新工科背景下虛擬仿真技術在“電路與電子學”課程中的應用與實踐

張向群 寧慧娜 秦慧玲

摘?要：在新工科背景下，針對“電路與電子學”課程理論晦澀難懂、學生學習積極性差的情況，課程組基于OBE教學理念，將虛擬仿真技術引入課程教學中。實踐表明，這些措施和方法調動了學生的學習積極性，提高了學生的綜合實踐能力、獨立思考與創(chuàng)新能力。

關鍵詞：虛擬仿真技術;新工科;課程改革;電路與電子學

中圖分類號：G642.07??文獻標識碼：A

1?概述

1.1?虛擬仿真技術引入課堂教學的意義

虛擬仿真又稱虛擬現實技術或模擬技術，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術。從狹義上講，虛擬仿真是指20世紀40年代伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究的新技術;從廣義上說，隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術是人類認識自然界客觀規(guī)律的一種基本方法和一項通用性、戰(zhàn)略性技術。

虛擬仿真技術是計算機科學發(fā)展的成果，虛擬仿真技術應用于教學代表著今后教學科研發(fā)展的新方向。將虛擬仿真技術應用到課堂教學有以下意義：

（1）構建高效課堂。使用虛擬仿真技術將重難點問題以仿真的方式呈現出來，加強直觀性，吸引學生注意力，使抽象的教學問題變得具體形象，提高知識的可接受性。

（2）不受時間和空間的限制。以往學生想要做實驗只能去實驗室，有了仿真軟件，學生就可以在自己的電腦上隨時隨地進行仿真。

（3）引入虛擬仿真技術進行實驗教學，可以降低實驗成本、減少事故發(fā)生和提高學生的創(chuàng)新能力。避免了學生做實驗時擔心安全事故、畏首畏腳、不敢嘗試的情況，同時避免了學生由于使用不當造成儀器損壞等不必要的資源浪費。利用虛擬仿真技術，學生不再擔心損壞設備和元件，敢于大膽嘗試更多的實驗，提高了學生的綜合實踐能力、獨立思考與創(chuàng)新能力。

1.2?“電路與電子學”課程的教學現狀

“電路與電子學”是電路基礎和模擬電子技術兩門課程的精簡版，該課程學時少而且本身難度較大，對學生的數學知識要求高。同時該課程內容晦澀難懂、枯燥，導致學生學習時一頭霧水，理解不深導致無法靈活運用，產生畏難情緒。因此，“電路與電子學”教學方法研究與改革顯得非常迫切。近年來，國內外不少老師嘗試將虛擬仿真技術應用到“電路與電子學”課堂教學。廣東藥學院的羅來成副教授利用Multisim軟件進行理論課堂演示[1]。北京郵電大學的孫丹丹利用虛擬仿真技術進行電子電路實驗教學探索，開發(fā)了一個虛擬仿真實驗平臺[2]。孫榮平利用多媒體仿真技術提高電路與電子技術的實驗效果[3]。王春娟利用虛擬仿真軟件proteus構建電路高效課堂[4]。山西工程職業(yè)學院的韓靜教授在模擬電子教學中采用虛擬仿真技術制作電子作品，提高學生的創(chuàng)新能力[5]。

我校信息工程學院的“電路與電子學”課程開設在春季，授課對象為物聯(lián)網工程專業(yè)和交控專業(yè)的大一學生。該課程理論內容多，實驗中要用到示波器、萬用表、信號發(fā)生器、頻率計等諸多儀器，而實驗教學受到各種條件限制等，導致學生動手能力較差。這不符合我校應用型人才培養(yǎng)定位和物聯(lián)網專業(yè)的培養(yǎng)方案，造成理想和現實之間的矛盾。將虛擬仿真技術應用到該門課程，可較好地克服上述弊端，有利于理論知識講授和加強實踐環(huán)節(jié)，把教學過程延伸到課前和課后，極大地調動學生學習興趣，提高教學效果?？傊摂M仿真技術在該課程的應用和實踐可以將該門課程變成“天使課程”。

