利用基于M ap le的模擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)電子類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)

胡承忠，宮衍香，趙玉榮

(1.泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院;2.泰山學(xué)院外國語學(xué)院，山東泰安 271021)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場上涌現(xiàn)了一批高性能的科學(xué)計(jì)算軟件，如Matlab、Mathematica、MathCAD、Maple等.把計(jì)算軟件應(yīng)用于電子信息教學(xué)成為當(dāng)今的一個(gè)重要教改課題，這方面的文獻(xiàn)見［1－7］.借此教改東風(fēng)，我們課題組也在這方面進(jìn)行了大量工作，參見文獻(xiàn)［8－13］.在近三年的時(shí)間里，我們以現(xiàn)代教育理念為指導(dǎo)，貫徹“學(xué)為主體”的原則，圍繞知識、素質(zhì)、能力、精神綜合培養(yǎng)為目的，對泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行了全方位的改革和建設(shè)，促進(jìn)了內(nèi)容的現(xiàn)代化，形成了以Maple的虛擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為特色的理論物理教學(xué)新體系.本教改課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于選取Maple軟件為平臺，目標(biāo)集中在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)、自動控制原理等課程的教學(xué)方面.該教學(xué)成果在2009年榮獲第六屆山東省高等教育教學(xué)成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng).

1 改革思路

長期以來，由于電子信息中的一些概念與常理相悖，令人感到晦澀難懂，其中的一些符號計(jì)算、數(shù)學(xué)推導(dǎo)也極為繁瑣，再加上課堂教學(xué)一直沿襲傳統(tǒng)的口授筆演、解析推導(dǎo)的教學(xué)方式，使得對抽象圖景的理解成為電子信息學(xué)習(xí)的“瓶頸”，令學(xué)生對信號類課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理.形象生動的教學(xué)對完善和拓展學(xué)生的電子專業(yè)知識、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)思維水平和創(chuàng)新能力至關(guān)重要.Maple是目前最好的符號計(jì)算語言，并且簡單易學(xué).它具有強(qiáng)大的繪圖功能，包括一維、二維、三維圖像的繪制，動畫制作和各種實(shí)用的繪圖程序包等［8－10］.把Maple的圖形可視化功能引入電子信息的課堂教學(xué)既可以強(qiáng)化課程的教學(xué)效果，使信息類、信號類教學(xué)變的直觀、簡便，促進(jìn)學(xué)生對抽象知識的理解與掌握，又可以使學(xué)生在思維方法、實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)計(jì)算上受到初步而系統(tǒng)的訓(xùn)練，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、人文素質(zhì)和創(chuàng)新意識，既為他們打下一個(gè)深厚的基礎(chǔ)，又為今后參加科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用奠定了扎實(shí)的平臺.

基于以上認(rèn)識，自2006年起，我們將電子信息類課程分為必修課和選修課兩部分，主要圍繞以下兩個(gè)中心，對課程群進(jìn)行了全方位的改革和建設(shè):

(1)修訂課程大綱，加強(qiáng)以掌握基礎(chǔ)知識、專業(yè)必修的電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程建設(shè).在教學(xué)實(shí)踐中，立足構(gòu)建一個(gè)適合電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，既有現(xiàn)代氣息又有利于學(xué)生知識獲取和技能培養(yǎng)的課程模式，以課程現(xiàn)代化為目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、方法、模式、手段和教材的綜合配套改革與建設(shè).

(2)以Maple虛擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，立足于理論知識傳輸、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，改革傳統(tǒng)的教學(xué)體系，拓展知識內(nèi)涵，豐富理論課程體系.

2 成果的創(chuàng)新點(diǎn)

(1)克服了長期以來理論課的一大弊癥——教學(xué)可視化的困難.該成果使理論課的教學(xué)變的直觀、生動、易于理解，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，大大加強(qiáng)了教學(xué)效果.與其它類似課題相比，不局限于對某一門理論課程的討論.

(2)增加了課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，擺脫了以往理論課程沒有實(shí)踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀.虛擬實(shí)驗(yàn)使?jié)M目復(fù)雜符號和抽象概念的理論課程變的看得見、“摸”得著，加深了學(xué)生對課程重要性的認(rèn)識，培養(yǎng)了他們的科學(xué)素養(yǎng).

(3)選擇科學(xué)計(jì)算軟件Maple為平臺，獨(dú)創(chuàng)性明顯.在現(xiàn)有的探討中使用Maple軟件作平臺的較少.一般選擇的是Matlab軟件，但實(shí)踐證明，Maple在工程物理的教學(xué)中比較實(shí)用.就電子信息類而言，Maple更勝一籌.其特點(diǎn)在于上手容易、編程簡單、程序占空間少、對硬件要求低等.

