論電路課程教學(xué)中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏中國民航大學(xué) 天津 300300

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論電路課程教學(xué)中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏
中國民航大學(xué) 天津 300300

摘 要：電路課程是電氣專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，對學(xué)生工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著關(guān)鍵作用。為改善傳統(tǒng)電路課堂教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，拓展實踐教學(xué)內(nèi)容，探討將虛擬實驗引入理論教學(xué)的重要意義。借助虛擬實驗有助于展示教師授課感染力，提高課堂教學(xué)效果。通過進(jìn)一步開展研究型教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生理論分析與工程實踐兩方面能力的同步培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電路理論；教學(xué)改革；虛擬實驗

儀器設(shè)備是高校開展教學(xué)、科研和服務(wù)社會的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接制約著高等教育教學(xué)質(zhì)量和科研水平的提高，做好儀器設(shè)備管理工作，使其在人才培養(yǎng)與科學(xué)研究中發(fā)揮良好效能，是當(dāng)前各高校普遍面臨的共同難題。電路課程作為電氣專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容主體可分為教授線性電阻電路、非線性電阻電路、動態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析方法[1]，從而引出后續(xù)相關(guān)課程如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自控原理等所需的若干基本概念。因此，電路課程在激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生對本專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)等方面具有舉足輕重的作用。

電路課程教授的主要分析方法和其構(gòu)建的經(jīng)典電路源于20世紀(jì)中葉，課程教學(xué)專注于分析理想模型構(gòu)成的電路，使得學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏實際元件到電路模型的建模觀點，僅限于完成列方程求解電路習(xí)題，與實際應(yīng)用分析有較大脫節(jié)。而我國在建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略發(fā)展需求下，對高校人才培養(yǎng)質(zhì)量也提出更高的要求，提倡創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，比如“CDIO”教育模式、“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等[2]。與之對比，現(xiàn)行傳統(tǒng)電路課程教學(xué)現(xiàn)狀是內(nèi)容抽象，電路分析方法與實際電路存在嚴(yán)重脫節(jié)，教學(xué)手段和方法與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)[3]。如何提高電路的課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和自主性，一直是任課教師不斷探索的工作。本文將對分析電路課程特點及教學(xué)中存在的普遍問題，提出在構(gòu)建主義教學(xué)理論指導(dǎo)下將虛擬實驗引入電路教學(xué)的設(shè)想，分析將仿真軟件應(yīng)用引入電路教學(xué)的必要性和可行性。

1 傳統(tǒng)電路教學(xué)的弊端與反思

隨著國家高質(zhì)量人才培養(yǎng)需求的提出，課程教學(xué)的宗旨是：在課堂教學(xué)中重點培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，從根本上激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和實踐能力，滿足未來行業(yè)要求。然而，目前我校電路教學(xué)還存在以下一些問題。

1.1 多理論灌輸 缺乏與實踐結(jié)合

電路課程作為電氣類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，其課程任務(wù)是講授電路的基本理論和分析、求解電路的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題及解決問題的能力，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)，最終為工程應(yīng)用設(shè)計研究服務(wù)。但在電路理論教學(xué)中，解題技巧被過分強(qiáng)化，而利用有效計算分析軟件工具被弱化；電路分析方法模式化，而電路的工程特性介紹淡化。如果教師過多推導(dǎo)復(fù)雜公式，驗算抽象習(xí)題，再加上教材枯燥乏味，初學(xué)者會逐漸喪失學(xué)習(xí)熱情，無法開闊視野、啟迪思維，更談不上應(yīng)用和創(chuàng)新。

由于傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要以教師為中心的單向知識傳播模式，學(xué)生常常是被動接受知識，在課堂上交互性較差。而電路涉及的知識點及例題較多，使得課堂呈現(xiàn)的解題過程較長，注重解題技巧，而忽視實際電路建模分析過程。這種教學(xué)方式未能實現(xiàn)基礎(chǔ)理論知識和實際電路分析操作相結(jié)合，無法激發(fā)學(xué)生利用理論知識展開工程實踐的熱情。

