計(jì)算機(jī)仿真的“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

張士軍，曾志峰

(云南警官學(xué)院 信息網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，昆明 650223)

當(dāng)前高校電子類硬件課程按照學(xué)習(xí)的進(jìn)度先后主要包括《電路分析基礎(chǔ)》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《計(jì)算機(jī)組成原理》和《單片機(jī)原理及應(yīng)用》等。由于這些課程的理論學(xué)習(xí)較為枯燥的，因此學(xué)生學(xué)習(xí)起來也比較吃力。這些課程都是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，所以這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生來說顯得尤為重要。而這些課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法是理論學(xué)習(xí)加上驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)課，即所謂的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［1－3］。由于這種模式極大地限制了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，如何通過一個(gè)更好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶寣W(xué)生理解理論，如何通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)造力?這是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的弊端

傳統(tǒng)的“一段式”教學(xué)模式即實(shí)驗(yàn)教師課前準(zhǔn)備好相應(yīng)的儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)中告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅⒃敿?xì)介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用方法，甚至許多教師還會演示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。接下來就是學(xué)生按照老師的要求完成實(shí)驗(yàn)。這種模式下的學(xué)生通常會出現(xiàn)以下兩種情況:第一種情況就是對那些理論基礎(chǔ)好、動手能力強(qiáng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程會進(jìn)行得很順利;第二種情況就是對那些理論模糊的學(xué)生就只能機(jī)械地模仿實(shí)驗(yàn)至于結(jié)果是否正確學(xué)生也是模糊的。第二種情況在學(xué)生中通常占很大的比例，所以這種模式對鍛煉學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是非常有限的。

1.1 “一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于理論驗(yàn)證

受我國傳統(tǒng)教學(xué)理念的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然還只能停留在理論教學(xué)的階段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅是作為驗(yàn)證理論教學(xué)的一種延伸。比如，現(xiàn)在很多院校的電路分析實(shí)驗(yàn)里邊都有的“基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”［4－5］，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的“3 －8 譯碼器實(shí)驗(yàn)”［6］，還有計(jì)算機(jī)組成原理里邊的“運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)”［7］。這些實(shí)驗(yàn)都是典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要按部就班地將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的電路連接好，在給定一些初始條件的情況下觀察結(jié)果是否符合該理論。如果符合則該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)然后填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，至此整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)宣告結(jié)束。顯而易見，對于這些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根本沒有機(jī)會來完成一些綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也根本無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.2 “一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的改革

由于現(xiàn)在一些綜合類高校對電子類專業(yè)的重視不夠，這也就造成了這類院校的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件明顯落后，主要集中體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

1)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后。許多高校電子類實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接、插槽實(shí)驗(yàn)桌以及實(shí)驗(yàn)箱。這些傳統(tǒng)的設(shè)備存在的主要問題是易損壞、難維護(hù)以及穩(wěn)定性和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效果。

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足。這是我國高等教育擴(kuò)招之后所面臨的最大問題。通常我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能保證一人一臺，這也就造成了幾個(gè)學(xué)生甚至一群學(xué)生使用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，直接影響了實(shí)驗(yàn)效果。

3)不具備專門的實(shí)驗(yàn)教師。學(xué)生多了老師少了，專業(yè)的老師就更少了，許多老師既要給學(xué)生上理論課又要帶學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。直接的后果就是老師根本沒有那么多精力花在實(shí)驗(yàn)上，導(dǎo)致有些科目的實(shí)驗(yàn)只做寥寥的幾個(gè)甚至干脆不做。即使做了效果也是很不理想。

4)缺乏完善的實(shí)驗(yàn)規(guī)章制度。有些高校僅有不完善、落后的規(guī)章制度，直接影響了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

1.3 “一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)方法基本上都是采用單一的“先學(xué)理論，再到實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證”的方式。這種單一的方法已經(jīng)明顯落后于高科技的時(shí)代。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，許多實(shí)驗(yàn)并不是只能在實(shí)驗(yàn)室里才能完成的。

