張文正

(安徽三聯(lián)學(xué)院 基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心，安徽 合肥 230601)

隨著“新工科”“智能制造”等概念的提出，國家對高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方式提出了更高的要求，作為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的搖籃，各高校的人才培養(yǎng)體系也在不斷改進(jìn)與完善。實驗教學(xué)是高校實踐教育的第一平臺，是人才培養(yǎng)方案中的重要組成部分，也是教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的重要手段[1-2]。各高校由于學(xué)校的定位和特點不同，在實驗教學(xué)的內(nèi)容和方式上又會有所不同，其教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新面臨著很大的困難。加上由于實驗教學(xué)本身受課時、場所和設(shè)備的限制，所有高校實驗教學(xué)都面臨著學(xué)生無法在課堂以外有效地獲得實驗相關(guān)能力和知識的問題。實驗教學(xué)受到了時間和空間的雙限制，因此，為了推動高校實驗教學(xué)改革，提升學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)能力，在高校的實驗教學(xué)中融入新的教學(xué)模式，是每一個從事實驗教學(xué)相關(guān)工作的老師都必須思考的問題。

1 現(xiàn)有高校實驗教學(xué)模式存在的問題分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容方面

在高校人才培養(yǎng)體系中，實驗教學(xué)是不可或缺的一環(huán)。實驗教學(xué)直接關(guān)系到學(xué)生實踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，關(guān)系到學(xué)生能否成為一個合格的應(yīng)用型人才。就目前情況看，我國大部分高校的實驗教學(xué)普遍存在的情況是實驗課程的設(shè)置具有一定的合理性和系統(tǒng)性[3]，但教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，傳統(tǒng)實驗項目較多，課程內(nèi)容更新明顯滯后，缺乏與時俱進(jìn)的時代性。而且大多數(shù)高校實驗教學(xué)的課程體系也比較單一，一般都是圍繞固定的學(xué)科和專業(yè)進(jìn)行實驗教學(xué)設(shè)計，缺乏對新領(lǐng)域、新技術(shù)、新理念的跨學(xué)科交叉融合[4]。這樣的情況下，老師的授課內(nèi)容很容易脫離工程實際，學(xué)生的學(xué)習(xí)也容易缺乏相應(yīng)的工程實踐，無法滿足現(xiàn)階段高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的需要。

1.2 教學(xué)方法方面

在教學(xué)方法方面，以安徽三聯(lián)學(xué)院(以下簡稱本校)電工電子實驗教學(xué)為例，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)依然采用教師在課堂上講授實驗相關(guān)理論知識，然后演示實驗操作過程，學(xué)生進(jìn)行實驗操作，最后在課后撰寫實驗報告[5]。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生雖然能得到一定的鍛煉，但教學(xué)仍以老師為主，學(xué)生參與度并不高，沒有充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生在實驗教學(xué)的過程中都只是被動參與，缺乏主動思考，更談不到探究與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這種實驗教學(xué)模式嚴(yán)重制約了高校實驗教學(xué)的發(fā)展，無法滿足新形勢下人才培養(yǎng)的要求。

2 開展電工電子實驗教學(xué)無課堂自主學(xué)習(xí)模式的必要性

電工電子技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于人民生活的各個方面。電工電子技術(shù)理論已經(jīng)趨于成熟，涵蓋了電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等電學(xué)基礎(chǔ)知識體系。電工電子類課程是高校教學(xué)體系中的重要組成部分。電工電子實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，是電工電子理論課程的實踐支撐，也是理論知識應(yīng)用的平臺[6]。同時，實驗教學(xué)也是培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。因此，為了適應(yīng)新形勢下人才培養(yǎng)的需求，我們應(yīng)該對電工電子實驗的教學(xué)模式進(jìn)行多方位的思考。

