“虛實結(jié)合”電工電子實驗教學(xué)改革研究

韓濤 凌六一 黃友銳 唐超禮 徐善永

摘要：針對現(xiàn)階段各個高校電工電子實驗教學(xué)中，實驗室建設(shè)成本高，儀器設(shè)備成本高，無法全面覆蓋全校所有學(xué)生，實驗教學(xué)效率低下等問題，提出了在引入虛擬實驗的同時，努力發(fā)展實物實驗，通過“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)方法，提高了電工電子實驗教學(xué)的效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的多種能力，為學(xué)生將來從事更高級別的科研技術(shù)工作打好了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電工電子實驗；實驗教學(xué)；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0272-02

一、引言

電工電子是高等院校中非電專業(yè)開設(shè)的一門電類基礎(chǔ)課程，涉及到了電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基本知識，是所有理工類學(xué)生必須掌握的一門電方面的基礎(chǔ)課程，重要性不言而喻。但在高等院校開設(shè)電工電子課程的同時，電工電子的實驗實踐課程由于各種原因存在著很大的不足，很多學(xué)生學(xué)習之后僅僅停留在理論計算書本上一些簡單電路參數(shù)的初級階段，對于動手連接電路，對實際電路工作原理的理解，實際電路的設(shè)計和調(diào)試都存在很大問題。

二、目前實驗教學(xué)存在問題

1.理論與實驗差距較大?，F(xiàn)在大多數(shù)理工科院校的電工電子實驗教學(xué)中，實驗項目數(shù)量少，所涉及的理論知識非常有限，造成了在理論教學(xué)中學(xué)習的很多理論知識，如元器件特性、電路原理、分析定理等，學(xué)生只能停留在照本宣科的階段，本來就很寶貴的實驗教學(xué)課時卻只能選擇一些基礎(chǔ)、簡單的理論原理作為實驗對象，無法讓學(xué)生充分、全面地理解電工電子中的所有知識和技能，有限的實驗時間也無法讓學(xué)生通過充分的實驗分析、反復(fù)的實驗操作、仔細的調(diào)試電路來深入理解所對應(yīng)的知識技能，使學(xué)生對電工電子的理解和掌握大打折扣。

2.實驗教學(xué)效率低。由于普通高校實驗室建設(shè)經(jīng)費有限，實驗室設(shè)備陳舊，數(shù)量有限，更新?lián)Q代遲緩，而電工電子實驗過程中元器件損耗大，無法及時大量補充，造成了高校電工電子實驗資源非常緊張，學(xué)生實驗教學(xué)周期較大，缺少連續(xù)性。學(xué)生在實驗過程中遇到困難，必須要老師到達現(xiàn)場后面對面地交流，實驗報告還處于紙質(zhì)手寫階段，每次實驗都需要經(jīng)過手寫報告、人工收取報告、上交報告、人工批改報告、下發(fā)報告這幾個階段，經(jīng)歷周期時間長，實驗報告問題反饋遲緩，不利于學(xué)生實驗過程的改進和學(xué)習，極大地影響了學(xué)生實驗的興趣和積極性。

3.創(chuàng)新性實驗缺乏。由于高校學(xué)生較多，實驗室設(shè)備條件有限，造成了實驗室只能滿足學(xué)生基本實驗需求，無法滿足日益增加的學(xué)生自主性實驗的需求，有些高校正在大力建設(shè)開放性實驗室，但需要投入大量的人力物力，需要更大的更多的實驗室，更新更快更先進的實驗設(shè)備儀器，成本巨大。

因此，實驗室的實驗時間、實驗設(shè)備的缺乏和學(xué)生的自主創(chuàng)新的實驗需求正在成為高校實驗教學(xué)的主要矛盾，如何能在有限的資源經(jīng)費的情況下，最大地滿足學(xué)生日益增長的自主創(chuàng)新的實驗需求成為各個高校當前面臨的主要問題。

