基于Multisim 的電工與電子技術課程多平臺混合式教學模式

摘 要： 針對電工與電子技術課程傳統(tǒng)授課方式，指出了該課程在理論和實驗教學方面存在的問題，并結合學習通和Multisim 仿真軟件開展線上線下多平臺混合式教學模式探究，主要圍繞Multisim 電路原理知識短視頻的制作與實驗仿真、課堂對分教學的實施、基礎→提高→創(chuàng)新遞進式實驗內(nèi)容的構建，以及課前、課中、課后教學過程考核評價機制的完善，將教師的角色由講授者轉(zhuǎn)化為引導者。此教學模式既能有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力，又能調(diào)動學生的自主學習能動性，對其他院校非電氣化專業(yè)電工與電子技術課程的建設具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：Multisim；電工與電子技術；教學改革；非電氣專業(yè)

中圖分類號：S24；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0130-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411320

0 引言

電工與電子技術課程是農(nóng)林院校工科非電氣專業(yè)大二期間一門理論性強的基礎必修課[1]。本課程在各種用電設備、儀器儀表、建筑工程、水利工程和智能設備等方面有著重要應用，涵蓋電工、模擬電路和數(shù)字電路3 個模塊[2]。通過本課程的學習，使學生具備使用標準電工設備進行測量分析及產(chǎn)品標準化設計的能力，引導學生建立正確的工程理念和工程思維[3-4]。

近年來隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、虛擬實驗仿真平臺、5G 通信等信息技術的不斷進步，在新工科教育背景下，先進的信息技術與學生教育教學改革的全面融合成為了必然的發(fā)展趨勢[5]。學校鼓勵各學院和相關教師在傳統(tǒng)授課模式下，充分利用釘釘、騰訊會議、超星直播客戶端學習通等線上平臺拓寬教學方法[6]。此外，還組織專業(yè)教師向教學名師或其教學團隊學習線上相關的示范課程及教學技能，以便于掌握新型的教學手段，建立線上課程。

電工與電子信息技術在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與大數(shù)據(jù)、5G 與通信技術及新能源汽車等領域發(fā)展迅猛，致使新一代大學生對電工與電子技術課程的新知識、新理念、新技術需求日益增加。但目前教學形式是以教師傳統(tǒng)課堂講授為主，并且是100 多名學生的大課堂授課模式。這顯然難以滿足學生對新知識的求學熱情，也難以對不同學生做到因材施教。同時，本課程實驗教學部分的培養(yǎng)目標是加深學生對電工與電子技術定理定義的理解，提升應用相關理論知識解決工程實際問題的綜合素養(yǎng)。然而，實驗內(nèi)容與工程應用嚴重脫節(jié)、實驗設備陳舊及總課程學時不斷縮減，制約了學生運用電路知識解決實際工程問題的創(chuàng)新能力。因此，如何改革本課程的理論與實驗授課模式，有效服務多數(shù)學生的學習需求，推動教育信息化和新工科專業(yè)發(fā)展，是一個既艱巨又長期的重大課題。

1 課程教學存在問題

1.1 理論課程教學

（1）脫離實際情境灌輸知識。在傳統(tǒng)授課模式中，學生只能通過每節(jié)45 min 課堂聽講的方式，被動地學習專業(yè)理論知識。這種滿堂灌的教學模式使教師難以根據(jù)學生的課堂表現(xiàn)準確判斷學生某一知識點的掌握程度，而學生自身的知識儲備和理解能力有限，導致學生思維模式固化，嚴重限制了學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

（2）不斷壓縮課堂學時。本課程的重難點知識較多，各種公式的推理過程及定理定義的分析方法復雜。這需要保障學生具有一定的學習時間才能吃透這些難懂的知識點。但是在農(nóng)林院校非電氣工科專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中將本課程教學時間縮短至32 學時（24 理論+8 實驗）。再加上學生課外活動豐富，導致學生較少在課后溫習功課，從而增大了學習難度。