以本校電工電子實驗教學(xué)為例，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生很少會去主動反思實驗課程的內(nèi)容和方法。而且由于實驗課時較少，實驗課程又受實驗場所和實驗設(shè)備的限制，不論是時間上還是空間上都極大地限制了實驗教學(xué)的發(fā)展。老師的教與學(xué)生的學(xué)都只能在傳統(tǒng)的實驗室和實驗課上完成，使得老師“教”得不夠透徹，學(xué)生“學(xué)”得不夠深入。針對電工電子實驗教學(xué)傳統(tǒng)模式中的各種問題，通過選定合適的虛擬仿真軟件，構(gòu)建學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式，能夠充分調(diào)動學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的主動性[7]，提升學(xué)生探究和創(chuàng)新的能力。同時，在無法正常開課的情況下，還可以作為備用的教學(xué)手段，輔以線上課程的知識講解，利用無課堂自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式，實現(xiàn)線上實驗教學(xué)。

3 構(gòu)建電工電子實驗教學(xué)無課堂自主學(xué)習(xí)模式

3.1 構(gòu)建基于Multisim的實驗仿真環(huán)境

電工電子實驗教學(xué)中常用的仿真軟件有LabVIEW、Multisim等。LabVIEW是一種虛擬儀器技術(shù)，通過虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器中的設(shè)備元件，可以構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，同時還具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，用戶可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測控，還能夠?qū)崿F(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。但LabVIEW最大的不足是其無法對電子電路進(jìn)行仿真，限制了它的適用范圍，因此無法完全滿足電工電子實驗教學(xué)的需要。而Multisim在電工電子教學(xué)中也是常用的一款經(jīng)典仿真軟件[8]，可以仿真電工電子各種電路，不受電路限制。但Multisim只是單純的仿真軟件，沒有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測控和虛擬仿真環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。兩種軟件各有優(yōu)劣，只能根據(jù)實驗教學(xué)需求進(jìn)行選擇。

本研究選擇Multisim作為仿真引擎是因為如果要搭建更高水平的虛擬仿真實驗平臺，那么仍解決不了傳統(tǒng)實驗教學(xué)空間限制的弊端，這樣對學(xué)生的硬件設(shè)備和計算機水平都要求較高，學(xué)生還是要依靠學(xué)校的虛擬仿真實驗室才能實現(xiàn)。雖然這個方向是目前實驗教學(xué)研究的大方向，可如果遇到疫情這種無法開課的情況，既不利于開設(shè)線上實驗教學(xué)，也不利于學(xué)生課下的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。所以將Multisim作為仿真引擎，學(xué)生可以方便地在自己的電腦上安裝軟件，然后輔以線上的實驗課程教學(xué)資料進(jìn)行實驗仿真，既可以方便地得到實驗仿真數(shù)據(jù)，又可以完整地接受實驗知識。最后，制定相應(yīng)的考核體系，實現(xiàn)學(xué)習(xí)、仿真、考核為一體的無課堂自主學(xué)習(xí)模式。

3.2 設(shè)計基于Multisim的虛實結(jié)合的教學(xué)模式

構(gòu)建一個基于Multisim仿真軟件的無課堂自主學(xué)習(xí)模式，利用學(xué)校網(wǎng)站相關(guān)實驗學(xué)習(xí)資料和學(xué)生手里的實驗教材，使得學(xué)生在課前、課后都能很好地學(xué)習(xí)和拓展電工電子實驗知識。學(xué)生不僅能夠更好地預(yù)習(xí)實驗課程相關(guān)內(nèi)容，也能自主學(xué)習(xí)、拓展和衍生相關(guān)的實驗知識，從而更好地掌握電工電子電路的優(yōu)化設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的實踐研究及應(yīng)用能力。同時，合理的考核體系還可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行有效的掌控。

