王革思
(哈爾濱工程大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,黑龍江 哈爾濱 150001)
電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研究
王革思
(哈爾濱工程大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,黑龍江 哈爾濱 150001)
分析了目前電子電路課程建設(shè)存在的問(wèn)題,基于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng),構(gòu)建一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。精心設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,按照從基礎(chǔ)到創(chuàng)新的逐級(jí)發(fā)展,設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了6種具有虛實(shí)結(jié)合特征的電子電路實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)。實(shí)踐表明,這些做法可顯著提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力,并促進(jìn)了教師教學(xué)水平與科研能力的提升。
電子電路;實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式;實(shí)驗(yàn)資源庫(kù);虛擬仿真
哈爾濱工程大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心承擔(dān)的“模擬電子技術(shù)”與“數(shù)字電子技術(shù)”兩門(mén)課程均為省級(jí)精品課程,面向電子信息工程、通信工程、電氣工程及自動(dòng)化等12個(gè)電類專業(yè)開(kāi)設(shè),每年有30余個(gè)班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù),本科必修學(xué)生達(dá)1 000余人。近幾年,中心以《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》為指導(dǎo),將實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[1]作為電子電路精品課程可持續(xù)發(fā)展方向,提出新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,全面推進(jìn)教育信息化與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了多種類型的電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,使現(xiàn)有的精品課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加完善、系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)方法及手段更加合理、科學(xué)、先進(jìn)。
精品課程是具有一流教師隊(duì)伍、一流教學(xué)內(nèi)容、一流教學(xué)方法、一流教材、一流教學(xué)管理等特點(diǎn)的示范性課程[2]。它的宗旨是實(shí)現(xiàn)高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)水平的全面提高,培養(yǎng)滿足國(guó)家和地方發(fā)展需要的高素質(zhì)人才。在教育部高等教育司《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》中指出:“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容”[3]。目前國(guó)內(nèi)高校在電子電路精品課程建設(shè)中存在以下問(wèn)題。
(1) 重申報(bào),輕建設(shè)。申報(bào)精品課程時(shí)非常愿意投入人力、物力和財(cái)力,一旦申報(bào)成功則后續(xù)建設(shè)動(dòng)力大減,很少或不再投入精力進(jìn)行精品課程的維護(hù)及資源更新。
(2) 重理論,輕實(shí)踐。雖然教學(xué)資源的數(shù)量和種類眾多,但大多體現(xiàn)“以教師為中心、以理論學(xué)習(xí)為重點(diǎn)”的教學(xué)思想;而“以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為重點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源卻相對(duì)匱乏,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)交流和共享。這反映出實(shí)驗(yàn)教學(xué)在精品課程建設(shè)中地位和作用被低估,教師參與的積極性不高,從而造成理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的不匹配和失衡。
(3) 重傳統(tǒng),輕個(gè)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的展示和呈現(xiàn)仍以傳授知識(shí)為主,看重實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽視學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、個(gè)體特點(diǎn)及適應(yīng)性,很少能引發(fā)他們對(duì)實(shí)驗(yàn)本身更深層的思考,使學(xué)用脫節(jié)。此外,實(shí)驗(yàn)題目少、內(nèi)容簡(jiǎn)單、層次不清、工程性不強(qiáng),缺乏探究式、協(xié)作式自主學(xué)習(xí),不但會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高,對(duì)實(shí)驗(yàn)教師理論水平的提高也極為不利。
(4) 重實(shí)物,輕仿真。仍以實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主,體現(xiàn)培養(yǎng)動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力的教學(xué)思想。實(shí)物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量和類型相對(duì)較多,儀器、設(shè)備、材料及實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)等資金投入也較大。相比之下,具有培養(yǎng)“綜合能力和研究創(chuàng)新能力”優(yōu)勢(shì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)卻沒(méi)有得到足夠的重視,其數(shù)量和類型不僅很少,而且在軟件、實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)及網(wǎng)站建設(shè)等方面投入資金也較少。
電子電路課程涉及的電子信息技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域。電子信息技術(shù)的應(yīng)用性、工程性很強(qiáng),技術(shù)更新、發(fā)展很快,容易形成教學(xué)滯后于技術(shù)進(jìn)步的局面。因此,我們提出電子電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路:
