張大偉 謝 彬 牟淑杰

(營口理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院,營口 115014)

“理論為基礎(chǔ),實(shí)踐是手段”是各高校培養(yǎng)人才的主要方式之一。實(shí)踐教學(xué)是理論知識(shí)深化和應(yīng)用創(chuàng)新的有效體現(xiàn),各高校都采用自己獨(dú)特的方式來完成實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1-3]?！半姽?shí)訓(xùn)”是針對(duì)電氣、自動(dòng)化、機(jī)械、材料、儀器儀表等專業(yè)的主要實(shí)訓(xùn)課程,通過該門課程的實(shí)踐練習(xí),逐步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度和獨(dú)立自主探索知識(shí)的能力。實(shí)訓(xùn)類課程對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力有著較高的要求,要求學(xué)生將理論知識(shí)潛移默化地消化和鞏固,并對(duì)所學(xué)理論進(jìn)行有效的驗(yàn)證和檢測,不斷提升實(shí)踐綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力[4]。但隨著近年來多種教學(xué)方式的不斷融合,實(shí)訓(xùn)教學(xué)也遇到了瓶頸,即讓學(xué)生快速高效地完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)已變得越來越難,陳舊的教學(xué)方式和實(shí)訓(xùn)儀器已不再能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,“重理論,輕實(shí)訓(xùn)”的思想也在學(xué)生心中不斷扎根。久而久之,實(shí)訓(xùn)課程很難行之有效地起到作用、學(xué)生動(dòng)手能力不能得到提升等問題也逐漸顯現(xiàn)出來。因此找到一種能夠消除錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)、科學(xué)有效地改進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題顯得尤為重要。本文利用虛擬軟件與實(shí)際實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的方式系統(tǒng)分析了學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中所遇到的情況,然后將問題進(jìn)行歸納和提取后,提出了虛實(shí)結(jié)合的方法來完善“電工實(shí)訓(xùn)”課程設(shè)計(jì),并采用合理的解決方案將實(shí)踐教學(xué)工作優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)提升實(shí)訓(xùn)整體效果的目的。

1 虛擬仿真特色

時(shí)代在高速發(fā)展,越來越多的網(wǎng)絡(luò)和媒體技術(shù)也不斷地應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪衃5]。如在教育教學(xué)方面,通過運(yùn)用仿真技術(shù)搭建各種虛擬教學(xué)平臺(tái),學(xué)生可以通過虛擬數(shù)字媒體平臺(tái)來親身感受逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;在娛樂方面,各種真人體驗(yàn)館也層出不窮,人們通過虛擬數(shù)字體驗(yàn)技術(shù)來體驗(yàn)平時(shí)無法體驗(yàn)的情景;在游戲方面,高度現(xiàn)實(shí)性的虛擬網(wǎng)絡(luò)游戲也不斷受到年輕人的好評(píng)等,這些都是虛擬技術(shù)與數(shù)字科技相結(jié)合的產(chǎn)物。目前這些技術(shù)在教育方面的應(yīng)用比重呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢,特別是在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程中,運(yùn)用仿真技術(shù)不斷充實(shí)課堂內(nèi)容和演示實(shí)驗(yàn),取得的教學(xué)成效優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式。虛擬仿真平臺(tái)的引入,既能夠讓學(xué)生更加直觀清晰地感受視覺效果對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的輔助,還能讓學(xué)生在進(jìn)行試驗(yàn)操作以及課后設(shè)計(jì)上不受時(shí)間和地域的限制,對(duì)于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)類課程的輔助方面,能夠給學(xué)生提供更多的選擇。本文就直流穩(wěn)壓電源的虛實(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)方案為例,對(duì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電工實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用過程與特點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1.1 確定對(duì)象

高校的最終目的是培養(yǎng)優(yōu)秀人才,而學(xué)生在這一過程中則占據(jù)著主導(dǎo)地位。實(shí)訓(xùn)教學(xué)保證學(xué)生能將理論知識(shí)通過儀器儀表應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中,將理論知識(shí)實(shí)現(xiàn)合理轉(zhuǎn)化。通過實(shí)訓(xùn)課程的練習(xí),學(xué)生能夠了解元件的基本特點(diǎn)、工具的使用方法、電路的實(shí)際要求等工程問題。通過這一過程,對(duì)一般工程問題提出分析和解決方法,并根據(jù)結(jié)果完善最初的設(shè)計(jì)要求,進(jìn)而達(dá)到深化記憶和提高本領(lǐng)的目的。