結(jié)合電工電子實驗課程的特性，依靠大多數(shù)大學(xué)生有一定的自主學(xué)習(xí)能力的特征，設(shè)計一種電工電子實驗教學(xué)無課堂自主學(xué)習(xí)模式(圖1)。此模式主要包括“課堂集中教學(xué)、課后分散實踐”兩大核心內(nèi)容。課堂集中教學(xué)是指在電工電子實驗課程規(guī)定的學(xué)時內(nèi)進(jìn)行傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容教學(xué)，讓學(xué)生對整個實驗內(nèi)容有個全面和深入的認(rèn)識。課后分散實踐則是指學(xué)生在實驗課前、課后分散自主學(xué)習(xí)，在課外，學(xué)生可以在學(xué)校網(wǎng)站上預(yù)習(xí)相關(guān)實驗內(nèi)容，實現(xiàn)課前預(yù)習(xí)，熟悉整個實驗的大致內(nèi)容和流程。對于疑惑不解的內(nèi)容，學(xué)生還可以通過Multisim軟件仿真數(shù)據(jù)驗證實驗結(jié)果，充分理解和掌握實驗內(nèi)容與知識。在設(shè)計性和綜合性實驗項目中，可以通過軟件仿真對比、總結(jié)，獲得更優(yōu)的實驗設(shè)計思路，以便在課時有限的實驗課堂上更好、更快地完成實驗內(nèi)容。同時，電工電子實驗無課堂自主學(xué)習(xí)模式可以成為實驗課程線上教學(xué)的備用手段，在一定的條件下實現(xiàn)線上實驗教學(xué)、模擬仿真、考核為一體的新型教學(xué)模式。此外，基于電工電子傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容，可以在網(wǎng)站上發(fā)布相關(guān)實驗的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)資料(如實驗指導(dǎo)書、教學(xué)PPT等)。如有條件，發(fā)布相關(guān)實驗視頻教學(xué)內(nèi)容，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

圖1 無課堂自主學(xué)習(xí)模式

3.3 電工電子實驗無課堂自主學(xué)習(xí)模式的作用

3.3.1 加強實驗預(yù)習(xí)

現(xiàn)階段高校實驗課程的預(yù)習(xí)，大多數(shù)要求學(xué)生在上實驗課之前，預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書上相關(guān)的實驗內(nèi)容，然后寫預(yù)習(xí)報告，這樣做的目的是讓學(xué)生在實驗課前熟悉實驗基本內(nèi)容。但僅僅只是看看書，寫寫預(yù)習(xí)報告，學(xué)生無法真正理解實驗內(nèi)容，從而導(dǎo)致學(xué)生對實驗課上的實驗過程和結(jié)果很茫然，課后撰寫實驗報告也無從下手。開發(fā)無課堂自主學(xué)習(xí)模式，學(xué)生可以在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心網(wǎng)站上找到預(yù)習(xí)的知識講解和教學(xué)資料，先進(jìn)行實驗理論知識的自主學(xué)習(xí)，在遇到理解困難和茫然不解的問題時，學(xué)生可以通過Multisim來完成實驗的仿真。通過對實驗電路的搭建和運行，使學(xué)生初步理解實驗的原理，再通過仿真的結(jié)果和數(shù)據(jù)，加深對實驗的理解。如在仿真結(jié)果及仿真過程中出現(xiàn)一些不太理解的問題，帶著問題來實驗室進(jìn)行硬件實驗，一是可以直觀觀察仿真軟件中所有電子元件的實物，二是根據(jù)仿真軟件的仿真過程和數(shù)據(jù)操作實驗加以比較，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，引發(fā)拓展性思考。

3.3.2 建立實驗互動關(guān)系

實驗課堂教學(xué)內(nèi)容可以與課下自學(xué)仿真內(nèi)容相互結(jié)合，形成一種互動關(guān)系。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)課堂上，老師詳細(xì)講授實驗相關(guān)理論知識和實驗操作方法，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下利用實驗設(shè)備完成實驗學(xué)習(xí)。在講授的過程中，對于那些課堂講解費時費力的教學(xué)內(nèi)容或拓展性的知識點，老師以相關(guān)習(xí)題和思考題的形式布置給學(xué)生，學(xué)生在課后可以通過Multisim軟件仿真自主拓展學(xué)習(xí)。在自主學(xué)習(xí)的過程中，會引發(fā)學(xué)生的自主思考、自主探索研究，使得學(xué)生可以注意到在實驗課堂上那些被忽略的實驗現(xiàn)象與問題，加深對實驗知識的理解，積累實用性的拓展知識和經(jīng)驗，引導(dǎo)學(xué)生把理論與實踐結(jié)合起來，建立一種老師與學(xué)生、課上與課下的良好互動關(guān)系。