1.2 實驗教學(xué)模式老化

現(xiàn)行電路實驗教學(xué)多由實驗指導(dǎo)中心統(tǒng)一安排，其教學(xué)模式一般由教師事先安排好實驗題目，先講解示范或者學(xué)生按照實驗講義進(jìn)行操作、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)。大多數(shù)的實驗內(nèi)容為驗證性實驗，實驗教材或手冊含有具體實驗步驟，一些模塊化的實驗電路只需按標(biāo)記進(jìn)行連線，缺少實驗的探索性和研究性。這種實驗過程往往使得學(xué)生沒有自己獨立的理解、開發(fā)及創(chuàng)新運用，一定程度上束縛了其主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。而實驗場地、實驗設(shè)備、實驗經(jīng)費及指導(dǎo)教師數(shù)量的短缺，也限制了學(xué)生獨立自主地開展實驗。此外，由于實驗設(shè)置獨立于課堂理論教學(xué)，實驗項目不能很好地配合課堂教學(xué)進(jìn)度，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地運用所學(xué)理論知識分析理解電路實驗內(nèi)容，難以做到學(xué)以致用。

為了提高電路理論的課堂教學(xué)效果，教師一直不斷探索新的教學(xué)方法和手段，比如采用PPT課件或進(jìn)行實物演示等。但由于PPT存在難以即興進(jìn)行人機(jī)互動的缺點，實物演示又受諸多客觀因素限制，視覺效果不理想。因此，如何利用有限的課堂教學(xué)時間，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)電路理論的熱情，同時搭建理論聯(lián)系工程實踐的橋梁，是改進(jìn)教學(xué)手段和方法的關(guān)鍵。

1.3 考核方式簡單 缺少形成性評價

電路理論課堂教學(xué)為82學(xué)時，完成電阻電路、動態(tài)電路、正弦和非正弦電路三部分內(nèi)容，學(xué)習(xí)任務(wù)較重，限制了課堂實驗教學(xué)的延展。而現(xiàn)在廣泛采用的教學(xué)評價方式多體現(xiàn)在重理論輕實踐、重再現(xiàn)輕創(chuàng)造的卷面試題上。這就使得教師講課注重理論及解題分析，學(xué)生為應(yīng)付考試臨時突擊過關(guān)，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生對思維過程的輕視，不能形成對知識的逐步認(rèn)知、理解、運用的習(xí)慣，進(jìn)而限制學(xué)生由理論到實踐展開發(fā)散思維的能力，抑制其解決問題的靈活性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式和評價方法，使得大部分學(xué)生一味地為獲取優(yōu)秀的理論考試成績而努力掌握電路理論及其解題技巧，從而使得電路知識與工程實踐應(yīng)用脫節(jié)。因此，需要一種更加合理的形成性評價方式來激勵學(xué)生，使其重視學(xué)習(xí)過程，善于發(fā)現(xiàn)實際工程問題與電路模型之間的關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)理論知識的綜合運用。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生興趣及創(chuàng)新能力的重要途徑，是未來電路理論課程教學(xué)改革的重點。電路理論課程由于理論和公式繁多，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較小，而且傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法起到啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、積極創(chuàng)新的意識。因此，如何在教學(xué)中創(chuàng)造條件，將理論知識有效結(jié)合實驗資源，增強(qiáng)教學(xué)過程實踐能力的培養(yǎng)，是教師不斷探索的目標(biāo)。基于仿真技術(shù)引入課堂虛擬實驗可作為一種新的教學(xué)輔助手段，充分發(fā)揮教師的教學(xué)想象力，這將有利于激發(fā)學(xué)生主動思維、增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，下面將進(jìn)一步展開論述。

