電類課程“數(shù)字仿真”教學方式探究

摘要：針對電類課程教學特點和獨立學院學生學習特點，在獨立學院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)中開展電類課程教學方法改革和教學效果優(yōu)化的研究，提出將數(shù)字仿真應用到電類課程教學整體中來，并對仿真在電類課程整體教學中的實現(xiàn)及應用方式進行了探討。

關鍵詞：獨立學院；電類課程；數(shù)字仿真；教學方式

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0017-02

目前，許多獨立學院都開設電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)。以山東省為例，截止到2013年底，共有獨立學院12所，其中開設有電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)的學校5所。電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學生主要學習“電路”“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”“電機及拖動基礎”等電類課程。電類課程理論性強，知識點抽象，課程難度系數(shù)普遍較高；而與其他重點院校學生相比，獨立學院多數(shù)學生入學成績較低，學習基礎較為薄弱。[1]電類課程本身的特點和獨立學院學生這一群體的特點制約了獨立學院電類課程教學水平與效果的進一步提升，原有的電類課程教學方式已不能滿足獨立學院培養(yǎng)“高級應用型專門人才”目標的要求。

在電力系統(tǒng)中，數(shù)字仿真是指對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡和負載元件建立數(shù)學模型，用數(shù)學模型在數(shù)字計算機上進行實驗和研究的過程。[2]近幾年學者們對數(shù)字仿真應用于電氣類專業(yè)課程教學的基本途徑進行了研究，并提出其在某些具體課程中應用的方法，但尚缺少對數(shù)字仿真在電類課程整體教學中的應用及實現(xiàn)方法的研究。

一、獨立學院電類課程教學中的問題及引入數(shù)字仿真的作用

1.存在的問題

電類課程包括理論和實踐環(huán)節(jié)兩種形式。電類課程理論教學環(huán)節(jié)中，存在著課程知識抽象、工作原理推導繁瑣和公式羅列復雜的問題。傳統(tǒng)的理論教學多是通過黑板或多媒體課件并輔以仿真圖片進行講解，這種生硬且缺乏直觀性的教學方式不利于教師的“教清”和學生的“學會”，還降低了很多學生學習的興趣。因為興趣不高，學生學習效率偏低，教師課程進展較慢，經(jīng)常出現(xiàn)講課學時已用完，但還未完成教學大綱要求的現(xiàn)象，制約了電類課程教學水平與效果的進一步提升。電類課程實踐教學包括課程實驗、專業(yè)實習實訓等環(huán)節(jié)，實踐環(huán)節(jié)中存在著眾多實驗無法完成或實驗效果不理想的問題。電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟重要的組成部分，電能傳輸過程的整體性和特殊性決定了電力系統(tǒng)不能輕易進行現(xiàn)場實驗?？紤]到電力系統(tǒng)運行的安全，有些破壞性實驗如設置短路點等也不允許進行。另外，由于多數(shù)獨立學院成立時間較短，配置的實驗設施還不夠完善。因此，很多獨立學院電類課程實踐環(huán)節(jié)完成的主要途徑是用一些低壓器件模擬高壓器件，或用教學模型配以解說完成實驗，存在著實驗結果與實際現(xiàn)象不一致的缺陷。實踐環(huán)節(jié)跟不上理論教學步伐，進一步影響了電類課程的教學效果，同時使學生在思維創(chuàng)新上受到限制。

2.數(shù)字仿真在獨立學院電類課程教學中的作用

（1）解決理論教學中重要知識點難講難學、教學效率低的問題。電類課程理論教學中涉及大量的公式推導和電氣量波形分析，無論板書還是課件都無法靈活地表達運算過程，學生難以有效掌握課程中的難點重點。數(shù)字仿真通常以功能齊全的仿真軟件作為實現(xiàn)手段。仿真軟件中設置了各種類型的虛擬元器件，實驗裝置或電路則是運用虛擬元器件的組合搭建完成的。這種類似于搭積木的方式能夠引起學生較大的學習興趣，提高學生學習的積極性，甚至吸引學生自己動手設置實驗參數(shù)完成模型構建。對于重要的知識點，以公式推導輔以仿真模型及仿真結果演示遠比簡單的推導求證直觀生動，有利于幫助學生突破理論課程知識難點、加深記憶。

（2）解決實踐教學環(huán)節(jié)中部分實驗無法實現(xiàn)或實驗效果不理想的問題。電類課程對實驗條件要求較高，實驗過程中設備調試不良或某些參數(shù)設置不準都有可能導致實驗無法完成。仿真最大的優(yōu)點在于其高度的靈活性和實驗過程的可控性。將仿真應用到電類課程實踐教學環(huán)節(jié)中可以完成無法在實際設備上完成的或在實際設備上得不到滿意效果的實驗，還可避免設備燒壞及實驗者觸電等現(xiàn)象，杜絕實驗室安全事故的發(fā)生；另外，將仿真模型應用到教學中還可以彌補某些實驗設備短缺的問題，在較低投入下達到教學目標。

（3）培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和科研能力。培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新意識和科研能力是高等教育培養(yǎng)目標的一項重要內(nèi)容，創(chuàng)新意識和科研能力培養(yǎng)的重要途徑是引導學生“積極參與”。大學生是電腦應用較多的一個群體，和傳統(tǒng)教學相比較，仿真這種手段本身對學生有著較大的吸引力。教師運用仿真的方式解決電類課程教學中的難點重點，有益于激發(fā)學生探究問題的興趣，促使學生自覺地參與仿真并建立起利用仿真處理問題的意識。