3.3.3 實踐與創(chuàng)新能力的拓展

對于實驗教學(xué)中的一些綜合性實驗和設(shè)計性實驗，老師可以在課前布置任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)實驗相關(guān)知識和原理，利用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的電路設(shè)計方案。然后，在實驗課上對自己的設(shè)計方案進(jìn)行驗證，進(jìn)而提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，掌握電路設(shè)計的一般方法，拓展學(xué)生的思維能力和實踐創(chuàng)新能力。

4 無課堂自主學(xué)習(xí)模式在電工電子綜合實驗中的實踐

4.1 實驗項目——直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

直流穩(wěn)壓源是電子電路及儀器設(shè)備中不可或缺的元件，設(shè)備的正常工作都需要穩(wěn)定的直流電源供電。單相交流電經(jīng)過電源變壓器降壓之后進(jìn)入整流電路，對降壓后的單項交流電進(jìn)行整流，使交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后濾波電路對整流后的直流電壓濾波，目的是減小電壓脈動使輸出電壓平滑，最后穩(wěn)壓電路再對其進(jìn)行穩(wěn)壓，使輸出電壓獲得足夠高的穩(wěn)定性。直流穩(wěn)壓源就是基于這一原理設(shè)計制造的。

4.2 電路設(shè)計框圖

設(shè)計的電路框圖見圖2。根據(jù)直流穩(wěn)壓源的原理，直流穩(wěn)壓源主要包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。在電子電路中，對直流穩(wěn)壓源最后的輸出電壓要求極高，因此穩(wěn)壓電路的設(shè)計尤為重要。

圖2 電路設(shè)計框圖

4.3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計方案選擇

穩(wěn)壓電路又分為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路(圖3)。由于課時有限，學(xué)生在實驗課上不可能驗證所有穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果。通過無課堂自主學(xué)習(xí)模式可以在課前進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)與實驗仿真，利用Multisim軟件對幾種穩(wěn)壓電路依次進(jìn)行仿真，驗證穩(wěn)壓效果，選出合理的穩(wěn)壓電路設(shè)計，在實驗課中進(jìn)行實際電路驗證。

圖3 穩(wěn)壓電路

(1) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈2.4%。

(2) 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈1.1%。

(3) 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)ΔUo，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈0.3%。

通過3種不同的穩(wěn)壓電路的輸出電壓波形圖和數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，不同類型的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓系數(shù)不同，穩(wěn)壓效果不同。通過Multisim仿真，可以根據(jù)設(shè)計要求合理地設(shè)計直流穩(wěn)壓源的穩(wěn)壓電路，選擇最優(yōu)設(shè)計方案。這在傳統(tǒng)實驗課上和有限的課時內(nèi)是沒有足夠的時間進(jìn)行穩(wěn)壓電路的設(shè)計分析的，所以學(xué)生利用無課堂自主學(xué)習(xí)模式可以更好地預(yù)習(xí)實驗課程相關(guān)內(nèi)容，也能進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，拓展和衍生相關(guān)的實驗知識，從而更好地掌握電子電路現(xiàn)代化設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生對新知識的掌握及應(yīng)用能力。

5 結(jié) 論

本文主要是基于Multisim虛擬仿真軟件構(gòu)建無課堂自主學(xué)習(xí)模式。在電工電子綜合實驗中，應(yīng)用Multisim虛擬仿真軟件，不僅可以對實驗項目進(jìn)行預(yù)習(xí)，也可以通過Multisim虛擬仿真軟件的仿真結(jié)果，得出最佳的實驗設(shè)計方案，還可以作為實驗課程輔助教學(xué)手段，使得學(xué)生在課前課后都能進(jìn)行實驗知識的學(xué)習(xí)，獲得實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)“時間”和“空間”的限制問題。