電工電子實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)模式的探索

廖紅梅

（中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州221008）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合科研能力和實(shí)踐能力的需要。“電工技術(shù)與電子技術(shù)”課程作為我校面向非電類工科專業(yè)開設(shè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，其基本教學(xué)目的是使學(xué)生獲得電工電子技術(shù)必要的基本設(shè)計(jì)能力和實(shí)際操作能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際同題的能力［1］。該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，因而其實(shí)踐環(huán)節(jié)——電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，對加強(qiáng)學(xué)生鞏固理論知識，培養(yǎng)電工電子技術(shù)能力起著重要作用。結(jié)合多學(xué)時專業(yè)特點(diǎn)，我校從1996年開始，將“電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”在機(jī)械、選礦、熱能等專業(yè)采取獨(dú)立設(shè)課、單獨(dú)考核。為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能、促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新，我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中創(chuàng)新教學(xué)方式，充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段，探索構(gòu)建多角度、立體開放式的電工實(shí)驗(yàn)教育。

1 用計(jì)算機(jī)仿真軟件加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)

學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)會促進(jìn)課程理論知識的掌握，堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)則是做好實(shí)驗(yàn)的保證。做實(shí)驗(yàn)如果沒有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，不能透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看到問題本質(zhì)，遇到問題也往往不知從何下手。計(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，對于深入學(xué)習(xí)課程理論知識、開展相關(guān)設(shè)計(jì)研究提供了便利和可能。計(jì)算機(jī)仿真具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng)尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具。因而，應(yīng)用先進(jìn)的電子電路仿真軟件，學(xué)生可以完成相關(guān)電路的搭建、設(shè)計(jì)，進(jìn)行電路分析、時序測試等仿真，這可以幫助學(xué)生加深對概念、原理的理解，更好地掌握課程教學(xué)內(nèi)容，更加有效地完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)，特別是可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器和元件少的不足及避免設(shè)備的損壞。針對設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)學(xué)生還可以使用仿真軟件設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)、確定元器件參數(shù)，選擇出性能最好、所需器件最少的最佳方案，這樣在實(shí)驗(yàn)室動手完成時可以少走彎路、節(jié)省時間、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。這既有利于培養(yǎng)了學(xué)生的分析、應(yīng)用和創(chuàng)新能力，也掌握了一些先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)復(fù)合型人才。

目前，可以進(jìn)行電路電子仿真的軟件主要有E－lectronics Workbench （EWB）、OrCAD／Capture CIS、Protel99／Pspice、Matlab軟件等，目前課程主要采用EWB軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。EWB軟件是加拿大Interactive Image Technology公司推出的用于電子電路仿真的虛擬電子工作臺軟件［2］。它可以對模擬、數(shù)字或混合電路進(jìn)行仿真。該軟件的特點(diǎn)是采用直觀的圖形界面，在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺，用屏幕抓取的方式選用元器件，創(chuàng)建電路，連接測量儀器。軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時顯示測量結(jié)果。EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。

2 開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果

電工電子技術(shù)課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)是其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，但是由于一些主客觀的原因造成實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到理想效果，如實(shí)驗(yàn)大多要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在時間、空間上受限制；實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能保證學(xué)生人手一臺，無法保證每個學(xué)生對實(shí)驗(yàn)獨(dú)立操作；經(jīng)費(fèi)受限制、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新不及時，無法適應(yīng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求；實(shí)驗(yàn)設(shè)備、元器件在誤操作時容易損壞，維護(hù)工作量大；一些高電壓電路較危險(xiǎn)，教師學(xué)生有心理壓力等，這些問題不是簡單增加設(shè)備投資就能解決的。

開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)可以較好地解決以上的問題，虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫教授于1989年首次提出的［3］。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣泛的作用和影響，尤其在科技研究、虛擬仿真校園，虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、教育娛樂等方面的應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，我們開發(fā)的電工電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，具有非常接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備的界面，學(xué)生可以利用個人計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)模擬各種儀器儀表的操作使用及模擬部分電路實(shí)驗(yàn)。例如，利用開發(fā)的虛擬示波器軟件，計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的就是一個示波器的前面板，可以通過鼠標(biāo)操作在上面進(jìn)行波形測試、旋鈕調(diào)節(jié)等操作；利用開發(fā)的虛擬異步電動機(jī)控制實(shí)驗(yàn)軟件，可以方便地實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟動、停止等控制操作，并可利用儀表測量其工作特性。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用，一方面可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；另一方面，可以幫助學(xué)生在動手實(shí)驗(yàn)完成后復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作過程、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時由于學(xué)生準(zhǔn)備充分，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)工作量及實(shí)驗(yàn)成本大為降低，特別是虛擬實(shí)驗(yàn)軟件只需一臺電腦即可，成為打造全方位“開放實(shí)驗(yàn)室”的一個重要手段。