1.2 確定引入意義

常規(guī)的電工實(shí)訓(xùn)過程中,學(xué)生們大多通過指導(dǎo)教師講解基本原理、在識(shí)別電路圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)物焊接等方式來完成這一項(xiàng)目?？紤]到學(xué)生對(duì)這一設(shè)計(jì)過程的理解程度有限,在設(shè)計(jì)過程中頻頻出現(xiàn)虛焊、不可調(diào)、短路以及設(shè)計(jì)丑陋等情況,在檢測過程中測試結(jié)果也不理想等問題。針對(duì)上述情況,我們引入虛擬仿真與實(shí)物焊接相結(jié)合的方法來改變上述現(xiàn)象,并在虛擬仿真過程中逐步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),一方面使電路變得更加簡潔清晰,另一方面運(yùn)用仿真的結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)物焊接,提升實(shí)訓(xùn)成功率,增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)效果。

1.3 確定常見問題分析

整流和濾波是直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中最核心的部分。電橋整流法在課堂上很容易理解,但在實(shí)際電路板上如何實(shí)現(xiàn)橋狀結(jié)構(gòu)是令學(xué)生們頭疼的問題。同樣,在濾波過程中需要依據(jù)電容進(jìn)行選型和連接。若是對(duì)電容沒有足夠的了解,不能分清電解電容和瓷片電容,則整個(gè)電路也起不到濾波的效果,輸出信號(hào)中的振蕩也自然不會(huì)被消除,稍有不慎就會(huì)造成短路現(xiàn)象。

焊接環(huán)節(jié)也是檢驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手能力的一個(gè)必要步驟。焊點(diǎn)的大小,連接線路是否架橋都對(duì)整個(gè)電路的效果有直接影響。一旦實(shí)驗(yàn)板掉落或受擠壓時(shí)就會(huì)引起測量結(jié)果不穩(wěn)定、頻閃、虛焊等情況出現(xiàn),甚至造成電路短路現(xiàn)象。對(duì)于這一問題很多學(xué)生都不在意,直到將實(shí)驗(yàn)板變得千瘡百孔后再去修補(bǔ)就顯得為時(shí)已晚,無法達(dá)到實(shí)訓(xùn)的目的。因此在這一問題上就要求必須在焊接之前做好準(zhǔn)備,提高產(chǎn)品的利用率和成功率。

1.4 確定教學(xué)方法

在實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中,填鴨式教學(xué)無法再令學(xué)生提起學(xué)習(xí)興趣,直接教學(xué)演示的后果就是無目的地復(fù)制作品,無法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的,這也就束縛了學(xué)生的思維發(fā)展。另外,在操作不規(guī)范的情況下,電路出現(xiàn)問題找不到原因,無法對(duì)原理達(dá)到完全理解,對(duì)于分析問題和解決問題的能力也無法體現(xiàn)。學(xué)生在這一過程中沒有任何收獲,無法激發(fā)自己的設(shè)計(jì)欲望和學(xué)習(xí)主動(dòng)性,對(duì)于課程培養(yǎng)體系的意義也不大。

基于以上問題,在采用傳統(tǒng)方案進(jìn)行實(shí)訓(xùn)過程時(shí),我們必須做出反思,盡量使學(xué)生的能力得到最大施展。為了更好地發(fā)揮實(shí)訓(xùn)在課程培養(yǎng)中的作用,運(yùn)用新的方式來達(dá)到這一目標(biāo)就顯得勢在必行。

2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 仿真輔助示范演示

利用虛擬仿真輔助教學(xué),可以在理論講解的過程中融入仿真實(shí)時(shí)演示,給學(xué)生一種直觀的認(rèn)識(shí),也可通過視頻的方式分享給學(xué)生,便于學(xué)生課后進(jìn)行理解和消化,這樣更容易弄懂各部流程和設(shè)計(jì)要求。虛擬仿真通常包含原理圖設(shè)計(jì)和電路仿真兩方面內(nèi)容。原理圖設(shè)計(jì)主要對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行重塑,按步驟進(jìn)行理解和運(yùn)用;仿真過程則能夠?qū)φ麄€(gè)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,檢查是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和模擬實(shí)際的目的。如在直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目中學(xué)生可通過自行設(shè)計(jì)原理圖來熟悉實(shí)訓(xùn)電路的轉(zhuǎn)換過程,準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的步驟、元件的選取、調(diào)用和接線過程(如圖1所示)。這種方式通常能夠給學(xué)生帶來較新穎的視覺效應(yīng),增強(qiáng)學(xué)生的求知欲,把學(xué)生從枯燥的理論學(xué)習(xí)中解放出來。

