基于EWB的電路課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

劉珊中 王新勇 田 葳

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

基于EWB的電路課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

劉珊中 王新勇 田 葳

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

本文針對電路課程教學(xué)內(nèi)容增加，學(xué)時(shí)卻一再壓縮的矛盾，把計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)引入該課程教學(xué)改革中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)模式以及課外科技活動(dòng)等方面進(jìn)行全方位的教學(xué)改革與創(chuàng)新，其中計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)加啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)的運(yùn)用；基于軟硬結(jié)合的電路課實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的建立；電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，有效地提高了課程教學(xué)質(zhì)量，使課程知識(shí)的學(xué)習(xí)提升到新高度。

教學(xué)改革；EWB技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

電路是電類各專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生基本電路分析和設(shè)計(jì)能力的任務(wù)。作為專業(yè)先行課，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等教學(xué)環(huán)節(jié)乃至走上工作崗位后的實(shí)踐能力都具有非常重要的作用。該課程理論性強(qiáng)又涉及大量實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)課教學(xué)對加深課程理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問題能力具有不可替代的重要作用，是課程教學(xué)的重要組成部分。

近年來隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代社會(huì)對學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新精神要求的不斷提高，課程教學(xué)內(nèi)容在增加，而學(xué)時(shí)卻一再壓縮，如自動(dòng)化專業(yè)總學(xué)時(shí)由160學(xué)時(shí)減少到130學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課由40學(xué)時(shí)減少到26學(xué)時(shí)，內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的矛盾非常突出，尤其是實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。鑒于從1999年開始研制多媒體CAI課件并用于輔助課堂教學(xué)，教學(xué)實(shí)踐表明，CAI課件的使用增加了課堂教學(xué)的信息量并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上緩解了這一矛盾，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式存在高消耗、低效率、涉及面窄以及綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)難以開展的問題一直未得到解決，嚴(yán)重影響著課程教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高及學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，以實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革為重點(diǎn)，引入新的教學(xué)手段（計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)），從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)模式以及課外科技活動(dòng)等方面進(jìn)行全方位的教學(xué)改革與創(chuàng)新，以進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量和加強(qiáng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，滿足現(xiàn)代社會(huì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對高層次電類人才的需要。

一、課程教學(xué)改革的思路與指導(dǎo)思想

在深入研究電路課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及要求的基礎(chǔ)上，借助于當(dāng)今課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效輔助教學(xué)工具—虛擬儀器技術(shù)這一先進(jìn)教學(xué)手段，以實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革創(chuàng)新為重點(diǎn)，以加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系、全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，著力培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、綜合能力和自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，進(jìn)行包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課外科技創(chuàng)新能力在內(nèi)的電路課程全方位教學(xué)改革與實(shí)踐，尋求課程教學(xué)的最佳模式，并以此為切入點(diǎn)，推進(jìn)相關(guān)省級(jí)精品課程電工學(xué)的教學(xué)改革和電工電子省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范教學(xué)中心的建設(shè)。

計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步在20世紀(jì)80年代末興起的一門新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)與儀器技術(shù)的有機(jī)融合。其中加拿大Interactive Image Technologies公司20世紀(jì)90年代推出的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件EWB（Electronics Work bench），因其采用圖形方式創(chuàng)建電路，具有界面形象直觀、操作方便、不受場地限制等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。采用EWB仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)如同置身于實(shí)驗(yàn)室使用真實(shí)儀器調(diào)試電路，即不需要任何真實(shí)電子元器件與儀器，就可完成電路、數(shù)字邏輯電路和模擬電路等課程的各種實(shí)驗(yàn)，這樣既不必購買高檔儀器、大量元器件，又可避免儀器檢修等諸多不利因素，非常適合電路課程的輔助教學(xué)。加之這種方法易學(xué)、易用，學(xué)生只要掌握了EWB軟件的使用方法，便可不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場地和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，用計(jì)算機(jī)自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、連接和分析，可極大地提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力。同時(shí)，EWB軟件提供的元件及儀表儀器齊全、功能多，便于開設(shè)一些復(fù)雜、綜合性、研究性的電路實(shí)驗(yàn)以及自主創(chuàng)新性的電路設(shè)計(jì)，可以填補(bǔ)以往由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺所帶來的遺憾，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性，為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)提供更為廣闊的空間，具有很強(qiáng)的不可替代性?；诖?，把計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)引進(jìn)電路課程的教學(xué)改革與實(shí)踐中。