1.4 “一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維的發(fā)展

傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式最大的問題在于它限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維的發(fā)展，限制的因素主要來源于以下3個(gè)方面:

1)實(shí)驗(yàn)題目固定。目前高校電子類課程實(shí)驗(yàn)基本上都是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的要求來完成。盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)備有所區(qū)別，但其內(nèi)容仍相差無幾，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)效果類似。這也就形成了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的一種固定模式，學(xué)生難以發(fā)揮其主動性，缺乏一定的想象空間，久而久之也就導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)失去興趣。

2)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)固定。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)就只能去實(shí)驗(yàn)室，無論簡單的實(shí)驗(yàn)還是復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)一定要在在實(shí)驗(yàn)室里完成。這種有限的實(shí)驗(yàn)空間制約了學(xué)生積極性和主動性的發(fā)揮，也就難以促進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的緊密結(jié)合。

3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間固定。傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式時(shí)間是固定的，學(xué)生只能按照教學(xué)計(jì)劃的安排，在固定的時(shí)間內(nèi)按照老師的要求在實(shí)驗(yàn)室完成電路的連接和調(diào)試。但是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程也許會出現(xiàn)一些人為因素或者設(shè)備因素而造成實(shí)驗(yàn)無法在給定的時(shí)間內(nèi)完成。如果實(shí)驗(yàn)教師不能提供給學(xué)生充足的時(shí)間來完成實(shí)驗(yàn)，這也會大大影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣［8］。

2 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

由于筆者多年從事電子類硬件課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出了一種改進(jìn)模式即“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕ㄟ^3個(gè)不同階段的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)生的創(chuàng)造性。3個(gè)階段分別為:基礎(chǔ)理論到仿真模型的探索階段、仿真模型到實(shí)際電路的磨合階段、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的升華階段。

2.1 基礎(chǔ)理論到仿真模型的探索階段

這是“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式第一個(gè)階段，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍W(xué)生理論學(xué)完就直接走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，而“三段式”中的探索階段是學(xué)生學(xué)完理論知識后要給出學(xué)生一定的時(shí)間對理論進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模仿真。當(dāng)然這種建模是基于現(xiàn)在的電子設(shè)計(jì)的EDA(electronics design automation)技術(shù)［9－11］。EDA 技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，它能夠進(jìn)行電子電路的自動設(shè)計(jì)。目前，比較常用的 EDA工具有 PSPICE、Protel、MultiSim、MatLab以及Quartus等。這些工具都有較強(qiáng)的電子電路仿真功能，這些工具可對簡單的電路分析以及復(fù)雜的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。因此，這個(gè)階段要求學(xué)生在理解課本基礎(chǔ)理論的同時(shí)，能夠使用各種EDA工具對電路的理論模型進(jìn)行建模仿真［8，12－13］。只有學(xué)生通過這些工具真正搭建起起仿真模型，才能夠通過模型與理論的對比來加深對理論的理解。

通過這一階段的探索，目的是培養(yǎng)學(xué)生能夠通過自動化的工具把純粹的理論和實(shí)際的電路建立一個(gè)從抽象到現(xiàn)實(shí)的橋梁。同時(shí)這個(gè)階段也是現(xiàn)代電子工業(yè)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)階段，能夠?yàn)閷W(xué)生未來的實(shí)踐道路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 仿真模型到實(shí)際電路的磨合階段

這個(gè)階段是“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的第二個(gè)階段，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的磨合階段，在第一階段學(xué)生已經(jīng)將自己的電路仿真模型搭建起來，并通過模型對理論有了深入的了解。接下來就要像傳統(tǒng)模式一樣將學(xué)生帶到實(shí)驗(yàn)室接觸實(shí)際的電路，傳統(tǒng)模式是將課本上的理論和實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行對比，而“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式則要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室搭建電路除了要和基礎(chǔ)理論進(jìn)行比較以外還要和之前通過EDA工具搭建的仿真模型進(jìn)行比較。