（3）學習過程考核方式不全面。目前本課程以卷面考試（70%）和平時出勤（30%）為主。這忽視了對學生作業(yè)完成情況、平時課程預習復習情況及實驗操作能力的考核和評價。同時，期末考試成績的過分看重，會導致學生考前采用死記硬背的方法對本課程的知識進行臨時抱佛腳，而不能深入理解與運用這些知識，致使很多學生即使修完了本課程也難以勝任社會中的專業(yè)工作崗位。

1.2 實驗課程教學

（1）實驗內(nèi)容多以驗證為主，缺乏工程實用性。學生機械地按照實驗指導書的步驟來驗證理論知識，而較少接觸相關的項目研究。有些實驗內(nèi)容與本專業(yè)發(fā)展關聯(lián)不大，致使學生對實驗內(nèi)容的研究興趣與積極性不高。

（2）實驗設備陳舊，數(shù)量有限，并且測量誤差較大。目前電工電子實驗室的設備僅限于應用簡單電路結構，如基爾霍夫定律、戴維寧定理、疊加原理等，對復雜電路的設計及項目式電路結構的實現(xiàn)難以滿足。此外，實驗室設備的測量值與理論計算值相差較大，如實驗室的示波器可以將共射型放大電路的靜態(tài)工作點及動態(tài)分析結果顯示出來，但面對更深層次的飽和失真和截止失真卻怎么也不顯示，這迫使學生難以理解飽和失真和截止失真的發(fā)生原理與改進措施。同時，又因為學生數(shù)量較大，致使每位學生使用電工電子實驗室的時間很短，需要輪動排班才能進行實驗操作。

（3）教學方法單一，創(chuàng)新性不足。實驗課堂中教師常常采用現(xiàn)場演示的方式讓學生掌握實驗要點，而學生也常常采用手機視頻錄制或者記憶的方式去重復教師的實驗步驟，這不利于學生遇到電路問題時培養(yǎng)探索解決方法的專業(yè)能力。

（4）實驗過程考核方式不全面。實驗分數(shù)以實驗考勤和撰寫實驗報告為主，對學生實驗過程的操作能力、解決電工電子方面的小型項目專業(yè)問題的能力、團隊合作溝通能力及創(chuàng)新思維等方面沒有進行考核，這顯然不符合新工科背景下應用型人才的培養(yǎng)要求。

2 課程改革思路和建議

本課題以農(nóng)業(yè)機械化及其自動化（簡稱農(nóng)機）、機械制造及其自動化（簡稱機制）、農(nóng)業(yè)智能裝備工程專業(yè)的學生為授課對象，將對分課（即以學生為中心、教師為輔導）教學新模式引入日常課堂教學管理中[7-10]。結合傳統(tǒng)實驗教學手段，編寫基于Multisim 仿真軟件的虛擬實驗內(nèi)容，并將其上傳至線上學習通課程資源平臺中，為充分激發(fā)學生在知識方面的主觀能動性，培養(yǎng)具有工程實踐能力人才奠定基礎。

2.1 結合Multisim 構建學習通網(wǎng)絡教育平臺

理論課前，教師將課程的重難點基于Multisim 仿真軟件分解制成各種短視頻，并在課前（學習任務的發(fā)布以兩學時為準）發(fā)布給學生以激發(fā)學習興趣。學習通上也會發(fā)布Multisim 仿真軟件的基本操作方法及驗證型實驗仿真短視頻， 以幫助學生快速掌握Multisim 的使用方法，培養(yǎng)學生的超前自學能力。課前學生通過觀看電路原理的短視頻產(chǎn)生直觀印象，然后帶著問題進行之后的學習。這有利于學生利用碎片化時間學習電工電子方面的知識，也有利于學生課前理解抽象難懂的知識點。如正弦交流電路、RL 和RC 電路的暫態(tài)分析及繼電接觸器控制系統(tǒng)及可編程控制器、運算放大器、觸發(fā)器和時序邏輯電路等。

實驗課前，要求學生認真學習與本實驗內(nèi)容相關的教學資源，提供一份完整的實驗預習報告。課前一般會提前一周發(fā)布課堂任務，為學生留足思考時間。這樣可讓學生明確本實驗目標，提出要解決的關鍵問題，從而培養(yǎng)學生自學和解決電路實際問題的能力，提高實驗教學效率。