二、課程改革的主要內(nèi)容及成果

1.課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化及課堂教學(xué)方法的改革

電路課程使用普通高等教育“十五”國家級(jí)重點(diǎn)教材《電路》（第六版）。優(yōu)秀教材的選用確保了課程教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)、合理。

以該教材為基礎(chǔ)，針對學(xué)校新增電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器、生物醫(yī)學(xué)工程等本科專業(yè)對電路課程教學(xué)的具體要求，結(jié)合國內(nèi)各高校電類專業(yè)課程教學(xué)改革成果和學(xué)科發(fā)展動(dòng)向，并參考國外部分高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上重新制定了符合各專業(yè)需要的課程教學(xué)大綱，取得了很好的教學(xué)效果。如對電子信息類各專業(yè)去掉“含有運(yùn)算放大器的電阻電路”和“二階電路”兩部分內(nèi)容，加上“三相電路”和“非正弦周期電流電路和信號(hào)的頻譜”的內(nèi)容，更符合后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的需要。

課堂教學(xué)采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式的復(fù)合教學(xué)。課堂教學(xué)中把計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)引入CAI課件中，對教學(xué)中的20個(gè)重要基本概念、定理、定律和現(xiàn)象的講解均配合虛擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)演示，使枯燥的理論變得生動(dòng)，難點(diǎn)得到化解、學(xué)生易于理解。同時(shí)在講解中配合啟發(fā)式、討論式等先進(jìn)的教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自學(xué)能力、分析問題和解決問題能力。這種計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)方法的運(yùn)用，使知識(shí)的講解和能力的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來。同時(shí)，通過課堂上對一些定理、定律驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的演示，可減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)中該部分的教學(xué)內(nèi)容，以留出更多時(shí)間讓學(xué)生自主開展一些綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

2.基于軟硬結(jié)合的電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)與基于EWB的虛擬實(shí)驗(yàn)各有特點(diǎn)，不能相互替代。按照知識(shí)積累的規(guī)律，采用兩條腿走路的方法，創(chuàng)建了同一個(gè)實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)方式的電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即先進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，由于其受設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件和場地的限制，所能實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方式有限；爾后用EWB虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際電路中的各種狀況并加以分析和研究、總結(jié)規(guī)律，使知識(shí)的學(xué)習(xí)提高到一個(gè)新的高度。如電路課中疊加定理和戴維寧定理的驗(yàn)證，先用實(shí)際儀器進(jìn)行一種參數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，再用EWB實(shí)驗(yàn)做各種參數(shù)的驗(yàn)證，如觀察改變儀器內(nèi)阻或者元件參數(shù)時(shí)引起的測量值變化作為實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，以加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解。另外，有一些實(shí)驗(yàn)如串聯(lián)諧振現(xiàn)象的觀察，由于硬件實(shí)驗(yàn)中受元器件限制，很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中找不到諧振點(diǎn)、峰值點(diǎn)等，對這部分內(nèi)容缺乏直觀感受，采用EWB實(shí)驗(yàn)后元件參數(shù)可任意改變，學(xué)生能很容易地看到電路發(fā)生諧振時(shí)的各種特殊現(xiàn)象，加深了對課堂知識(shí)的理解和記憶。

目前，我校電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已進(jìn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有：元件伏安特性的測試；疊加定理和戴維寧定理的驗(yàn)證；一階RC電路響應(yīng)的研究；微分電路的研究；積分電路的研究；交流電路功率因數(shù)提高的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；三相交流電路電流、電壓的測量；RLC串聯(lián)諧振電路特性測量；雙口網(wǎng)絡(luò)測試等。除自動(dòng)化專業(yè)外，其它各專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)的75%。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式自2003年9月開始在我校電子信息工程專業(yè)2002級(jí)部分學(xué)生中進(jìn)行EWB虛擬實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)以來，現(xiàn)已在自動(dòng)化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開展了EWB虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生共計(jì)3000余人。特別是2005年9月電路實(shí)驗(yàn)室每一實(shí)驗(yàn)臺(tái)都配備了計(jì)算機(jī)終端后，所有學(xué)生的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)都采用了該模式，即先作實(shí)際設(shè)備實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，然后再在計(jì)算機(jī)終端上用EWB進(jìn)行仿真、分析。同一實(shí)驗(yàn)軟硬結(jié)合的電路實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革，不僅有效地緩解了學(xué)生人數(shù)不斷增多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的突出矛盾，而且提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力和綜合能力。同時(shí)，課程的教學(xué)質(zhì)量也穩(wěn)步提高。