3 具體成果簡介

近年來，教育界普遍認(rèn)為，為了激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，適應(yīng)科技發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，必須進(jìn)行課程現(xiàn)代化改革.根據(jù)這一發(fā)展趨勢，我們的課程現(xiàn)代化改革和建設(shè)主要定位在:與本科教學(xué)相適應(yīng)的基本知識和方法，反映專業(yè)前沿，具有電子信息的特色.

3.1 利用Maple實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容的可視化

利用Maple軟件，我們對模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)和自動控制原理等課程中的一些教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)(如三維圖形的繪制、數(shù)理方程的求解)進(jìn)行了可視化處理，并初步建立了基于Maple軟件的課程群可視化資源庫.

在教學(xué)過程中，一直致力于實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化.目前電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制原理、單片機(jī)原理與應(yīng)用、信號與系統(tǒng)等課程擁有自己開發(fā)的電子教案，構(gòu)建了多媒體和傳統(tǒng)板書相結(jié)合的教學(xué)模式.近年來，我們獲得電子技術(shù)與創(chuàng)新系列省級精品課程(http://210.44.195.12/ jp/xjkcsb002/)、模擬電子技術(shù)省級精品課程(http://210.44.195.12/wulixi1/)、數(shù)字電子技術(shù)省級精品課程(http://210.44.195.12/szdljcl/)、單片機(jī)省級精品課程(http://210.44.195.12/jp/sang1108/)、自動控制原理省級精品課程(http://210.44.195.12/jp/zkyl/)，并在網(wǎng)絡(luò)課程中開設(shè)了“大學(xué)物理”專欄，用于展示部分可視化結(jié)果，形成了及時(shí)完善和更新教學(xué)信息的互動教學(xué)平臺，對于課堂教學(xué)質(zhì)量的提高起到了良好的促進(jìn)作用.目前，我們的課堂教學(xué)以板書教授為主線，配合CAI課件和Maple可視化資源，采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式、探究式等教學(xué)方法，力求達(dá)到最佳的教學(xué)效果.

3.2 建立基于Maple的虛擬實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)新體系

實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)和掌握基本理論和方法的重要手段，可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基本原理、基本方法的能力.鑒于理論知識的抽象性以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源的匱乏，我們于2007年建立了基于Maple的電子信息類虛擬實(shí)驗(yàn)室.

虛擬實(shí)驗(yàn)室的工作進(jìn)展情況包括:(1)采用計(jì)算軟件Maple制作虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在機(jī)器上進(jìn)行模擬觀察，幫助理解理論概念，驗(yàn)證理論結(jié)果.(2)將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)用計(jì)算軟件Maple制作成虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生先通過校園網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的原理和操作，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所預(yù)知和分析，然后再到相關(guān)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作，這樣既調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，又提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，還有利于實(shí)驗(yàn)室的真正開放和資源共享.(3)依托虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過設(shè)立課題性和開放性實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生進(jìn)行基本的科學(xué)研究方法和實(shí)踐訓(xùn)練.在課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，通過各種電腦軟件制作的課件，各具個(gè)性，精彩紛呈，表現(xiàn)出真正體驗(yàn)了學(xué)習(xí)樂趣.

3.3 基于Maple的課程群的建設(shè)，建設(shè)電子信息類特色專業(yè)

結(jié)合電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的修訂，我們將課程設(shè)置為必修課和選修課兩個(gè)模塊，必修課包括:電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)通信原理等，選修課包括傳感器原理、EDA、電路板設(shè)計(jì)、科技論文寫作等.各門課程充分利用Maple可視化資源，并進(jìn)行繼續(xù)開發(fā).

根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，利用Maple軟件，申報(bào)校級特色專業(yè)并獲得成功，學(xué)生的創(chuàng)新精神得到了大力的提升，獲得各類國家級、省級獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)50多人，大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目20多項(xiàng)，其中09級學(xué)生獲得國家級使用新型和發(fā)明專利各一項(xiàng).

［1］彭芳麟，管靖，胡靜，盧圣志.理論力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］李銀山.Maple理論力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］彭芳麟.數(shù)學(xué)物理方程的MATLAB解法與可視化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］郭冰瑩，吳敏健.用Maple計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)實(shí)行電動力學(xué)教學(xué)改革的一個(gè)嘗試［J］.大學(xué)物理，1999(3):30－33.

［5］邵斌，賀黎明.基于MATLAB平臺的量子力學(xué)三維圖形設(shè)計(jì)及動畫生成工具［J］.大學(xué)物理，2005(11):55－58.

［6］歐海峰，琚新剛.密立根油滴條件的Mathematica圖示［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2004(4):66－69.

［7］鄧立新.MATHCAD在機(jī)械振動教學(xué)中的兩個(gè)示例［J］.物理通報(bào)，1999(6):26－28.

［8］馬春庭.掌握和精通Maple［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［9］洪偉，等.Maple6實(shí)用教程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［10］劉來福，何青，彭芳麟.用Maple和MATLAB解決科學(xué)計(jì)算問題(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，1999.