2.2 基于Multisim 實現(xiàn)理論課堂對分

對分課堂模式不同于傳統(tǒng)教學中的全面講授，是將教師的角色由講授者轉(zhuǎn)化為引導者，將學生作為課堂的中心，探索電工奧秘，引導學生積極主動思考問題。在對分課堂中，教師將凝聚更多時間去甄別挖掘典型電工電子工程實例，并在學習過程中時刻指導學生完成所發(fā)布的項目任務，調(diào)動學生的學習熱情，組織學生以團隊的形式對所學難點進行思考和探討，如圖1 所示。

通過知識點提煉和短視頻觀看的方式對一般性理論知識進行講解。對于重難點而言，除了上述方法以外，還需要收集典型實例、實驗操作和課后練習等。如在講到疊加原理（根據(jù)學生學習感受獲得本課程的疑難點）時，教師要先對疊加原理進行詳細講解，通過工程實例將理論知識與實際應用相結合。其次，教師給出一個典型電路，由學生通過獨立思考→分組討論→共同解答（利用Multisim 仿真軟件實現(xiàn)電路運行和定理的驗證）來完成。再次，由教師隨機選擇3～4個小組發(fā)言交流，其他未發(fā)言交流的小組仔細聆聽，并對已提出的方案進行質(zhì)疑與分析。最后，由教師查看仿真結果并評價總結，并在電工電子實驗室中利用Multisim 仿真軟件設計電路圖紙。這樣通過教師精講、學生內(nèi)化、小組討論和全班交流4 個環(huán)節(jié)，使學生對知識的掌握按照了解→討論→理解→運用的遞進過程來完成。教師在巡回指導過程中將按照如圖2 所示的教學活動評價表對各組進行打分，并將其分數(shù)計入課中探究中。

2.3 利用Multism 構建遞進式實驗教學內(nèi)容

為促進新工科專業(yè)的發(fā)展，實驗教學內(nèi)容將設置為驗證型、設計型、創(chuàng)新綜合型，占比3∶3∶4。通過對電工電子技術課程實驗教學大綱進行修訂，構建基礎→提高→創(chuàng)新遞進式實驗內(nèi)容，提高實驗內(nèi)容的深度和廣度。實驗基礎部分主要體現(xiàn)在直流電路及其分析方法（電源等效變換、基爾霍夫、暫態(tài)分析、疊加原理、結點電壓、戴維寧），以及半導體二極管、三極管的使用和工作特性上。實驗提高部分主要體現(xiàn)在三相交流電路電壓電流的測量、三相鼠籠式異步電動機的使用及基本放大電路和運算放大電路的應用上。而創(chuàng)新思維的培養(yǎng)體現(xiàn)在門電路和組合邏輯電路、繼電接觸器控制系統(tǒng)和可編程控制器及觸發(fā)器和時序邏輯電路的實驗設計中，并以團隊的形式完成相應的項目任務。如基于Multisim 的數(shù)字時鐘表的設計與實現(xiàn)。根據(jù)學生專業(yè)背景及人才培養(yǎng)目標，撰寫遞進式實驗教學內(nèi)容，合理調(diào)整各部分實驗操作學時以及難易程度，學會利用工業(yè)軟件實現(xiàn)電路工程設計。

Multism 仿真軟件可模擬各元器件之間的電學關系，解決長期以來理論教學與實驗驗證相互脫節(jié)及實驗經(jīng)費不足的問題，使學生能隨時地參與創(chuàng)新實踐過程，完成綜合型和設計研究型實驗。