(1) 對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行補(bǔ)充和完善,以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為重點(diǎn),建立一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用;
(2) 引入先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)計(jì)理念和教育信息化手段,開(kāi)展創(chuàng)新教育,致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新理念、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力;
(3) 重視基礎(chǔ)理論技術(shù)的創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,將科研、工程實(shí)踐、電子大賽及創(chuàng)新活動(dòng)的成果精心提煉成教學(xué)內(nèi)容,遵循“提出問(wèn)題→電路設(shè)計(jì)→計(jì)算機(jī)仿真→硬件安裝調(diào)試”的教學(xué)過(guò)程[4],開(kāi)發(fā)具有虛-實(shí)結(jié)合特征的多種類型電子電路實(shí)驗(yàn)資源,使實(shí)驗(yàn)不再受內(nèi)容、時(shí)間和空間的限制,實(shí)現(xiàn)資源共享。
我們采用了“1+2+3+4”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,其含義是:
1個(gè)中心——在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和研究創(chuàng)新能力為中心;
2個(gè)途徑——學(xué)生獲取知識(shí)的途徑,即除了教師外,還可通過(guò)探究式、協(xié)作式的學(xué)習(xí)自主獲取知識(shí);
3個(gè)層次——將學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)分解為基本技能、理論知識(shí)應(yīng)用能力和研究創(chuàng)新能力;
4個(gè)轉(zhuǎn)變——理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化的轉(zhuǎn)變,從規(guī)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容向自主選擇的轉(zhuǎn)變,從單一教學(xué)模式向多元化、立體化、數(shù)字化教學(xué)模式轉(zhuǎn)變,從硬件為主向虛-實(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)變。
3.1 多渠道獲取教學(xué)資源
電子電路課程內(nèi)容豐富、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,其涵蓋的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要適合多個(gè)電類專業(yè)。我們主要通過(guò)4種途徑來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源:一是按照虛-實(shí)結(jié)合的原則對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行整合、創(chuàng)新;二是將教師在教學(xué)、科研中遇到的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)篩選后應(yīng)用在教學(xué)中;三是精簡(jiǎn)、提煉企業(yè)、科研單位的產(chǎn)品或項(xiàng)目,這些產(chǎn)品或項(xiàng)目具有應(yīng)用性、技術(shù)性和系統(tǒng)性特征,經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)、提煉和二次加工后用于教學(xué);四是鼓勵(lì)學(xué)生參加課外學(xué)習(xí)或各類科技創(chuàng)新活動(dòng)并完成作品,將這些作品篩選、改進(jìn)后作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。
3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則
電子電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富,涉及專業(yè)多,實(shí)踐性和工程性強(qiáng)。針對(duì)這些特點(diǎn),我們提出以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則。
(1) 結(jié)合專業(yè),具有典型性。我校電類專業(yè)較多,包括電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化等12個(gè)專業(yè),因此,要求實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及能涵蓋這些專業(yè),內(nèi)容要廣、交叉性要強(qiáng),既要符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律,有一定的應(yīng)用價(jià)值,還要真實(shí)且具有典型性。
(2) 難易程度適中,具有層次性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要貼近生活、工程應(yīng)用及科研,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前有欲望,在實(shí)驗(yàn)中有興趣[5]。要讓學(xué)生在基本的實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境下,通過(guò)探究式、協(xié)作式的自主學(xué)習(xí),完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。設(shè)計(jì)低層次項(xiàng)目,主要是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、探索精神、科學(xué)思維和實(shí)踐能力[6],提升學(xué)生的綜合素質(zhì);設(shè)計(jì)高層次項(xiàng)目,以課程的重點(diǎn)知識(shí)及關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn),主要是培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)作風(fēng)和研究創(chuàng)新能力。
(3) 成果明確,具有可呈現(xiàn)性。項(xiàng)目成果要能以具體的形式來(lái)展示,如樣機(jī)、實(shí)驗(yàn)箱等,或?qū)W(xué)生熟悉的一些項(xiàng)目產(chǎn)品的功能呈現(xiàn)出來(lái),容易讓學(xué)生產(chǎn)生成就感。
3.3 創(chuàng)設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境
NI Multisim 10是美國(guó)NI公司推出的以 Windows 為基礎(chǔ)的電子線路仿真軟件。Multisim用軟件的方法虛擬電子與電工元器件,虛擬電子與電工儀器和儀表,實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。