三、虛擬實驗的引入

針對上述各個高校電工電子實驗教學(xué)所面臨的主要問題，可以將采用虛擬儀器的虛擬實驗引入到實驗教學(xué)中。

虛擬儀器，是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合起來融為一體，構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)?！败浖磧x器”本質(zhì)地刻畫出了虛擬儀器的特征[1，2]。

虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了不可估量的影響，同時也給高校實驗教學(xué)的改革和實驗室的建設(shè)帶來了曙光[3]。

1.成本低，適合大規(guī)模建設(shè)。虛擬實驗本質(zhì)上是一種仿真軟件，價格成本遠低于購買實體儀器設(shè)備，尤其是大規(guī)模批量采購時購買軟件的價格成本更加經(jīng)濟實惠。而在實驗過程中連接線、接頭、焊錫等材料的損耗也是實物實驗中居高不下的資金成本，更不用說實驗教學(xué)中避免不了的儀器設(shè)備的維護維修，這些都是一筆龐大的開銷，而使用了虛擬實驗的仿真軟件之后，只是需要開始購買時的一次性投資，在后期幾乎很少需要維護和維修，極大地節(jié)省了實驗成本，十分適用于大規(guī)模電工電子實驗室的建設(shè)，符合電工電子實驗教學(xué)的要求。

2.使用方便，使用率高。虛擬實驗的仿真軟件使用方便，只需要在計算機中安裝該仿真軟件即可進行虛擬實驗，實物實驗中的元器件的選取更換，元器件之間的電氣連接、焊接，實驗的運行，在虛擬實驗時僅僅只需要點擊幾次鼠標即可完成，節(jié)省了學(xué)生大量時間。在虛擬實驗電路運行的過程中，甚至可以進行中途的暫停，觀察瞬態(tài)的實驗現(xiàn)象和記錄瞬時多變的數(shù)據(jù)，不可謂不方便。虛擬元器件和連線等不僅可以隨取隨用，反復(fù)使用，數(shù)目不限，而且在實驗過程中更加不會有任何損壞和消耗，使用率高。

3.開放度高，教學(xué)效果好。由于虛擬實驗只需要一臺運行仿真軟件的計算機即可實現(xiàn)，因此整個實驗室只需要配備充足的計算機數(shù)量即可，不需要一些昂貴、復(fù)雜、笨重的實驗儀器設(shè)備，所以可以讓學(xué)生根據(jù)自己的計劃安排進行實驗的時間，不需要教師過多的管理，在自由靈活的環(huán)境下，在學(xué)生狀態(tài)最好最適合學(xué)習研究的情況下進行實驗，使得實驗教學(xué)效果達到最好。

4.種類齊全，滿足學(xué)生創(chuàng)新性要求。虛擬實驗是一種仿真軟件，因此元器件、設(shè)備儀器的數(shù)量、功能等不會過多的受到購買成本的影響，可以將虛擬實驗的仿真軟件中設(shè)計制作足夠多、足夠全的元器件和儀器設(shè)備等。在學(xué)生有了一些自己的設(shè)想時，完全可以隨時隨地的根據(jù)自己的感興趣想法進行自由、自主的實驗，不再受到元器件數(shù)量不足、種類不全、實驗儀器設(shè)備性能較差的限制，可以隨心所欲地嘗試著自己的新想法新創(chuàng)意，極大地滿足了學(xué)生進行創(chuàng)新性實驗的要求。

四、實物實驗的必要性

有些高校已經(jīng)看到了基于虛擬儀器的虛擬實驗巨大優(yōu)勢，開始逐漸建設(shè)發(fā)展虛擬實驗，但往往卻忽略了實物實驗的必要性，舍棄了實物實驗室的建設(shè)和發(fā)展。

1.實物實驗特殊性。實物實驗是在真實的物理環(huán)境中進行的實驗，溫度、濕度、風向、灰塵、速度等參數(shù)都會影響到實驗的最終結(jié)果，不可忽視；實物實驗中元件與元件之間除了宏觀上會起作用，微觀領(lǐng)域也在發(fā)生著微妙的變化，實驗運行時其作用的因素、條件可能在已知領(lǐng)域，也可能發(fā)生在未知領(lǐng)域，其復(fù)雜程度遠遠大于人為設(shè)定出來的仿真軟件虛擬器件所能代替，而這些都是實物實驗所必須經(jīng)歷的過程和條件。