圖1 直流穩(wěn)壓電源仿真電路

2.2 虛擬檢測過程

檢測過程是保證設(shè)計(jì)是否成功的必要手段,也是學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)最容易忽視步驟。通常仿真軟件中包含示波器、振蕩器、電壓/流表等多種虛擬檢測儀表設(shè)備,能夠達(dá)到在設(shè)計(jì)過程中檢測信號(hào)的同時(shí)而不影響整體電路的目的。如運(yùn)用示波器對(duì)濾波電路是否達(dá)到要求進(jìn)行檢測,利用電壓/流表驗(yàn)證變壓器的降壓過程是否達(dá)到規(guī)定要求,電位器是否實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的可調(diào)功能等。通過這一檢測過程,我們可以對(duì)設(shè)計(jì)的電路做一個(gè)拆分處理,了解電路中電流是否導(dǎo)通、整流信號(hào)是否合理、輸出波形是否滿足要求等。這一虛擬仿真過程可以及時(shí)查找電路中存在的錯(cuò)接、短路等問題,降低實(shí)物設(shè)計(jì)過程的出錯(cuò)率,對(duì)于提高電路的可用性方面有一定的促進(jìn)作用。

2.3 線上互動(dòng)交流過程

線上課堂已成為疫情以來行之有效的教學(xué)手段,現(xiàn)已被大多數(shù)高校廣泛采用。在線課堂的主要模塊包括在線實(shí)訓(xùn)作業(yè)練習(xí)、在線試卷、視頻直播和在線分組功能。在進(jìn)入在線實(shí)訓(xùn)作業(yè)的任務(wù)后,學(xué)生可以按照目錄要求開啟挑戰(zhàn)模式,按照1∶3的比例進(jìn)行同類設(shè)計(jì),不同小組針對(duì)特定要求進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練(如表1所示)。在訓(xùn)練過程中,學(xué)生一方面需要兼顧仿真設(shè)計(jì)和運(yùn)行結(jié)果,另一方面又要重視相關(guān)任務(wù)的描述和操作方法,并以實(shí)訓(xùn)心得的形式在線提交。學(xué)生在遇到問題時(shí)可以在小組中討論,或發(fā)送留言給教師,或查看往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)心得來突破。教師可以通過后臺(tái)查看實(shí)訓(xùn)作業(yè)完成情況,對(duì)學(xué)生所提出的問題進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)和解答,并判斷學(xué)生的理解程度和學(xué)習(xí)情況。在這一總結(jié)過程中,教師要注重學(xué)生集中體現(xiàn)的問題,針對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和線上報(bào)告來及時(shí)調(diào)整指導(dǎo)內(nèi)容,幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。

表1 電路設(shè)計(jì)練習(xí)實(shí)例

2.4 線下實(shí)操過程

仿真訓(xùn)練后,學(xué)生們對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程已有了初步的認(rèn)識(shí),可根據(jù)自己的仿真圖來完成實(shí)物設(shè)計(jì)。教師在這一過程中需要提醒學(xué)生注意布線問題,特別是導(dǎo)線架橋現(xiàn)象和元件引腳連接是否準(zhǔn)確。同時(shí)也需要提醒學(xué)生注意焊接過程中的方法,避免產(chǎn)生虛焊、短路的現(xiàn)象。必要時(shí)可允許學(xué)生仿真與實(shí)操分時(shí)段,交替進(jìn)行。在仿真練習(xí)過后,學(xué)生的設(shè)計(jì)作品都有較大的改善。