通過這一階段的磨合，要求學(xué)生能夠進(jìn)一步理解理論，同時(shí)還可以應(yīng)用搭建的仿真模型的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)對實(shí)際電路進(jìn)行修正。這樣既能夠讓實(shí)際搭建的電路盡可能地減少實(shí)驗(yàn)誤差和實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，也能夠真正地提升學(xué)生的動手能力以及分析問題和解決問題的能力。

2.3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的升華階段

這個(gè)階段是“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的最后一個(gè)階段，也是提升學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維的最重要的階段。在這個(gè)階段學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的主觀能動性和創(chuàng)造性來完成一些理論模型的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，甚至可以搭建一些自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行，也可以利用課余時(shí)間進(jìn)行。同時(shí)實(shí)驗(yàn)教師還要給學(xué)生提供專門的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室以及各種必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。對于一些能力強(qiáng)的學(xué)生還要盡可能地給他們提供表現(xiàn)的機(jī)會，鼓勵(lì)他們參加各種競賽和各種實(shí)習(xí)鍛煉。對學(xué)校來說，在條件允許的情況下還要提供專門的組織機(jī)構(gòu)監(jiān)管這些創(chuàng)新策劃，還可以把學(xué)生的創(chuàng)新成果作為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃的一部分，盡可能在資金和教師指導(dǎo)上給予一定的支持。

通過升華階段的鍛煉，學(xué)生能夠在動手能力和創(chuàng)新能力上得到很大幅度的提升，這也是培養(yǎng)實(shí)踐型人才和創(chuàng)新性人才最關(guān)鍵的一步。

3 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式的優(yōu)勢

基于上述傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的弊端以及“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式的改進(jìn)，不難看出“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式無法比擬的許多優(yōu)勢。

3.1 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)更傾向于理論和實(shí)踐的結(jié)合

由于“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式相比傳統(tǒng)模式加入了仿真實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這樣使原本非常機(jī)械的實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成了學(xué)生的興趣天堂，也將理論教學(xué)和實(shí)踐密切地聯(lián)系在一起，從而大大地提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

3.2 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的靈活性

“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式?jīng)]有用限定的時(shí)間將學(xué)生牢牢的限制在實(shí)驗(yàn)室完成某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是給學(xué)生提供多種實(shí)驗(yàn)空間以及豐富多樣的實(shí)踐機(jī)會，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，為學(xué)生營造了一個(gè)自由的創(chuàng)新環(huán)境。

3.3 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有豐富多樣的教學(xué)方法

“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式加入了EDA仿真實(shí)驗(yàn)，所以許多實(shí)驗(yàn)都是先通過計(jì)算機(jī)仿真來實(shí)現(xiàn)的。這些實(shí)驗(yàn)既可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，也可以在具備計(jì)算機(jī)的任何場所進(jìn)行。除此之外，在組織學(xué)生參加各種創(chuàng)新活動以及各種競賽的過程中，還可以為學(xué)生安排專門的指導(dǎo)教師進(jìn)行指導(dǎo)。這些靈活的教學(xué)手段都是“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式所沒有的。

3.4 “三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更容易激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

近些年在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對該模式的使用，學(xué)生能夠投入大量的時(shí)間和精力開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)活動，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分挖掘了學(xué)生的創(chuàng)新潛能。同時(shí)這種模式也取得了一定的成效，期間有大批的學(xué)生參加了國家級以及省、部級的各種電子創(chuàng)新競賽，并取得了優(yōu)異的成績。還有一些學(xué)生由于具有很強(qiáng)的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，畢業(yè)后早早地被一些知名的IT和電子類企業(yè)錄用。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今高校電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，更無法培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的人才。而“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)的“一段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的呆板教學(xué)，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)今電子技術(shù)的迅速發(fā)展，能夠有效地提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，更重要的是該模型能夠提高當(dāng)今高校電子類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，能夠?qū)F(xiàn)代的大學(xué)生培養(yǎng)成素質(zhì)和能力兼?zhèn)涞娜嫘腿瞬拧?/p>

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