二、數(shù)字仿真在獨立學院電類課程教學中的應用探討

1.整體處理電類課程重點難點，解決課程教學中聯(lián)系薄弱問題

電氣工程及其自動化專業(yè)學生在整個大學階段所要學習的電類課程包括十多門理論課程以及包括課程實驗在內(nèi)的眾多實踐項目。電類課程很多知識點在不同課程之間的交叉性和聯(lián)系性較為緊密，有些知識點在不同課程中重復出現(xiàn)的現(xiàn)象也較為普遍。目前，高校教師的課堂多是基于教師本身所任課程的目標設定的，不同課程任課教師之間往往缺乏必要的溝通。課堂教學中教師重視的是自己所任的“這門課”，學生在課堂上學的也是此刻教師所教的“這門課”，與“這門課”相關的課程經(jīng)常被置于相對“絕緣”的狀態(tài)，從而弱化了課程之間的重要聯(lián)系和學生知識掌握的系統(tǒng)性。電類課程中的重要知識點量多面廣 ，若將整個電類課程視作為一個“面”的話，電類課程中的每一門課程就是面上的一個“點”。在整個“面”上對“點”進行分析才能發(fā)現(xiàn)“點”與“點”之間的聯(lián)系。對電類課程重點難點進行建模時，應根據(jù)教學目標要求和教學內(nèi)容難易程度，將所有電類課程視為一個整體，在整體內(nèi)歸納難點重點并構建仿真模型對其進行逼近。從完成整個專業(yè)課程教學目標的角度看，將對象整體化處理有利于發(fā)現(xiàn)不同課程之間知識點的共性或聯(lián)系，為某些知識點之間的通用搭建橋梁。

2.設計有效模式，實現(xiàn)“教清”與“學會”的最佳結合

仿真模型成功建立的關鍵是模型結構的設計和元件參數(shù)的設定。其中參數(shù)設定可運用兩種方法，一是文獻檢索法，即從一些有影響力的文獻上查閱參數(shù)，將其調整后應用于元件。二是現(xiàn)場調查法，對于如發(fā)電機等復雜模型可根據(jù)電力公司、電力用戶等單位的實際運行數(shù)據(jù)進行設定并對其正確性進行驗證。仿真模型搭建完后是以零散的形式存在于文件夾中的，不利于教學內(nèi)容的有效設計。具體應用時，應為零散的仿真模型構建一個統(tǒng)一的“收納箱”，將所有模型置于“收納箱”中，形成電類課程綜合仿真教學平臺。仿真教學平臺可按照課程內(nèi)容相關或相似的原則對模型進行分組，如可將其分成電路類、電機類和電力系統(tǒng)分析類三個子系統(tǒng)。仿真平臺中設置三個子系統(tǒng)間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，并在子系統(tǒng)內(nèi)部設置每一個具體模型與其他相關模型間的鏈接，構成一個個的子鏈接環(huán)。在鏈接環(huán)中標明其中任何一個模型的課程出處并設置其在不同課程中的側重度。

3.合理設計教學方案，優(yōu)化教學過程

仿真應用于課堂理論教學時，適用的方案有三種：一是先進行理論講解或公式推導，之后輔以仿真加深學生對理論或公式的理解；二是先仿真演示，激發(fā)學生探究問題的熱情，后再引入理論分析；三是對一些只側重結果而不側重中間過程的知識點，采取放棄全部或部分推導而僅用仿真手段進行講解的方式。

實踐環(huán)節(jié)中，仿真的應用主要是針對兩種情況展開：一是因實驗設備缺乏或設備功能不完備導致的無法進行的實驗，或是即使能完成實驗過程但效果不理想的實驗；二是實驗過程中容易發(fā)生觸電，對實驗者人身安全較大威脅的實驗。進行實踐環(huán)節(jié)教學時，主要方案是以仿真模型為主體，以實驗設備為輔助。學生在實驗過程中先在仿真平臺上對所要進行的實驗進行模型結構分析和參數(shù)設定，了解實驗的內(nèi)涵，之后通過運行仿真觀察實驗現(xiàn)象。

4.抓住學生心理，激發(fā)學生思維

目前，90后大學生已成為大學教學中的主要對象，這批學生中的大部分學生在中小學階段就已經(jīng)通過學校開設的信息技術類課程或者家用電腦等途徑對計算機有較多的接觸，不少學生對計算機有著濃厚的興趣。在獨立學院電類課程教學中，應該積極利用學生的這一優(yōu)勢，抓住學生心理，引導學生運用已掌握的計算機知識去把握仿真建模的思想。在具體做法上，教師可以在課程設計或者創(chuàng)新設計等實踐環(huán)節(jié)中開設講座引導學生掌握建模思想和方法，鼓勵學生針對重點難點自主構建仿真模型并進行模型正確性驗證。每一個創(chuàng)建出的仿真模型均由教師和學生共同評議，優(yōu)秀的模型可置于綜合仿真教學平臺中。這種方法能引導學生更加有效地掌握知識內(nèi)涵，激發(fā)學生創(chuàng)新性思維并培養(yǎng)學生科研意識。

三、結論

合理的教學方式是優(yōu)化教學效果、提高人才培養(yǎng)質量的重要手段。從教師角度看，應用仿真技術可以減少課堂上對教學難點講解的重復次數(shù)，擴大課堂知識容量；從學生角度看，利用仿真技術進行學習，提高了學習效率，加深了對知識點的理解程度，并有利于樹立運用仿真手段來分析專業(yè)問題和工程實際問題的意識。

參考文獻：

[1]張坤，李彤.獨立學院學生學習效果分析機制與方式[J].沈陽大學學報（社會科學版），2013，（4）.

[2]黃家裕.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真[M].北京：中國電力出版，1998.

（責任編輯：王意琴）