Quartus II是 Altera 公司的綜合性PLD/FPGA開(kāi)發(fā)軟件,支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多種設(shè)計(jì)輸入形式,內(nèi)嵌綜合器以及仿真器,可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。
我們分別利用這兩種EDA工具軟件建立了電子電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,同時(shí)增強(qiáng)各種電路原理的演示、設(shè)計(jì)、波形觀察、功能測(cè)試及故障分析等實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。這樣做既有利于學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn),也有利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)技能、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力,也為其職業(yè)生涯的發(fā)展和終身學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)電子電路精品實(shí)驗(yàn)資源庫(kù),可以源源不斷地增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的數(shù)量和種類,完善虛-實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,開(kāi)闊學(xué)生的眼界和思路,提高學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力[7]。首先,我們將電子電路課程涵蓋的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容按照特點(diǎn)和教學(xué)需要進(jìn)行分類、重組及設(shè)計(jì);然后借助Multisim和Quartus II軟件平臺(tái),采用規(guī)范化、模塊化的設(shè)計(jì)方法,從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)分級(jí)開(kāi)發(fā);最后集合成“模電基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用庫(kù)”等6種實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)中的應(yīng)用電路具有開(kāi)放性、探索性、創(chuàng)新性及共享性[8],各庫(kù)之間起到承上啟下的作用。學(xué)生可以找尋到最適合自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,選擇不同的進(jìn)度、時(shí)間、地點(diǎn),進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)、協(xié)作研究及開(kāi)展科技創(chuàng)新活動(dòng)[9]。
4.1 模電基本技能實(shí)訓(xùn)庫(kù)
基本技能實(shí)訓(xùn)著重培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范的實(shí)驗(yàn)基本技能和思維方式。我們針對(duì)學(xué)生操作儀器生疏、對(duì)儀器原理掌握不好及因條件限制不能強(qiáng)化練習(xí)等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了電壓表、示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等常用儀器操作仿真訓(xùn)練電路。通過(guò)虛擬仿真訓(xùn)練,可使學(xué)生熟練掌握各種儀器使用方法。相比實(shí)物操作,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)可達(dá)到更好的實(shí)訓(xùn)效果。
此外,技能實(shí)訓(xùn)還包括元器件測(cè)試與選型、電路布局與焊接、印刷電路板設(shè)計(jì)與制作[10]、EDA軟件使用等內(nèi)容。目前該庫(kù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出儀器操作和元器件測(cè)試2個(gè)實(shí)驗(yàn)單元、15個(gè)應(yīng)用電路。
4.2 模電基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用庫(kù)
該庫(kù)的內(nèi)容與理論教材匹配,加強(qiáng)設(shè)計(jì)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),使基礎(chǔ)理論與實(shí)踐結(jié)合緊密、靈活運(yùn)用,鞏固基本原理和概念,掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)及方法,提高電路基本設(shè)計(jì)能力。按照工程設(shè)計(jì)原則,我們選用二極管、三極管及模擬集成電路等常用元器件,設(shè)計(jì)了各實(shí)驗(yàn)單元所包含的應(yīng)用電路,全部電路均通過(guò)了仿真驗(yàn)證。該庫(kù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基本放大電路、運(yùn)算電路、信號(hào)產(chǎn)生電路等10個(gè)實(shí)驗(yàn)單元、66個(gè)應(yīng)用電路。
4.3 模電電路分析庫(kù)
對(duì)現(xiàn)代電子工程師的要求不僅僅是設(shè)計(jì)電路,還要能熟練運(yùn)用先進(jìn)的EAD技術(shù)[11]分析電子電路。利用該庫(kù),可以對(duì)電路的元件參數(shù)、工作點(diǎn)、噪聲、失真等進(jìn)行分析[12],讓學(xué)生更好地掌握電路的技術(shù)性能及可靠性,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。此類實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工作符合,可有效提高學(xué)生分析電路的能力,對(duì)提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的水平也大有較大幫助。該庫(kù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了1個(gè)實(shí)驗(yàn)單元,17個(gè)應(yīng)用電路。
4.4 模電綜合創(chuàng)新庫(kù)
模電綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要在完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行。我們安排的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充分考慮到學(xué)生的個(gè)體差異和目標(biāo)層次,將學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及興趣與探究?jī)?nèi)容聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生通過(guò)嘗試解決一些工程、科研方面的問(wèn)題,熟悉掌握科學(xué)研究的基本過(guò)程,提高綜合實(shí)踐能力,增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。該庫(kù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了傳感器、測(cè)量?jī)x器、控制器等8個(gè)實(shí)驗(yàn)單元,26個(gè)應(yīng)用電路。
