張向群 寧慧娜 秦慧玲

摘?要：在新工科背景下，針對(duì)“電路與電子學(xué)”課程理論晦澀難懂、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差的情況，課程組基于OBE教學(xué)理念，將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)中。實(shí)踐表明，這些措施和方法調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、獨(dú)立思考與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);新工科;課程改革;電路與電子學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.07??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?概述

1.1?虛擬仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)的意義

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。從狹義上講，虛擬仿真是指20世紀(jì)40年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新技術(shù);從廣義上說(shuō)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)是人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的一種基本方法和一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。

虛擬仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的成果，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)代表著今后教學(xué)科研發(fā)展的新方向。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)有以下意義：

（1）構(gòu)建高效課堂。使用虛擬仿真技術(shù)將重難點(diǎn)問(wèn)題以仿真的方式呈現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)直觀性，吸引學(xué)生注意力，使抽象的教學(xué)問(wèn)題變得具體形象，提高知識(shí)的可接受性。

（2）不受時(shí)間和空間的限制。以往學(xué)生想要做實(shí)驗(yàn)只能去實(shí)驗(yàn)室，有了仿真軟件，學(xué)生就可以在自己的電腦上隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真。

（3）引入虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以降低實(shí)驗(yàn)成本、減少事故發(fā)生和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。避免了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)擔(dān)心安全事故、畏首畏腳、不敢嘗試的情況，同時(shí)避免了學(xué)生由于使用不當(dāng)造成儀器損壞等不必要的資源浪費(fèi)。利用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生不再擔(dān)心損壞設(shè)備和元件，敢于大膽嘗試更多的實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、獨(dú)立思考與創(chuàng)新能力。

1.2?“電路與電子學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“電路與電子學(xué)”是電路基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)兩門課程的精簡(jiǎn)版，該課程學(xué)時(shí)少而且本身難度較大，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)要求高。同時(shí)該課程內(nèi)容晦澀難懂、枯燥，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)一頭霧水，理解不深導(dǎo)致無(wú)法靈活運(yùn)用，產(chǎn)生畏難情緒。因此，“電路與電子學(xué)”教學(xué)方法研究與改革顯得非常迫切。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少老師嘗試將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到“電路與電子學(xué)”課堂教學(xué)。廣東藥學(xué)院的羅來(lái)成副教授利用Multisim軟件進(jìn)行理論課堂演示[1]。北京郵電大學(xué)的孫丹丹利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，開發(fā)了一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[2]。孫榮平利用多媒體仿真技術(shù)提高電路與電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)效果[3]。王春娟利用虛擬仿真軟件proteus構(gòu)建電路高效課堂[4]。山西工程職業(yè)學(xué)院的韓靜教授在模擬電子教學(xué)中采用虛擬仿真技術(shù)制作電子作品，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]。

我校信息工程學(xué)院的“電路與電子學(xué)”課程開設(shè)在春季，授課對(duì)象為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和交控專業(yè)的大一學(xué)生。該課程理論內(nèi)容多，實(shí)驗(yàn)中要用到示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)等諸多儀器，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到各種條件限制等，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力較差。這不符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)方案，造成理想和現(xiàn)實(shí)之間的矛盾。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到該門課程，可較好地克服上述弊端，有利于理論知識(shí)講授和加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，把教學(xué)過(guò)程延伸到課前和課后，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果?？傊?，虛擬仿真技術(shù)在該課程的應(yīng)用和實(shí)踐可以將該門課程變成“天使課程”。

2?改革方案的應(yīng)用與實(shí)踐

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

2.1?根據(jù)OBE理念重新修訂“電路與電子學(xué)”課程教學(xué)大綱

物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)科是由網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、電子等多個(gè)學(xué)科融合形成的、應(yīng)用性非常強(qiáng)的、信息技術(shù)綜合集成化的工程應(yīng)用學(xué)科?！半娐放c電子學(xué)”課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目的是通過(guò)講授電路理論、電子電路分析和初步設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生獲得必要的電路分析的基本理論和技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后專業(yè)課學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。該課程對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案中“具備扎實(shí)的模擬電路、數(shù)字邏輯與數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)及通信等相關(guān)學(xué)科的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)”“具有科學(xué)思維方法及綜合運(yùn)用掌握的知識(shí)、方法和技術(shù)分析并解決復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)工程問(wèn)題的能力，即具有一定的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域科學(xué)研究能力、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟硬件產(chǎn)品的開發(fā)能力”。

由于“電路與電子學(xué)”課程中所包含的知識(shí)點(diǎn)非常多，所以需要結(jié)合我校應(yīng)用型本科定位和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)這門課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(nèi)容，提高了虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的比重。在重新整合教學(xué)內(nèi)容后，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)。課程以一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為統(tǒng)領(lǐng)，首先講解理論知識(shí)，然后讓學(xué)生完成仿真，最后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。在完成項(xiàng)目的過(guò)程中師生互動(dòng)，生生互動(dòng)，相互啟發(fā)，解決問(wèn)題。以上工作的核心體現(xiàn)在修訂“電路與電子學(xué)”教學(xué)大綱，包括理論和實(shí)踐部分。

2.2?探索基于虛擬仿真技術(shù)的“電路與電子學(xué)”教學(xué)方法

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于“電路與電子學(xué)”理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，與傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)理工類課程實(shí)驗(yàn)課的改革與創(chuàng)新，主要教學(xué)探索如下：