2.5 考核評(píng)價(jià)過程

對(duì)于實(shí)訓(xùn)課程的考核應(yīng)從多角度進(jìn)行,從學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、對(duì)于仿真過程的掌握程度、實(shí)物焊接的結(jié)果和實(shí)訓(xùn)報(bào)告四個(gè)方面進(jìn)行綜合考量,如實(shí)反映學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的思路和結(jié)果(如表2所示)。學(xué)生的過程若能體現(xiàn)出思考與分析、解決與感悟,能夠體現(xiàn)出虛擬仿真對(duì)于實(shí)物焊接的指導(dǎo)作用,那就是一次成功的實(shí)訓(xùn)過程。

表2 考核項(xiàng)目占比情況

3 教學(xué)反饋

3.1 規(guī)避常見問題,提升實(shí)訓(xùn)效果

虛擬軟件的使用有助于規(guī)避因?qū)υ涣私舛斐纱罅繐p耗的問題。如瓷片電容和電解電容的選取與焊接時(shí)能做到正確識(shí)別、對(duì)整流和濾波電路實(shí)現(xiàn)有效變換、對(duì)末端電壓完成正確監(jiān)測等內(nèi)容都能夠很好地掌握和實(shí)施。在元件布局和導(dǎo)線焊接等方面也都得到了較大的改善,既增加了作品的觀賞性,也使實(shí)訓(xùn)的成功率得到了較大的提升。以一個(gè)常規(guī)教學(xué)班60人為例,與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)相比較,虛焊、短路現(xiàn)象比率降低40%,實(shí)訓(xùn)成功率提升45%。

3.2 拓展知識(shí)內(nèi)容,培養(yǎng)動(dòng)手設(shè)計(jì)能力

在電源的設(shè)計(jì)過程中,我們除了可以用電橋法來完成設(shè)計(jì)以外,還可以采用串聯(lián)電路法來實(shí)現(xiàn)。采用在輸出端接示波器、電子屏、數(shù)碼管等多種方式的改進(jìn),讓學(xué)生們對(duì)這些相關(guān)的內(nèi)容和原理也做好了解,可作為附加內(nèi)容體現(xiàn)在報(bào)告中。除此以外,還可以鼓勵(lì)學(xué)生做好創(chuàng)新設(shè)計(jì),諸如設(shè)計(jì)一些數(shù)字電壓表、搶答器、計(jì)數(shù)器、數(shù)字時(shí)鐘等小規(guī)模器件,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)過程,逐步提升學(xué)生的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

3.3 虛實(shí)混合優(yōu)化資源,規(guī)范教學(xué)管理

虛實(shí)結(jié)合的方式不止在實(shí)訓(xùn)課程中有所建樹,在其他相關(guān)專業(yè)課上也能起到輔助教學(xué)的作用。通過虛實(shí)并用的模式可將散亂的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效整合,形象生動(dòng)地演示項(xiàng)目過程,激發(fā)學(xué)習(xí)積極性,使學(xué)生學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)。教師通過線上平臺(tái)對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行集中反饋,對(duì)教學(xué)計(jì)劃和內(nèi)容進(jìn)行有效調(diào)整(如圖2所示)。也可對(duì)學(xué)生的分組進(jìn)行跟蹤和對(duì)比,對(duì)于學(xué)生興趣較高的項(xiàng)目可適當(dāng)增加內(nèi)容和難度,以建立興趣小組或工作室的形式開拓學(xué)生思維。除此以外還可通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)知曉實(shí)驗(yàn)耗材的使用數(shù)量和儀器的損耗程度,輔助實(shí)驗(yàn)員對(duì)元件做好及時(shí)補(bǔ)充和維護(hù),為教師實(shí)訓(xùn)課程順利進(jìn)行提供有力保障。

圖2 學(xué)生管理系統(tǒng)

4 結(jié)語

虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法的有效運(yùn)用,顯著提升了實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果,仿真過程的指導(dǎo)性特征使得實(shí)訓(xùn)出錯(cuò)率和作品成功率都得到了有效改善。將虛擬仿真教學(xué)結(jié)合到實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革中,對(duì)提升學(xué)生課堂積極性、增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)作品的美觀性和實(shí)用性方面起到了積極作用。學(xué)生通過線上自查、自檢、討論等方式進(jìn)行共同研究,自主解決問題的能力也得到提升。通過二者的有效結(jié)合,學(xué)生的思維方式更加靠近實(shí)際,可將所學(xué)的內(nèi)容有效應(yīng)用在工作中,體現(xiàn)人才培養(yǎng)的真正作用。