4.5 數(shù)電基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用庫(kù)
該庫(kù)的內(nèi)容與理論教材相匹配,而實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更多地體現(xiàn)了知識(shí)性、靈活性、趣味性和新穎性,難易程度符合大多數(shù)學(xué)生的知識(shí)水平,并特別注意啟發(fā)式教學(xué)方法的運(yùn)用。按照工程設(shè)計(jì)原則,我們選用中小規(guī)模數(shù)字集成電路及可編程邏輯器件,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)單元所包含的應(yīng)用電路,全部電路均通過(guò)了仿真驗(yàn)證。該庫(kù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生和整形電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路共4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元、30個(gè)應(yīng)用電路。
4.6 數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)庫(kù)
數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)涉及多門(mén)學(xué)科的理論知識(shí),重點(diǎn)培養(yǎng)電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化等12個(gè)電類專業(yè)本科生的創(chuàng)新能力。數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)理論偏深、內(nèi)容抽象、工程性強(qiáng)、難以掌握,單靠學(xué)生自身的能力不易完全理解、掌握和實(shí)現(xiàn)。我們采用的方法是:部分內(nèi)容仍以教師傳授為主,部分內(nèi)容則通過(guò)探究式、研究式教學(xué)以學(xué)生自主設(shè)計(jì)、協(xié)作研究為主,通過(guò)這兩者的有機(jī)結(jié)合來(lái)完成教學(xué)任務(wù)。該庫(kù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了常用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字式控制系統(tǒng)、數(shù)字式電子儀器、接口與數(shù)據(jù)通信共4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元、18個(gè)數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)。
幾年來(lái),我校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心堅(jiān)持實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)方向,以學(xué)生受益最大化為己任,全面推進(jìn)教育信息化與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,促進(jìn)教師的教學(xué)水平與科研能力提升,使我校電子電路精品課程得到可持續(xù)發(fā)展?!?+2+3+4”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式行之有效,符合目前社會(huì)對(duì)本科生人才培養(yǎng)的要求。所開(kāi)發(fā)的電子電路實(shí)驗(yàn)資源已投入教學(xué)中,還上傳到中心的教學(xué)網(wǎng)站上,實(shí)現(xiàn)資源共享。這些優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源內(nèi)容完整、銜接性好、操作性強(qiáng)、可及時(shí)更新,彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)的不足,使學(xué)生在實(shí)踐與創(chuàng)新中獲益。
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Research on construction of teaching resources of Electronic Circuit experiments
Wang Gesi
(Electrotechnics and Electronics Experimental Teaching Center,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)
This article analyses the existing problems in the current construction of Electronic Circuit course. Based on to cultivate students’ ability of practice and innovation,this article puts forward to construct a new experimental teaching mode. The experimental teaching content is elaborately designed and the virtual simulation experiment environment is also set up. Six electronic circuit experimental resource libraries with the character of virtual-actual combination are designed and developed,according to the development from the base to innovation. Practice shows that these practices can not only significantly improve the students’ practical and innovative ability,but also promote the teachers’ teaching level and scientific research ability.
electronic circuit; experimental teaching mode; experimental resource library; virtual simulation
2014- 08- 21
黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2012010115);黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十二五”重點(diǎn)規(guī)劃課題(HGJXHB1110346)
王革思(1960—),男,黑龍江哈爾濱,本科,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)教學(xué).
E-mail:wanggesi@hrbeu.edu.cn
G642.423
A
1002-4956(2015)1- 0167- 04