基于虚仿实验的模电理论教学与实验教学融合.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 基于虚仿实验的模电理论教学与实验教学融合姚 鹏,杨卫军,任 静,于泽祥,闫四海,陈 晨(火箭军工程大学 基础部,陕西 西安 710025)摘 要:以教学改革为契机,研发在线虚拟仿真实验教学资源,并结合理论教学与实验教学的各自特点,将虚拟仿真实验引入到“模拟电子技术”课程的教学体系中,通过内容、手段、过程及效果评价等方面的创新,推动理论教学与实验教学的高度融合。虚拟仿真实验项目按照类型划分,将演示型和验证型虚拟仿真实验引入到理论教学中,将综合型和设计型虚拟仿真实验引入到实验教学中,从而构建更加完整、更加科学、优势互补的教学体系,以培养学生融会贯通、学以致用的综合能力。关键词:虚拟仿真;模拟电子技术;理论教学;实验教学;融合中图分类号:G642.423 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.032Integration of theoretical teaching and experimental teaching of analog electronic technology based on virtual simulation experimentsYAO Peng,YANG Weijun,REN Jing,YU Zexiang,YAN Sihai,CHEN Chen(Department of Basic Education,Rocket Force University of Engineering,Xian 710025,China)Abstract:Taking the teaching reform as an opportunity,research and develop online virtual simula-tion experiment teaching resources,and combine the respective characteristics of theoretical teaching and experimental teaching to introduce virtual simulation experiment into the teaching system of the“Analog Electronic Technology”course.Innovations in evaluation and other aspects promote the high integration of theoretical teaching and experimental teaching.The virtual simulation experiment projects are divided according to types.Demonstration-type and verification-type virtual simulation experi-ments are introduced into theoretical teaching,and comprehensive and design-type virtual simulation experiments are introduced into experimental teaching,so as to build a more complete,more scientif-ic,and complementary teaching system to cultivate students comprehensive ability to integrate and apply what they have learned.Key words:virtual simulation;analog electronic technology;theoretical teaching;experimental teaching;integration 收稿日期:2021-03-28 修改日期:2022-07-20作者简介:姚鹏,博士,副教授,研究方向为电子信息技术理论与实验教学研究工作。