3 用多媒體課件改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

在高等學(xué)校的課程教學(xué)中，多媒體教學(xué)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，也取得了較好的教學(xué)效果。而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，過去一般是采用黑板演示講解，或者是將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做成膠片采用幻燈機(jī)來輔助教學(xué)。顯然，黑板演示講解內(nèi)容有限，特別是介紹儀器儀表的操作時，只能在儀器儀表上操作，在學(xué)生人數(shù)較多的情況下，學(xué)生看不清楚，聽不明白；而采用幻燈機(jī)投影教學(xué)，需要制作大量幻燈膠片、維護(hù)保養(yǎng)以及操作都很麻煩，要投入較多的時間、精力及費(fèi)用。特別是我校電工實(shí)驗(yàn)室每年要向全校30多個專業(yè)數(shù)千人開設(shè)實(shí)驗(yàn)，其工作量可想而知。為此，實(shí)驗(yàn)室配置了多媒體電教設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)教師和理論教師的努力工作，精心制作了“電工技術(shù)與電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)多媒體課件，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器儀表面板圖片、實(shí)驗(yàn)原理動畫、操作視頻等內(nèi)容科學(xué)組合，實(shí)驗(yàn)前通過大屏幕投影清晰、直觀地向?qū)W生展示，學(xué)生可以在較短的時間內(nèi)，增強(qiáng)感性認(rèn)識，更好的掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的、難點(diǎn)和要點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)規(guī)范

為使學(xué)生提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的不規(guī)范現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)要求中提倡學(xué)生用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。一般情況下學(xué)生可以采用Matlab、Mathmetic、Graphtool等計(jì)算軟件完成繪制曲線、曲線函數(shù)擬合、誤差處理計(jì)算等數(shù)據(jù)處理任務(wù)。另外學(xué)生也可以采用電工實(shí)驗(yàn)中心研制開發(fā)的“電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件”完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的意識，提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。

5 利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺加強(qiáng)師生交流

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)帶來了信息的革新，也帶來了全新的教育理念。利用網(wǎng)絡(luò)教育這一現(xiàn)代化教學(xué)平臺，可以打破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)在時間和空間上的限制，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在任何時間、任何地點(diǎn)都可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自學(xué)、討論以及開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)師生之間的互動、溝通、交流。為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)作用，中心實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開放式教學(xué)，學(xué)生可以通過我們開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)選課系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)約，學(xué)生可以自主確定實(shí)驗(yàn)時間，避免了時間沖突；將電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件、模擬試卷以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程等教學(xué)輔助資料上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，成為學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)“電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”的有力助手；通過網(wǎng)絡(luò)互動論壇，學(xué)生可以就學(xué)習(xí)疑問、教學(xué)方法等發(fā)表意見建議，每天都會有實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)回復(fù)答疑，實(shí)現(xiàn)了師生的多角度互動交流，對掌握學(xué)生動態(tài)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)建設(shè)都起到了有益作用。

6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新已經(jīng)成為一個國家國力進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動力的關(guān)鍵因素，建設(shè)創(chuàng)新型國家，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新型人才已成為全社會的共識，因而培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是當(dāng)今教學(xué)改革的新目標(biāo)。電工實(shí)驗(yàn)除了安排傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，各位教師又協(xié)同合作設(shè)計(jì)了多項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題，如多功能數(shù)字鐘、籃球比賽24秒計(jì)時器、觸摸開關(guān)、交通信號燈等結(jié)合實(shí)踐、有趣、能鍛煉學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的課題，要求學(xué)生獨(dú)立查找資料、設(shè)計(jì)繪制電路、先仿真后實(shí)踐，通過這種方式使學(xué)生掌握獨(dú)立解決問題從開始到結(jié)束的整個過程，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題解決問題的能力。

7 結(jié)語

通過多角度立體開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生對電工電子技術(shù)課程從理論掌握—實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)—動手實(shí)踐—數(shù)據(jù)處理—創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)緊扣，將理論與實(shí)踐緊密相連，互補(bǔ)促進(jìn)，取得了很好的教學(xué)效果。近年來，實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過全體教職工的不斷努力探索與實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、多媒體教學(xué)、創(chuàng)新人才培養(yǎng)等方面都取得了突出的成績，2007年被批準(zhǔn)為國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位。電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心將以此次入選“國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)單位”為新的起點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)建設(shè)，加大經(jīng)費(fèi)投入，完善運(yùn)行管理機(jī)制，加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，凝練優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開展培訓(xùn)、交流和合作，增強(qiáng)示范輻射能力，不斷開拓創(chuàng)新，為全國高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供示范。

［1］ 王香婷，劉濤主編，電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，北京：高等教育出版社，2009.3

［2］ 朱新芬，EWB在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008.25（8）：99－102

［3］ H.Goldberg.What is virtual instrument［J］.IEEE Instrumentation ＆ Measurement Magazine，2000，3（4）：10－13