2 虛擬實驗及其電路教學(xué)應(yīng)用特點

虛擬實驗向?qū)嶒炚咛峁┮粋€基于計算機(jī)多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的軟件窗口，學(xué)習(xí)者可以操作、觀察、實驗。目前，教學(xué)版實驗工具主要有Pspice，Multisim和PSIM等，教師可靈活選擇構(gòu)建友好操作界面和類似真是的測試儀器，實時改變元件參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)，滿足課程內(nèi)容需要。引入虛擬實驗改革教學(xué)方法，對于改善現(xiàn)階段電路多理論灌輸、缺乏與實踐結(jié)合的缺點，具有以下幾點好處。

2.1 有助于突破課堂教學(xué)難點

虛擬實驗的引入有利于提高課堂教學(xué)效果。在電路課堂教學(xué)過程中，由于大部分學(xué)生是第一次接觸工程相關(guān)知識，理解抽象的理論知識比較困難。比如，三相電路部分一直都是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，直接影響后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。實際三相電路這部分內(nèi)容與實際生活息息相關(guān)，但單憑講解理論、分析典型電路模型，學(xué)生依然覺得過于抽象難以理解。而借助虛擬實驗，教師可以設(shè)計電路實現(xiàn)三相四線制、三相三線制電路的對稱和非對稱情況，模擬不同工作狀態(tài)，同時獲取不同變量的變化信息。這樣將復(fù)雜問題形象化，擺脫以往列方程求解的單一學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生一目了然，對概念理解更加直觀。教師將仿真技術(shù)運用到電路或元件分析中，在講解電路原理的同時，運行虛擬實驗平臺，模擬電路仿真結(jié)果對比方程分析計算結(jié)果，更能幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)電路分析計算方法的意義，從而提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。

2.2 有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

電路作為電氣專業(yè)的入門課，其學(xué)習(xí)效果直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)注重傳授理論知識，強(qiáng)調(diào)電路模型的分析計算方法，使學(xué)生困頓在煩瑣的公式推導(dǎo)和抽象的例證分析，卻忽視了讓學(xué)生感受電路的真實性及其工程意義，缺乏直觀性和生動性。理論與實際脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生“難學(xué)、抽象、厭學(xué)”的思想，從而對該課程學(xué)習(xí)喪失興趣和信心。在教學(xué)過程中的具體表現(xiàn)就是學(xué)生學(xué)習(xí)感到枯燥乏味，教師講課費時費力，難以產(chǎn)生教學(xué)互動。而仿真軟件的引入，教授可以利用庫元件搭建各種電路模型，結(jié)合理論分析展開仿真演示。生動、直觀的模擬演示，可以加深學(xué)生的感性認(rèn)識，消除學(xué)習(xí)抽象概念和求解復(fù)雜習(xí)題的疲倦感，活躍課堂氛圍，增加學(xué)習(xí)興趣。

2.3 有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

實踐教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。而虛擬仿真技術(shù)的引入，在幫助學(xué)生理解理論難點的同時，也加強(qiáng)了學(xué)生邏輯性的思維訓(xùn)練。伴隨學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的增長和知識的積累，仿真實驗可以延伸到課堂以外，學(xué)生隨時可以利用計算機(jī)模擬各種相關(guān)實驗課題，從而幫助其實現(xiàn)對電路理論從感性認(rèn)識到抽象認(rèn)識的飛躍。仿真實驗還可以滲透至畢業(yè)設(shè)計、科技制作、電子競賽等各個方面，通過仿真電路設(shè)計合理的電路方案，既培養(yǎng)了學(xué)生電子電路分析、設(shè)計和制作的能力，又提供了學(xué)生自我工程素質(zhì)鍛煉和自主創(chuàng)新意識培養(yǎng)的條件，從而實現(xiàn)教學(xué)改革的目的。

3 基于虛擬實驗的課堂教學(xué)模式

借助仿真虛擬實驗，教師在設(shè)置教學(xué)策略時，可提供學(xué)生更豐富的電路學(xué)習(xí)直觀素材，使抽象問題形象化，進(jìn)而對傳統(tǒng)電路實驗形式進(jìn)行課堂拓展，通過觀測仿真電路發(fā)現(xiàn)電路本質(zhì)，充分理解電路定理含義，有利于學(xué)生直覺思維的培養(yǎng)。相應(yīng)教學(xué)模式也應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整，充分發(fā)揮虛擬實驗輔助教學(xué)的潛能，開發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新思維能力。