E-mail:13880680 基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(项目编号:2022JM-405);火箭军工程大学教育教学研究课题(项目编号:HJJKT2020027)。当前,院校的教学改革,应推进理论与实践相统一作为立足点与出发点。根据教育部关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知(教高厅20174 号)1 和关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知(教高函20185 号)2 等相关要求,深入推进虚拟仿真实验教学与高等教育教学的融合,进一步推动教学理念、教学方法、教学内容等方面的改革与创新。1 模电理论教学与实验教学融合不够紧密现象“模拟电子技术”课程(以下简称:模电)是高等工科院校的必修基础课,是一门理论性与实践性都很强、两者结合又非常紧密的课程。该课程的理论教学大体上包括:基本概念、基本器件、电路原理、电路分析、电路设计与应用等内容;实验教学类型大体姚鹏,等:基于虚仿实验的模电理论教学与实验教学融合上分为:演示型实验、验证型实验、综合型实验、设计型实验等类型。然而,无论是军事院校,还是地方院校,当前或多或少地存在理论教学与实验教学融合不够紧密的现象,主要体现在以下三个方面。1.1 理论教学的实践性不足在模电课程的理论教学过程中,教学方式仍旧是以教师讲授为主,学生被动地获取知识。由于缺乏动手实践获取知识这一有效环节,部分学生分析和解决问题的能力大都停留在理论阶段,不能深入地理解模电课程的工程思想。同样,在理论教学的内容上,大部分是对模拟电路的功能介绍和理论分析,学生缺乏一定的实践体验与感悟,难以将学到的理论知识与电路实际现象或具体实际应用相关联,甚至有部分学生产生了“重理论、轻实践”的错误思想 3。1.2 实验教学的创新性不足在以往的实验教学过程中,大多数情况下仍旧延续着教师先讲解实验原理,演示实验操作,学生再复现实验步骤,记录实验数据,分析实验结果,最后填写实验报告的传统模式,无论是方式还是内容上都缺乏创新性 4。由于时间、场地、仪器、耗材、课时等诸多因素限制,实验课程允许安排的实验项目数量与类型相对较少。在这种传统的实验模式下,学生得到锻炼的机会不够多,从而削弱了学生主动学习的积极性,造成创新能力、动手能力和处理问题能力的培养相对薄弱 5。1.3 考核评价的创新性不足在理论教学中,由于大多数情况下很少引入实验教学内容,以至于部分学生学习模拟电路仍旧停留在主观认知上,缺乏对电路真实现象的客观认知,以及缺少理论与实践相结合能力的培养。在实验教学中,由于受到场地、课时等条件的制约,实物型实验大多是易实现的项目,考核成绩主要参考平时表现、实验操作和实验报告给出,缺乏一定的理论深度和创新性,不能客观反映学生的综合水平 6。2 虚拟仿真实验教学的优势为了助推模电课程的理论教学与实验教学的深度融合,虚拟仿真实验教学具有以下四个方面的优势。2.1 实验内容开放化虚拟仿真实验内容可以取自实验教材的经典实验项目,也可以取自理论教材中的典型电路,甚至可以取自科研前沿、日常生活和生产实践的电路结构。从而打破实验项目仅局限于传统实验的封闭格局,建立起实验内容来源多样性的开放机制。2.2 实验过程自主化虚拟仿真实验可以在强化理论教学的同时,进一步拓宽学生的知识覆盖面,实现学科、专业和课程知识体系的交叉融合。学生可以把“电路原理”、“模拟电子技术”和“数字电子技术”,甚至其它相关课程的知识运用到虚拟仿真实验中,实现知识和技能的融合贯通,从而有利于培养其主动建构知识体系和提升实践创新的能力。不同层次的学生也可以通过自主选择合适的实验方法和实验步骤,从而有利于实施因材施教的教学原则。2.3 能力评价科学化虚拟仿真实验可以通过对学生实验过程的数据采集与分析,实现对学生学习与实验情况的信息收集,基于大数据的量化评估方式能够减少教师评价方式的主观性影响,为学生提供更加多元、更加全面的评估结果,辅助学生更好地实现综合能力的提升。这种评价考核方式,摆脱了对实验结果作为单一评价的依赖性,更加突出实验全过程的重要性,体现了对实验过程规范性、实验步骤有效性、实验结果正确性,以及对知识学习达成度客观性的教学要求,具有对学生综合能力考核功能性的特点。