2?改革方案的應用與實踐

課程組針對物聯(lián)網工程專業(yè)“電路與電子學”課程的特點，主要的工作包括以下幾方面：

2.1?根據OBE理念重新修訂“電路與電子學”課程教學大綱

物聯(lián)網工程學科是由網絡、計算機、電子等多個學科融合形成的、應用性非常強的、信息技術綜合集成化的工程應用學科?！半娐放c電子學”課程是物聯(lián)網工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎課程，其教學目的是通過講授電路理論、電子電路分析和初步設計方法，使學生獲得必要的電路分析的基本理論和技能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，為以后專業(yè)課學習打好基礎。該課程對應于物聯(lián)網工程專業(yè)培養(yǎng)方案中“具備扎實的模擬電路、數字邏輯與數字電路、計算機軟件、計算機硬件體系結構、編程語言、網絡及通信等相關學科的基本理論和基礎知識”“具有科學思維方法及綜合運用掌握的知識、方法和技術分析并解決復雜物聯(lián)網工程問題的能力，即具有一定的物聯(lián)網領域科學研究能力、物聯(lián)網相關軟硬件產品的開發(fā)能力”。

由于“電路與電子學”課程中所包含的知識點非常多，所以需要結合我校應用型本科定位和物聯(lián)網工程專業(yè)的特點，對這門課程教學內容進行規(guī)劃和取舍。我們課程組刪掉了一些晦澀難懂的深層理論內容，提高了虛擬仿真和實驗環(huán)節(jié)的比重。在重新整合教學內容后，采用項目驅動法進行教學。課程以一個綜合設計性實驗為統(tǒng)領，首先講解理論知識，然后讓學生完成仿真，最后進行實際實驗操作。在完成項目的過程中師生互動，生生互動，相互啟發(fā)，解決問題。以上工作的核心體現在修訂“電路與電子學”教學大綱，包括理論和實踐部分。

2.2?探索基于虛擬仿真技術的“電路與電子學”教學方法

將虛擬仿真技術應用于“電路與電子學”理論與實驗教學中，與傳統(tǒng)的理論和實驗教學有機地結合在一起，實現理工類課程實驗課的改革與創(chuàng)新，主要教學探索如下：

2.2.1?現有的虛擬仿真軟件

現有成熟的仿真軟件非常多，例如用于仿真電路與電子學、數字電路的軟件有SPICE、MATLAB、MULTISIM、POTEUS，用于仿真物理場的COMSOL，每個仿真軟件都需要占用計算機的內存空間，而且有一定的入門門檻。學生熟練掌握一門仿真軟件，需要一定的時間。此外，物聯(lián)網工程專業(yè)注重實踐，如果每門課程都需要學生學習一門仿真軟件，這不太現實，而且加重了學生的負擔。因此，在本項目的研究中，課題組首先要解決的問題是：在滿足“電路與電子學”虛擬仿真教學的基礎上，能否找到一個仿真軟件，貫穿于物聯(lián)網工程專業(yè)本科四年課程的教學過程中，形成一個體系。這需要在熟悉各個仿真軟件的基礎上進行詳細的分析和論證。

2.2.2?基于虛擬仿真技術的課堂理論教學

將虛擬仿真技術應用到理論教學中，主要表現是：在課堂教學中有針對性地對重難點進行軟件仿真，將虛擬仿真實驗用于理論課的多媒體課堂演示教學中，讓學生直觀看到結果，實現了理論與實踐的有機結合，使課堂教學更生動形象。例如，學生普遍對單管共射放大電路難以理解，用仿真軟件演示。調節(jié)滑動變阻器的電阻，調節(jié)基極的電流和改變靜態(tài)工作點的位置，讓放大電路分別工作在飽和、放大和截止區(qū)，學生可以通過虛擬仿真儀器看到飽和失真、正常放大和截止失真的波形。圖1顯示的是利用虛擬仿真軟件軟件仿真二極管雙向限幅電路的傳輸特性。