基于軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的建立，豐富了電路實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)效率和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與分析解決問題能力的基地?；谟?jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的電路課程教學(xué)改革實(shí)施5年來，有效地提高了課程教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力和自主創(chuàng)新精神，受到師生的一致好評。

3.電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)

2005年，建成了電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。利用該教學(xué)網(wǎng)站，學(xué)生可以了解電路實(shí)驗(yàn)室的情況以及可開出的實(shí)驗(yàn)，可以預(yù)約實(shí)驗(yàn)，閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行網(wǎng)上答疑、資源共享等。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站學(xué)生還可在課外自主進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，拓寬了學(xué)生的思維，使固定不變的實(shí)驗(yàn)課變成了開放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

電路實(shí)驗(yàn)室購置的KHDG-1型高性能電工綜合實(shí)驗(yàn)裝置（聯(lián)網(wǎng)型），配置有智能化儀表和數(shù)據(jù)采集器，為開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了理想的硬件條件。利用該教學(xué)裝置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，教師可以進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)，網(wǎng)上監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，記錄學(xué)生違章操作次數(shù)，采集、監(jiān)視學(xué)生端儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成對學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理，并自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.搭建培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神的實(shí)踐平臺(tái)

以實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革為重點(diǎn)的電路課程教學(xué)改革的實(shí)施，在理論和實(shí)踐上成效顯著。特別是計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)、電路實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和開放性實(shí)驗(yàn)的開展，構(gòu)建了課程教學(xué)的第二課堂，全方位全天候地搭建起培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、自主創(chuàng)新精神的實(shí)踐平臺(tái)，使學(xué)生的綜合能力取得長足進(jìn)步。借此平臺(tái)，多名學(xué)生參加了大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)和全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等，14名學(xué)生取得優(yōu)異成績，如項(xiàng)目“電動(dòng)車蹺蹺板”獲2007年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、“程控濾波器”“開關(guān)穩(wěn)壓電源”等獲河南省一等獎(jiǎng)等。

三、電路課程教學(xué)改革的創(chuàng)新與特色

構(gòu)建了基于EWB的電路課程全方位教學(xué)體系，包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課外科技創(chuàng)新，該成果對同類及相關(guān)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐具有示范作用和推廣應(yīng)用價(jià)值。

1.基于EWB的電路課程CAI課件及計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)的運(yùn)用，豐富了教學(xué)手段，拓展了教學(xué)信息，使枯燥的理論變得生動(dòng)，難點(diǎn)得到化解、學(xué)生易于理解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果和學(xué)生分析、解決問題的能力。

2.EWB技術(shù)應(yīng)用到電路實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，建立了基于軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)提供了更廣闊的空間。該新穎的教學(xué)模式，有效地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)驗(yàn)效率，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的聯(lián)系，更好地培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力，獨(dú)立分析解決問題能力和創(chuàng)新精神，使課程知識(shí)的學(xué)習(xí)提升到新高度。

3.電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，搭建了全方位全天候地培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、自主創(chuàng)新精神的實(shí)踐平臺(tái)。

[1]熊蘭，侯世英，呂原余.電工學(xué)精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（6）：19～21

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[3]楊上河.用電子模擬軟件EWB分析電路的方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22（3）：105～107

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Teaching reforms and practices of circuit course based on EWB

Liu Shanzhong, Wang Xinyong, Tian wei
Henan university of science and technology, Luoyang, 471003, China

Aiming at the contradiction which teaching content of the circuit course is increased and time is compressed, introducing computer virtual technology to teaching reforms of the circuit course, the omni directional teaching reforms and innovation is carried out from such aspects as teaching content, teaching method, teaching measures, teaching mode and extracurricular scientific activities. Among them computer virtual technology combined with heuristics, discussion type composite teaching is used. Experimental teaching mode of circuit course based on the software and hardware method is set up. Course teaching quality is effectively improved by construction of circuit experimental teaching website and realization of open experimental teaching,and that make course knowledge learning to be promoted a new height.

teaching reforms; EWB technology; experimental teaching mode

2010-04-15

劉珊中，博士，教授。

*本文系河南科技大學(xué)教改課題(項(xiàng)目編號(hào)：G2003-13)。