2.4 教学辅助智能化虚拟仿真实验可以很好地嵌入到教学体系中,包括:慕课、专属在线课程(SPOC)或其它在线课程、案例库、专题讲座库、素材资源库,以及配备学科专业知识检索系统、演示/虚拟/仿真实验实训(实习)辅助系统、试题库系统、作业系统、在线自测/考试系统等。这些资源具有教学兼备和互动交流等功能,教育教学与信息技术融合、课程应用与课程服务相融通,适合在线学习、翻转课堂以及线上线下混合式拓展性学习。教师按照教学计划和教学要求为学生提供参考资料、活动作业,及时开展在线指导、答疑、讨论、测验等教学活动。实验者在线学习响应度高,师生互动活跃有效,充分满足学生在线学习的个性化需求 7。3 虚拟仿真实验建设的基本思路依据教育部出台的关于虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神,虚拟仿真实验教学项目应具有实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活、实验现象生动形象等显著特征,并拓展了传统实验教学的深度与广度 8。为了助推模电921课程的理论教学与实验教学的高度融合,从以下四个方面进行课程建设。3.1 丰富仪器和元件库在虚拟仿真实验中,可以充分利用仿真平台的灵活性,预先构建市面上常用或特定的仪器仪表与元器件库,从而使学生便捷地搭建实验电路;同样,可以通过预先设计和后期调式的方式高度还原真实的实验现象,包括正常现象和各种故障现象。学生也可以尝试使用不同类型的仪器和不同型号的元件,搭建自己设计的电路,挑战各种极端的实验条件和实验环境,而不需拘泥于真实实验室中所配备的实物仪器和所配发的实物元件,从而拓展学生的视野,丰富学生的知识面,为日后的工作和学习打下一定的基础。3.2 突破时间、空间的局限在允许的条件下,学生可以借助移动终端开展虚拟仿真实验,从而不受时间和空间的限制,亦不受实验室开放时长等管理上的拘束,以实现 3A(Any-time,Anywhere,Anything)教学模式 9。甚至,可以挑选出一部分适合的实验教学项目融入到理论教学中,从而实现理论教学与实验教学的融合。3.3 提高教学效果学生可以先在虚拟仿真实验平台上预习实验内容,熟悉实验设备,掌握实验流程,教师随后在课堂上可以酌情压缩一些讲解环节,例如实验设备和元器件的介绍,这既节省了课堂授课时间,又提高了教学效果。此外,虚拟仿真实验可以在某种程度上减少学生误操作导致实验仪器的故障的产生和元器件的损耗,从而为实验室节省一系列不必要的耗材以及维修和管理成本。3.4 可以开出高危或极端条件下的实验借助虚拟仿真实验平台,可以顺利开出以往只有教师口头讲述或者依靠教学视频才能讲解演示的高危或极端条件下的电路实验项目,例如二极管极限参数测试、强电高电压测试、电路故障辨识与排除等。将这些教学内容设计成具有交互功能的虚拟仿真实验项目,不但能让学生对上述电路现象有更加直观的认知,也对他们理解和运用这类知识有更大的帮助。4 虚拟仿真实验建设的基本方法以“助推理论教学与实验教学相融合,课程教学与创新实践相结合”为理念,依照“能实不虚、虚实结合”的原则 10,以“分级分层,循序渐进,从基础到综合,再到设计与创新”为模式,将理论教学与移动终端相结合,将实验教学与虚拟仿真相结合,从而突破时间和空间的限制。为了构建基于模电课程的虚拟仿真实验教学,可以采用以下办法。4.1 虚拟仿真实验内容的选取在模电课程的教学过程中发现某些学生过于偏重于电路的理论分析与计算,在电路设计与应用中不能很好地理解所遇到的实际工程现象。例如,在二极管应用电路的理论学习中,有学生错误地认为只要二极管导通,其结压降就应该恒等于理论值,即:0.7V 或者 0V;在晶体三极管工作区判断中,某些学生错误认为,只要发射结压降 Ube达不到 0.7V,b-e 结就不可能是正偏,三极管就不能工作在放大区。以上现象,可以归结于学生对器件工作状态的渐变过程没有一个清晰的认识,没有认清模电是一门理论必须联系实际的工科课程。为了避免学生过于沉浸于模拟电路的理论分析与计算,而脱离工程实际,以及针对学生在实验过程中遇到的电路干扰问题、功率问题、极限条件下的散热和安全保护问题、两级电路之间的电位匹配、相位匹配、阻抗匹配等问题、输入信号的灵敏度、输出信号的动态范围、电路响应时间等进行了整理和归类,将这些问题可以通过设计虚拟仿真实验项目,从而全面复现,以逼近实际电路的实验现象和实验结果。