2.實物實驗的重要性。實驗的目的是為了驗證理論的正確性，而理論是對現(xiàn)實事物規(guī)律的一種抽象，是實實在在現(xiàn)實的東西，仿真軟件中的虛擬器件和用虛擬器件進行的實驗，都是在忽略了某些物理參數(shù)，理想化某些物理條件下的相對真實的器件和實驗，雖然仿真可以在一定程度上和實際情況相符，但無法真正代替實物實驗的客觀性和真實性，如果學(xué)生長期習慣于仿真的實驗環(huán)境中，其對于真實事物的理解，真實定理理論的研究不可避免的將帶有局限性，甚至是錯誤。而每次理論的驗證和猜想的證明只是通過簡單的仿真虛擬實驗進行驗證，更加不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴謹踏實的工作作風，不利于學(xué)生進一步的發(fā)展。因此實物實驗是重要的、必須的和不可替代的。

五、實驗教學(xué)的“虛實結(jié)合”

1.虛擬實驗是催化劑。虛擬實驗具有的低成本、模塊化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等特點，特別適合高校大規(guī)模的配置和使用，其強大的功能，完整齊全的元件設(shè)備，簡單便捷的操作，靈活多樣的實驗方法，創(chuàng)新開放的本質(zhì)，為學(xué)生深刻理解理論知識，掌握實踐技能提供了一個非常方便的途徑，幾乎可以使在校學(xué)生每人單獨一個實驗平臺，學(xué)生可以按照自己的興趣、想象和創(chuàng)造進行最具創(chuàng)新性的實驗。虛擬實驗的引入使得電工電子實驗教學(xué)可以覆蓋全校每一位學(xué)生，以最直觀的方式讓學(xué)生見到實驗現(xiàn)象，幫助學(xué)生以最有效率的方式理解課程學(xué)習中遇到的各種理論知識。最快的速度幫助學(xué)生將自己的創(chuàng)新性想法和推論從想法階段過渡到實驗階段，以最接近真實的實驗過程驗證學(xué)生設(shè)想出來的種種推論和猜想，為最終的實物實驗真實可靠的驗證創(chuàng)新性推論或猜想做好充分準備。

2.實物實驗是根本。為了培養(yǎng)學(xué)生嚴謹踏實的作風，為了確實證明學(xué)生自己的推論或猜想的真實性和正確性，在虛擬實驗仿真完成后，最終必須經(jīng)過實實在在的實物實驗進行驗證，實物實驗是不可替代的一個必要過程，無論虛擬實驗仿真結(jié)果多么正確，都必須要進行實物實驗，只有在現(xiàn)實環(huán)境中的實物實驗才能將現(xiàn)實世界中各種已知和未知因素融入實驗之中，也只有在通過了實物實驗驗證之后，創(chuàng)新的想法和推論才能得到最具說服力的證明，也只有這樣才能最終證明理論的正確與否，實驗結(jié)果才能讓人信服。

六、結(jié)論

通過“虛實結(jié)合”的電工電子實驗教學(xué)，在提高了學(xué)生學(xué)習效率的同時，培養(yǎng)了學(xué)生更加嚴謹踏實的作風，為學(xué)生將來更好的發(fā)展和更高級別的科學(xué)技術(shù)研究工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李志瑞，程萬里.高校虛擬儀器電工電子實驗應(yīng)用研究[J].安陽工學(xué)院學(xué)報，2015，（03）：57-58.

[2]劉喜有.電工電子虛擬實驗室技術(shù)研究[J].硅谷，2014，（01）：46-47.

[3]陳永建，周艷.網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室對教學(xué)模式改革的影響及其構(gòu)建[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2014，（12）：213-217.