2.2.1?現(xiàn)有的虛擬仿真軟件

現(xiàn)有成熟的仿真軟件非常多，例如用于仿真電路與電子學(xué)、數(shù)字電路的軟件有SPICE、MATLAB、MULTISIM、POTEUS，用于仿真物理場(chǎng)的COMSOL，每個(gè)仿真軟件都需要占用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間，而且有一定的入門門檻。學(xué)生熟練掌握一門仿真軟件，需要一定的時(shí)間。此外，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)注重實(shí)踐，如果每門課程都需要學(xué)生學(xué)習(xí)一門仿真軟件，這不太現(xiàn)實(shí)，而且加重了學(xué)生的負(fù)擔(dān)。因此，在本項(xiàng)目的研究中，課題組首先要解決的問(wèn)題是：在滿足“電路與電子學(xué)”虛擬仿真教學(xué)的基礎(chǔ)上，能否找到一個(gè)仿真軟件，貫穿于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科四年課程的教學(xué)過(guò)程中，形成一個(gè)體系。這需要在熟悉各個(gè)仿真軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證。

2.2.2?基于虛擬仿真技術(shù)的課堂理論教學(xué)

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到理論教學(xué)中，主要表現(xiàn)是：在課堂教學(xué)中有針對(duì)性地對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行軟件仿真，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于理論課的多媒體課堂演示教學(xué)中，讓學(xué)生直觀看到結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，使課堂教學(xué)更生動(dòng)形象。例如，學(xué)生普遍對(duì)單管共射放大電路難以理解，用仿真軟件演示。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的電阻，調(diào)節(jié)基極的電流和改變靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，讓放大電路分別工作在飽和、放大和截止區(qū)，學(xué)生可以通過(guò)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(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常便利，同時(shí)還可以根據(jù)今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的新發(fā)展方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新。所用的計(jì)算機(jī)室可以和其他課程共有，不需要專門的資金進(jìn)行設(shè)備投資。學(xué)生也可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，不受實(shí)驗(yàn)資源和場(chǎng)地限制。學(xué)生既可在做完硬件實(shí)驗(yàn)后做軟件仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)比，又可對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)做參數(shù)修改、方案論證、結(jié)果觀察。例如，學(xué)生可以在仿真軟件上改變二極管和三極管的不同型號(hào)和規(guī)格，觀察不同放大電路的性能。

課程組的工作重點(diǎn)是：第一，仿真重難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)做好鋪墊;第二，實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作容易出現(xiàn)失誤步驟的仿真，讓學(xué)生先用虛擬儀器進(jìn)行仿真，避免操作失誤造成的電子設(shè)備、芯片、儀器損壞;第三，實(shí)驗(yàn)室未購(gòu)買的儀器或者暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行設(shè)備維修和升級(jí)的實(shí)驗(yàn)仿真，學(xué)生的上課總是安排在特定的學(xué)期、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)室，這對(duì)于時(shí)間有一定的限制，如果時(shí)間錯(cuò)過(guò)，實(shí)驗(yàn)室即使進(jìn)行了設(shè)備升級(jí)或者購(gòu)買，學(xué)生也不一定有時(shí)間去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室也可能安排了其他課程，因此，這類仿真在學(xué)校資金或者設(shè)備維修和升級(jí)等客觀不利條件下，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不打折扣;第四，擴(kuò)展的創(chuàng)新綜合性課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真。學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)一些電路，例如收音機(jī)的諧振電路等，鼓勵(lì)學(xué)生做創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)。

需要注意的問(wèn)題是：無(wú)論虛擬仿真技術(shù)有多少優(yōu)勢(shì)，并不代表它代替了真正的實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)只是一種輔助手段，只有真實(shí)元件的實(shí)驗(yàn)室操作才是最真實(shí)的實(shí)踐環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種電路故障、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)才是提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)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(shù)應(yīng)用到“電路與電子學(xué)”課程以來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的熱情很高，該門課程的學(xué)生成績(jī)也有大幅提升，平均成績(jī)提高了9分左右。學(xué)生評(píng)教結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)該課程的滿意度大幅上升。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)目前是新興的專業(yè)，“電路與電子學(xué)”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用型人才所必須要掌握的核心內(nèi)容，所以對(duì)這門課程進(jìn)行教學(xué)建設(shè)是非常必要和關(guān)鍵的。這門課程的電路理論難度比較大，實(shí)踐內(nèi)容受到硬件設(shè)備的限制，不利于提高學(xué)生的實(shí)際工程能力。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在該課程教學(xué)中，使用仿真軟件來(lái)講授模擬電路的理論知識(shí)，使用虛擬仿真軟件提高實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)資源，有助于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)電路基本的理解，能夠發(fā)動(dòng)學(xué)生，讓學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)際的學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高效課堂的目標(biāo)，對(duì)開展這門課程有很好的輔助作用，為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的應(yīng)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(shè)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)也能夠?yàn)槠渌麑W(xué)校相關(guān)專業(yè)的相關(guān)課程提供參考。

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教研項(xiàng)目：面向自主可控信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)探索與實(shí)踐（教育部新工科項(xiàng)目編號(hào)：EJSJRJ20201325）;許昌學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（編號(hào)：XCU2021YB056）;許昌學(xué)院校級(jí)思政建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：XCU2021KCSZ062）

作者簡(jiǎn)介：張向群（1978—?），女，河南洛陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向：聲學(xué)信號(hào)處理。