新工科背景下虚拟仿真技术在“电路与电子学”课程中的应用与实践

来源:用户上传      作者:张向群 宁慧娜 秦慧玲

　　摘要：在新工科背景下，针对“电路与电子学”课程理论晦涩难懂、学生学习积极性差的情况，课程组基于OBE教学理念，将虚拟仿真技术引入课程教学中。实践表明，这些措施和方法调动了学生的学习积极性，提高了学生的综合实践能力、独立思考与创新能力。
　　关键词：虚拟仿真技术;新工科;课程改革;电路与电子学
　　中图分类号：G642.07文献标识码：A
　　
　　1概述
　　1.1虚拟仿真技术引入课堂教学的意义
　　虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。从狭义上讲，虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术;从广义上说，随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术是人类认识自然界客观规律的一种基本方法和一项通用性、战略性技术。
　　虚拟仿真技术是计算机科学发展的成果，虚拟仿真技术应用于教学代表着今后教学科研发展的新方向。将虚拟仿真技术应用到课堂教学有以下意义：
　　（1）构建高效课堂。使用虚拟仿真技术将重难点问题以仿真的方式呈现出来，加强直观性，吸引学生注意力，使抽象的教学问题变得具体形象，提高知识的可接受性。
　　（2）不受时间和空间的限制。以往学生想要做实验只能去实验室，有了仿真软件，学生就可以在自己的电脑上随时随地进行仿真。
　　（3）引入虚拟仿真技术进行实验教学，可以降低实验成本、减少事故发生和提高学生的创新能力。避免了学生做实验时担心安全事故、畏首畏脚、不敢尝试的情况，同时避免了学生由于使用不当造成仪器损坏等不必要的资源浪费。利用虚拟仿真技术，学生不再担心损坏设备和元件，敢于大胆尝试更多的验，提高了学生的综合实践能力、独立思考与创新能力。
　　1.2“电路与电子学”课程的教学现状
　　“电路与电子学”是电路基础和模拟电子技术两门课程的精简版，该课程学时少而且本身难度较大，对学生的数学知识要求高。同时该课程内容晦涩难懂、枯燥，导致学生学习时一头雾水，理解不深导致无法灵活运用，产生畏难情绪。因此，“电路与电子学”教学方法研究与改革显得非常迫切。近年来，国内外不少老师尝试将虚拟仿真技术应用到“电路与电子学”课堂教学。广东药学院的罗来成副教授利用Multisim软件进行理论课堂演示[1]。北京邮电大学的孙丹丹利用虚拟仿真技术进行电子电路实验教学探索，开发了一个虚拟仿真实验平台[2]。孙荣平利用多媒体仿真技术提高电路与电子技术的实验效果[3]。王春娟利用虚拟仿真软件proteus构建电路高效课堂[4]。山西工程职业学院的韩静教授在模拟电子教学中采用虚拟仿真技术制作电子作品，提高学生的创新能力[5]。
　　我校信息工程学院的“电路与电子学”课程开设在春季，授课对象为物联网工程专业和交控专业的大一学生。该课程理论内容多，实验中要用到示波器、万用表、信号发生器、频率计等诸多仪器，而实验教学受到各种条件限制等，导致学生动手能力较差。这不符合我校应用型人才培养定位和物联网专业的培养方案，造成理想和现实之间的矛盾。将虚拟仿真技术应用到该门课程，可较好地克服上述弊端，有利于理论知识讲授和加强实践环节，把教学过程延伸到课前和课后，极大地调动学生学习兴趣，提高教学效果。总之，虚拟仿真技术在该课程的应用和实践可以将该门课程变成“天使课程”。
　　2改革方案的应用与实践
　　课程组针对物联网工程专业“电路与电子学”课程的特点，主要的工作包括以下几方面：
　　2.1根据OBE理念重新修订“电路与电子学”课程教学大纲
　　物联网工程学科是由网络、计算机、电子等多个学科融合形成的、应用性非常强的、信息技术综合集成化的工程应用学科。“电路与电子学”课程是物联网工程专业必修的一门重要的专业基础课程，其教学目的是通过讲授电路理论、电子电路分析和初步设计方法，使学生获得必要的电路分析的基本理论和技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为以后专业课学习打好基础。该课程对应于物联网工程专业培养方案中“具备扎实的模拟电路、数字逻辑与数字电路、计算机软件、计算机硬件体系结构、编程语言、网络及通信等相关学科的基本理论和基础知识”“具有科学思维方法及综合运用掌握的知识、方法和技术分析并解决复杂物联网工程问题的能力，即具有一定的物联网领域科学研究能力、物联网相关软硬件产品的开发能力”。
　　由于“电路与电子学”课程中所包含的知识点非常多，所以需要结合我校应用型本科定位和物联网工程专业的特点，对这门课程教学内容进行规划和取舍。我们课程组删掉了一些晦涩难懂的深层理论内容，提高了虚拟仿真和实验环节的比重。在重新整合教学内容后，采用项目驱动法进行教学。课程以一个综合设计性实验为统领，首先讲解理论知识，然后让学生完成仿真，最后进行实际实验操作。在完成项目的过程中师生互动，生生互动，相互启发，解决问题。以上工作的核心体现在修订“电路与电子学”教学大纲，包括理论和实践部分。
　　2.2探索基于虚拟仿真技术的“电路与电子学”教学方法
　　将虚拟仿真技术应用于“电路与电子学”理论与实验教学中，与传统的理论和实验教学有机地结合在一起，实现理工类课程实验课的改革与创新，主要教学探索如下：
　　2.2.1现有的虚拟仿真软件
　　现有成熟的仿真软件非常多，例如用于仿真电路与电子学、数字电路的软件有SPICE、MATLAB、MULTISIM、POTEUS，用于仿真物理场的COMSOL，每个仿真软件都需要占用计算机的内存空间，而且有一定的入门门槛。学生熟练掌握一门仿真软件，需要一定的时间。此外，物联网工程专业注重实践，如果每门课程都需要学生学习一门仿真软件，这不太现实，而且加重了学生的负担。因此，在本项目的研究中，课题组首先要解决的问题是：在满足“电路与电子学”虚拟仿真教学的基础上，能否找到一个仿真软件，贯穿于物联网工程专业本科四年课程的教学过程中，形成一个体系。这需要在熟悉各个仿真软件的基础上进行详细的分析和论证。

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