研究性教學(xué)[4]強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和工程創(chuàng)新的觀點。教師依據(jù)教學(xué)情境利用虛擬仿真軟件設(shè)計實驗電路，引出問題啟發(fā)學(xué)生思考并鼓勵學(xué)生回答，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。同時，圍繞問題開展交互討論，加深對基本概念的理解和對基本分析方法的掌握。研究性教學(xué)是一種模擬性的科學(xué)研究活動，學(xué)生在教師所創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境下，通過實驗、觀察、思考、表達(dá)與交流等探究活動獲取知識；是以解決問題為重點，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性為前提，發(fā)展學(xué)生獨立思考和創(chuàng)造能力為目的的教學(xué)模式。在教師的有效引導(dǎo)下，虛擬仿真軟件構(gòu)建了理論知識與工程實際問題的橋梁，使學(xué)生初嘗電路原理工程應(yīng)用的魅力，同時激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，掌握一定的實驗技能，加深對課堂和科研所學(xué)知識的理解和應(yīng)用，最終培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 考核內(nèi)容多樣化

電路課程考試形式內(nèi)容也應(yīng)在教學(xué)改革過程中做相應(yīng)調(diào)整，真正實現(xiàn)教、學(xué)、考三者和諧統(tǒng)一?？荚噧?nèi)容方面，在考查學(xué)生基本理論知識掌握情況基礎(chǔ)上，增加知識實際運用能力的考查，力求提高學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力?？己朔绞椒矫妫瑸榱伺囵B(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)工程創(chuàng)造性，兼顧學(xué)有余力學(xué)生的能力發(fā)展，可采用多元化的考核方式對學(xué)生的知識掌握與運用、工程和創(chuàng)新能力進(jìn)行綜合評價。在以往評價指標(biāo)，如課堂表現(xiàn)、階段測試、期末考試、平時作業(yè)等基礎(chǔ)上，增加基于虛擬實驗的綜合項目設(shè)計，由此進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。

5 結(jié)束語

仿真教學(xué)通過教學(xué)資源的優(yōu)化配置，創(chuàng)建新型的課堂教學(xué)模式。理論知識的發(fā)展，不僅是建立在數(shù)學(xué)推演中，也需要工程實踐的不斷證明。教學(xué)過程離不開實驗，枯燥的理論推導(dǎo)無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，各種仿真軟件為改進(jìn)理論教學(xué)提供了條件。通過教師設(shè)立的各種驗證性、設(shè)計性、綜合性虛擬實驗，使學(xué)生將難以理解的抽象概念與實際工程問題融會貫通，大幅改善教學(xué)效果。同時，在虛擬實驗教學(xué)過程中也培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，有利于其創(chuàng)新型工程素養(yǎng)的提升。因此，電路基礎(chǔ)理論的教學(xué)過程中適宜地加入虛擬實驗環(huán)節(jié)，有助于高質(zhì)量工程人才的培養(yǎng)。

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The Importance of Virtual Experiments in the Classroom Teaching of Circuit Theory

Fan Wenru, Ma Min
School of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin, 300300, China

Abstract:Circuit theory is a main basic technical course in the major of electrical engineering. And it plays a key role in training engineering and innovation ability for the students. In order to improve the effectiveness of classroom teaching, fully mobilize the enthusiasm of students and expand the contents of practical teaching, this paper discusses the importance of introducing virtual experiments into theory teaching. With the help of virtual experiments shown in class, the teachers can show their own teaching charm and improve the effectiveness of class teaching. Finally, the ability of theoretical analysis and engineering practice can be trained synchronously through research-based teaching.

Key words:circuit theory; teaching reform; virtual experiment

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：范文茹，博士，講師。馬敏，博士，教授。

基金項目：中國民航大學(xué)教研項目(編號：C A U CETRN-2015-63)。