2.4 結合學習通和Multisim 完善教學考核評價機制

在傳統(tǒng)課程考核中期末考試成績占到70%，并以出勤次數(shù)作為學生的平時成績。這導致學生習慣性在期末考前采用死記硬背的方式突擊學習，并在課堂上經(jīng)常保持沉默，也不與同學和教師交流，也不重視課前預習、課后復習及實驗過程等學習情況，從而導致所學理論知識難以轉(zhuǎn)化為實際工程應用的能力，違背了新工科的教學理念。而科學的教學過程考核評價機制能時刻了解學生各個重難點的掌握情況，以便于教師合理安排各個知識點的授課時間，并及時調(diào)整和改進該課程的教學方法。借助學習通平臺對電工與電子技術課程的教學效果評價指標進行修正，修正的考核評價結果由課前預習（瀏覽線上學習通教學資料）、課中探究（線上Multisim 仿真設計和線下實訓臺實操）、課后總結與復習（評閱線上學習通作業(yè)或項目電路圖紙設計與實現(xiàn)的效果圖）、期末實操測試與卷面答題（線下）4 個部分組成，其占比1∶3∶1∶5。

利用學習通可以便捷、實時掌握學生的預習情況。課中探究主要評價學生主觀能動性和實踐能力，根據(jù)學生分組交流討論、學生對實驗電路的仿真設計與實操連線、儀器儀表、實驗數(shù)據(jù)的記錄及實驗結果的呈現(xiàn)等方面進行綜合評分。課后小結與實驗報告通過學習通提交，而實驗結果的呈現(xiàn)體現(xiàn)為一份實驗報告、一份仿真視頻及結合仿真現(xiàn)象解釋理論的推導過程。學生在完成教師發(fā)布的任務后，采用交叉互評的方式了解某一知識點的詳細掌握情況，這不僅可以調(diào)動學生的課程參與積極性，教師也可以快速掌握學生對不同知識點的理解和應用程度，還可以增強課堂趣味性。結課前，在學習通上創(chuàng)建期末實驗題庫（至少3 套試卷），學生通過隨機抽卷的方式完成實驗操作考核，并對其打分。以上教學改革建議如圖3 和圖4 所示。

3 教學改革實踐效果

電工與電子技術課程改革方案已在農(nóng)機、機制專業(yè)2020—2022 級學生中實施，經(jīng)過這3 屆學生的教學改革與探索，獲得了較好的實踐效果。

（1）舉行主題教學活動，整理不同知識點的難易度，從而以學生自主思考性學習為導向，準確調(diào)整了知識點的講解進度，使學生的期末成績得以大幅提高，并將本課程掛科率降至5% 以內(nèi)。

（2）課堂知識的講授結合案例分析與Multism 電路設計，使學生所學知識融會貫通，提高了學生參加中國無人機與機器人應用大賽、全國大學生電子設計大賽及全國大學生工程訓練綜合能力競賽 （山西賽區(qū)）等學科競賽的積極性，并獲得優(yōu)異成績。這些參賽經(jīng)歷促進了學生成長，成為電力與機制行業(yè)技術骨干和鄉(xiāng)村振興的中堅力量。

（3）通過整理本課程教學改革數(shù)據(jù)，實施一系列革新的教學方式，在2022 年獲批校級一流課程，并推薦申報省級一流課程建設和實踐檢驗期為3 年的基于OBE 理念的涉農(nóng)工程專業(yè)電工類課程混合式培養(yǎng)模式研究省級教學成果獎，并獲批了山西省2023 年高等學校教學改革創(chuàng)新項目，這大大提高了該課程教學組的授課水平。

4 結束語

電工與電子技術課程將學生作為教學活動的主體，教師在教學活動中起引導作用，改變傳統(tǒng)課堂格局，重新定位師生關系，并采用留白的教學模式給予學生一定的權利與自由。同時，結合Multisim 仿真軟件，讓學生學會繪制相關項目的電路設計圖紙，并完成相對應實驗的仿真數(shù)據(jù)測量，掌握電工與電子技術課程的基本原理，解決實驗設備陳舊和測量誤差大的問題。

基于Multisim 仿真軟件構建線上線下多平臺混合式教學模式（課前在學習通發(fā)布預習任務，然后根據(jù)任務要求利用Multisim 完成實驗仿真設計與實現(xiàn)，課中進行理論知識講授和現(xiàn)場實驗操作，課后完成實驗報告和課程作業(yè)，并開展討論和答疑）訓練學生自主學習、創(chuàng)新、合作能力，對培養(yǎng)具備扎實電工專業(yè)基礎和靈活運用理論知識解決電路問題的實踐型人才具有重要意義。

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