圖1?利用Multisim軟件仿真二極管雙向限幅電路的傳輸特性

2.2.3?基于虛擬仿真技術的實驗教學

利用虛擬仿真技術進行實驗教學非常便利，同時還可以根據今后實驗教學研究的新發(fā)展方便地進行實驗內容的更新。所用的計算機室可以和其他課程共有，不需要專門的資金進行設備投資。學生也可以隨時隨地進行學習，不受實驗資源和場地限制。學生既可在做完硬件實驗后做軟件仿真實驗進行分析對比，又可對各個實驗做參數修改、方案論證、結果觀察。例如，學生可以在仿真軟件上改變二極管和三極管的不同型號和規(guī)格，觀察不同放大電路的性能。

課程組的工作重點是：第一，仿真重難點實驗為學生的實際電路實驗做好鋪墊;第二，實驗過程操作容易出現失誤步驟的仿真，讓學生先用虛擬儀器進行仿真，避免操作失誤造成的電子設備、芯片、儀器損壞;第三，實驗室未購買的儀器或者暫時無法進行設備維修和升級的實驗仿真，學生的上課總是安排在特定的學期、學時、實驗室，這對于時間有一定的限制，如果時間錯過，實驗室即使進行了設備升級或者購買，學生也不一定有時間去做實驗，實驗室也可能安排了其他課程，因此，這類仿真在學校資金或者設備維修和升級等客觀不利條件下，讓學生的學習效果不打折扣;第四，擴展的創(chuàng)新綜合性課程設計實驗仿真。學生可以自行設計一些電路，例如收音機的諧振電路等，鼓勵學生做創(chuàng)新綜合性實驗。

需要注意的問題是：無論虛擬仿真技術有多少優(yōu)勢，并不代表它代替了真正的實際操作的實驗。虛擬仿真技術只是一種輔助手段，只有真實元件的實驗室操作才是最真實的實踐環(huán)境，實驗中出現的各種電路故障、經驗和教訓才是提高學生創(chuàng)新能力和實踐能力的根本。圖2顯示的是利用虛擬仿真軟件顯示單相半波整流電路的波形。

圖2?利用Multisim軟件顯示單相半波整流電路的波形

3?創(chuàng)新效果及意義

自從將虛擬仿真技術應用到“電路與電子學”課程以來，學生學習該課程的熱情很高，該門課程的學生成績也有大幅提升，平均成績提高了9分左右。學生評教結果顯示，學生對該課程的滿意度大幅上升。

物聯(lián)網工程專業(yè)目前是新興的專業(yè)，“電路與電子學”是物聯(lián)網工程專業(yè)基礎課，同時也是物聯(lián)網工程應用型人才所必須要掌握的核心內容，所以對這門課程進行教學建設是非常必要和關鍵的。這門課程的電路理論難度比較大，實踐內容受到硬件設備的限制，不利于提高學生的實際工程能力。將虛擬仿真技術應用在該課程教學中，使用仿真軟件來講授模擬電路的理論知識，使用虛擬仿真軟件提高實驗效果和實驗資源，有助于提高學生的動手能力和對電路基本的理解，能夠發(fā)動學生，讓學生主動參與實際的學習過程，實現高效課堂的目標，對開展這門課程有很好的輔助作用，為物聯(lián)網工程專業(yè)的應用型人才培養(yǎng)能夠起到很多好的支撐作用，也能為其他專業(yè)課程的建設進行經驗積累，同時也能夠為其他學校相關專業(yè)的相關課程提供參考。

參考文獻：

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[3]孫榮平，戚甫峰.基于多媒體仿真技術的電路與電子技術虛擬實驗教學系統(tǒng)[J].實驗技術與管理，2001（04）：4649+53.

[4]王春娟.虛擬仿真技術在構建模擬電路高效課堂中的應用[J].電腦知識與技術，2014，10（35）：84798480.

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教研項目：面向自主可控信息技術的產業(yè)學院建設探索與實踐（教育部新工科項目編號：EJSJRJ20201325）;許昌學院教育教學改革研究與實踐項目（編號：XCU2021YB056）;許昌學院校級思政建設項目（編號：XCU2021KCSZ062）

作者簡介：張向群（1978—?），女，河南洛陽人，博士，副教授，研究方向：聲學信號處理。