如图 1 所示,按照上述选取虚拟仿真实验内容的原则,可以设计:常用电子仪器使用、二极管实用电路设计、晶体三极管静态工作电压设置与工作区判别、晶体三极管小信号线性放大电路设计以及集成运算放大器应用电路设计等作为虚拟仿真实验的内容。图 1 模拟电子技术课程的虚拟仿真实验教学内容在选取实验内容时,从基础入手、逐步深入,将理论教学与实验教学中学生常遇到的问题通过虚拟仿真实验项目逐一贯穿起来,并特别注重知识体系031 姚鹏,等:基于虚仿实验的模电理论教学与实验教学融合的连贯性。学生可以借助虚拟仿真实验,对自己不熟悉、不理解,以及不易通过实物实验开展的项目,进行学习体会和反复训练,最终达到能够理解并且熟练掌握模电课程知识的教学目的。4.2 虚拟仿真实验项目的引入虚拟仿真实验项目按照类型,通常可以分为:演示型、验证型、综合型和设计型。如图 2 所示,根据理论教学和实验教学的特点,可以将上述实验类型分别引入到各自的教学体系中。图 2 基于模拟电子技术的虚拟仿真实验教学体系4.2.1 演示型和验证型虚拟仿真实验引入到理论教学中将具有理论、原理、方法的演示型实验和验证型实验,通过遴选、设计和重构成合适的虚拟仿真实验项目,以融入到理论教学中。虽然虚拟仿真实验不能替代模电课程的理论讲授,但可以作为理论教学的辅助教学手段或教学资源。借助于信息技术的教学环境,教师可以在理论教学的课堂上开展演示性实验,以辅助理论知识的讲授。学生也可以通过各自的移动终端开展验证型实验,通过实践加深对理论知识的理解。学生的实验成绩也可以纳入到理论教学的过程考核中,从而实现理论教学和实验教学的融合。4.2.2 综合型和设计型虚拟仿真实验引入到实验教学中设计和构造出适合虚拟仿真实验的综合型实验和设计型实验,可以培养学生融会贯通地解决实际问题的能力,以及正确的工程思维方式。虽然虚拟仿真实验不能代替实物实验,但可以结合各自的优缺点,形成各展所长、优势互补的关系。通过设计一套具有自主化与智能化的虚拟仿真实验教学资源,以满足学生在线学习的个性化诉求,这一点是传统实物实验无法达成的。考虑到综合型实验和设计型实验相对复杂,花费时间相对较长,可以放入到实验教学体系中建设,作为课后作业和课程考核。虚拟仿真实验也可以与实物实验相结合,前者的实验结果也可以作为后者的原理验证。通过理论教学与实验教学的融合,从而改善学生“重理论、轻实践”的错误思想以及“理论与实践结合不够紧密”的现象,有效提高学生以问题作为切入点,以理论作为牵引,以实验作为突破口,提升自主探索知识的能力,促进教师优化传统理论教学与实验教学,优化课堂学时,提高了教学效果,为理论教学和实验教学引入前沿科技与工程技术问题创造出必要的条件。5 结语本文以“模拟电子技术”课程作为实施对象,通过研发在线虚拟仿真实验教学资源,并结合理论教学与实验教学的各自特点,将演示型和验证型虚拟仿真实验引入到理论教学中,将综合型和设计型虚拟仿真实验引入到实验教学中,从而分类型构建虚拟仿真实验体系,以培养学生的学习兴趣,提升学生的理论水平,增强学生的工程实践能力。通过运用虚拟仿真技术,可以开展以往不易实现的高危或极端条件下的实验项目,在降低成本和避免安全隐患发生的同时保证教学效果。通过探索与实践虚拟仿真实验教学的内容、手段、过程及效果评价等方面的创新,推进理论教学与实验教学的高度融合。参考文献(References):1 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知J.实验室科学,2017,20(4):214.2 中华人民共和国教育部.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知EB/OL.教高函2018 5 号.http:/ 钱文高.面向高等工程教育改革的模拟电子技术课程建设J.教育教学论坛,2019(47):227-228.4 程春雨,吴雅楠,马驰,等.模拟电子技术实验教学改革与实践J.实验科学与技术,2014,12(6):71-74.5 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