，部分班級(jí)的學(xué)生人數(shù)甚至超過(guò)50人，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室的硬件跟不上，儀器設(shè)備陳舊老化且數(shù)量不足（影響了正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，進(jìn)而影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量）。

（2）傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，造成學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不夠，雖然可在課后預(yù)約開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，但受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，無(wú)法完成。因此，部分學(xué)生為了在正常教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，抄襲他人實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到實(shí)驗(yàn)器材的限制，嚴(yán)重落后于理論教學(xué)和科研的發(fā)展。

（4）在學(xué)校擴(kuò)招這一大環(huán)境下，功能實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備數(shù)量無(wú)法滿足教學(xué)大綱所要求的一人一套設(shè)備等條件，使得部分實(shí)驗(yàn)必須將一個(gè)自然班分成幾個(gè)組進(jìn)行排課，大大影響了教學(xué)效果，也不利于教務(wù)部門的教學(xué)管理與監(jiān)督。

（5）綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，受到實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，無(wú)法達(dá)到教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

基于以上考慮，本章旨在探索將虛擬仿真技術(shù)引入電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，一方面，最大限度地共享實(shí)驗(yàn)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)的使用效率，有利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新，另一方面，學(xué)生可以突破時(shí)空的限制在計(jì)算機(jī)上完成各種實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)改革的實(shí)施方案

廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心電子信息實(shí)驗(yàn)室在《電路實(shí)驗(yàn)》平臺(tái)課程的基礎(chǔ)上，提出了虛擬仿真電路實(shí)驗(yàn)的改革方案。首先選取了“基爾霍夫定律的驗(yàn)證”、“一階電路過(guò)渡過(guò)程的研究”兩個(gè)典型的電路實(shí)驗(yàn)，在大學(xué)一年級(jí)電類專業(yè)學(xué)生試運(yùn)行，得到了第一手資料，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)原有電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)，編寫了與之對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和電子課件教案，對(duì)一些關(guān)鍵項(xiàng)目提供了DV視頻。隨后在學(xué)校電工平臺(tái)課程的教學(xué)大綱中，將原有“電路仿真軟件入門”實(shí)驗(yàn)調(diào)整為虛擬仿真相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并最終將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)推廣至所有電類、非電類專業(yè)，直至電類選修課。

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用。跟相關(guān)公司合作，提出了適合本校電路實(shí)驗(yàn)仿真的典型案例，并將所搭建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)逐步在低年級(jí)學(xué)生中推廣。首先挑選了基爾霍夫定律的驗(yàn)證、一階電路過(guò)渡過(guò)程的研究?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)，在14級(jí)電信專業(yè)大學(xué)一年級(jí)下學(xué)期的《電路實(shí)驗(yàn)》中進(jìn)行測(cè)試。廣州大學(xué)電信專業(yè)14級(jí)有四個(gè)班，共計(jì)180余人，其中參與了《電路實(shí)驗(yàn)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的約120余人。在進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)教師安排了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)，并提前一個(gè)星期進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和試做。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)的前兩天，實(shí)驗(yàn)教師查看虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析，了解了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面的難點(diǎn)和錯(cuò)誤之處，并有針對(duì)性地講解。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教師普遍反映，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度較之以前更好，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的速度更快，實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)能力也有一定的提高。

在本學(xué)期，廣州大學(xué)將購(gòu)置《電路實(shí)驗(yàn)》虛擬仿真平臺(tái)，并在15級(jí)電信專業(yè)、電子專業(yè)中全面展開(kāi)，為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供新的思路和方法。

（2）立體化實(shí)驗(yàn)教材的編制。為了加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的相互結(jié)合與促進(jìn)，作者致力于進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材編制，編寫了與原有實(shí)驗(yàn)臺(tái)和元器件參數(shù)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教材，并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中進(jìn)行了適用，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的推廣起到了一定的作用。

新編寫的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教材力爭(zhēng)內(nèi)容和形式的立體化，具體包括以下內(nèi)容：

內(nèi)容立體化：研究已學(xué)課程和后續(xù)課程內(nèi)容和定位，融入進(jìn)階提高和未來(lái)課外創(chuàng)新等需求，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，編入了部分在實(shí)驗(yàn)課程中無(wú)法進(jìn)行的提高實(shí)驗(yàn)，比如對(duì)二階電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)，加入了RLC串聯(lián)、并聯(lián)，并觀察電感電流的暫態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；

形式立體化：充分利用信息化技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)，編制了包括紙質(zhì)教材、PPT、典型環(huán)節(jié)演示的DV視頻、PC操作演示屏幕錄像，網(wǎng)絡(luò)課程等各類教學(xué)資源，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。考慮到核心教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)和相關(guān)培訓(xùn)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上形成定期培訓(xùn)、交流參訪的機(jī)制，確保團(tuán)隊(duì)建設(shè)穩(wěn)中有升；定期舉辦教研會(huì)議，邀請(qǐng)專家或廠家專題講座，鼓勵(lì)相關(guān)老師外出培訓(xùn)和進(jìn)修，持續(xù)改善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)組織方式，為教學(xué)改革的推行提供了可靠保障。

4.結(jié)語(yǔ)

本文章針對(duì)目前電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待解決的問(wèn)題，提出了利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的方案，并在14級(jí)電信專業(yè)學(xué)生中試行了《電路實(shí)驗(yàn)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?；谶@些初步的探索，探討了電路這一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的路徑。

研究表明，可在建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)高校電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際情況，逐步在電類專業(yè)推行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，并且編寫立體化實(shí)驗(yàn)教材，指導(dǎo)學(xué)生課后、課外的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐。由此提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度、實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)能力，加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的速度，實(shí)現(xiàn)了“理論—仿真—實(shí)物實(shí)驗(yàn)—驗(yàn)證理論”的良性循環(huán)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，有利于促進(jìn)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)興趣，強(qiáng)化科研創(chuàng)新能力。

本文提出的改革方案具有實(shí)用性、可行性和可操作性，適用于各大中專院校，特別是工科專業(yè)較多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

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