軟硬件結(jié)合的開放式電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

江霓 譚愛國(guó)

摘要：結(jié)合了近年來高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與改革實(shí)踐，分析了開放式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性和可行性，并對(duì)現(xiàn)有的電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為驗(yàn)證型、應(yīng)用型、綜合型以及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。并引入Multisim仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)列舉了一個(gè)軟硬件結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法可以較好地實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)一體化，從而有效地提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式改革；開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程；電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）13-0261-02

引言

電類實(shí)驗(yàn)一直在應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中作為不可或缺的環(huán)節(jié)而發(fā)光發(fā)熱，并且作為為企業(yè)輸送高端技能型人才的一種教育方式而受到矚目。實(shí)踐證明，與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠幫助學(xué)生深入理解電路原理，迅速地找到電路的核心器件從而進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，而且能夠有效地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新性思維和電子線路開發(fā)能力。因此，我們將仿真軟件與電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了有利于提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)戰(zhàn)能力的電類開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

一、軟硬件結(jié)合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

實(shí)踐證明，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠較大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，教學(xué)效果顯著，在教學(xué)時(shí)間和教學(xué)資源的利用上顯然具有更高的效益。而這種教學(xué)方式的更深層次的優(yōu)勢(shì)和目的主要在于以下三個(gè)方面：

1.實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的一體化。傳統(tǒng)的封閉式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比，可以較大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。我們將借助軟硬件結(jié)合的教學(xué)模式來最大化地實(shí)現(xiàn)電類實(shí)驗(yàn)的理論與實(shí)踐教學(xué)一體化。

2.充分發(fā)揮教學(xué)資源的效益。開放式教學(xué)可以最大化地提供給學(xué)生的自由且充足的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間，能夠提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的水平，鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐和科研開發(fā)的能力，有助于充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的效益。

3.增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。教學(xué)中，我們不僅把軟件仿真作為一種演示工具，還將對(duì)其仿真的結(jié)果進(jìn)行深入的探討，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。我們將通過研究性教學(xué)的方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化的實(shí)戰(zhàn)技能訓(xùn)練，使得學(xué)生能夠在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中增強(qiáng)系統(tǒng)化創(chuàng)新能力。

二、軟硬件結(jié)合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

1.Multisim軟件介紹。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)于一體，是近代電子信息領(lǐng)域發(fā)展起來的杰出成果，同時(shí)EDA技術(shù)的發(fā)展和推廣也極大地推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。在眾多的EDA仿真軟件中，由于Multisim軟件界面直觀、操作方便、仿真測(cè)試和分析功能強(qiáng)大，因此，我們將其作為電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具和電路分析手段而引用到電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。與其他仿真軟件相比，Multisim具有如下特點(diǎn)：

（1）Multisim是全功能電路仿真系統(tǒng)。元器件編輯、選取、放置；電路圖編輯繪制；電路工作狀態(tài)測(cè)試等無所不能。

（2）Multisim是一個(gè)完整的電子系同設(shè)計(jì)工具。專用于原理圖捕獲、交互式仿真、電路板設(shè)計(jì)和集成測(cè)試。

（3）具有強(qiáng)大的仿真分析功能。

（4）具有多種常用的虛擬儀表。

（5）與NI相關(guān)虛擬儀器軟件的完美結(jié)合，提高了模擬及測(cè)試性能。

它幾乎可以完成在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的所有電子電路實(shí)驗(yàn)，已被廣泛地應(yīng)用于電子電路分析、設(shè)計(jì)、仿真等工作中。另外，Multisim具備對(duì)電路設(shè)置故障的功能，以觀察故障情況下電路的各種狀態(tài)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

2.與Multisim仿真結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例。以模擬電子實(shí)驗(yàn)中的單管放大電路為例介紹Multisim10.0在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

（1）創(chuàng)建仿真電路。打開Multisim10.0，建立一個(gè)新的工作界面，在窗口中添加示波器、萬用表、交流信號(hào)發(fā)生器等儀表并連接電路，如圖1所示。

（2）電路的瞬態(tài)分析。瞬態(tài)分析是電路的響應(yīng)在交流信號(hào)激勵(lì)作用下時(shí)間域內(nèi)的函數(shù)波形，圖2為示波器觀測(cè)到的單管放大電路的輸出信號(hào)圖像。在調(diào)好靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上，需要在電路輸入端加載一個(gè)1KHz、5mV的正弦交流信號(hào)。

通過實(shí)踐，仿真出來的輸出波形是一個(gè)穩(wěn)定且不失真的正弦波。由此，我們推斷出，若按照這個(gè)電路圖來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則可以較好地完成單管放大電路的增益測(cè)試、輸入電阻和輸出電阻的測(cè)量等要求。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中調(diào)試的結(jié)果。通過軟件的仿真使我們對(duì)單管放大電路有了較全面和深入的理解，在此基礎(chǔ)上在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)則可以取得事半功倍的效果。實(shí)驗(yàn)室里配備了專門的單管放大電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生可以通過在電路板上進(jìn)行連線，并借助函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表以及示波器等測(cè)量工具進(jìn)行單管放大電路增益的研究。

圖中可以看出，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中給單管放大電路的輸入了1KHz、5mV有效值的正弦波信號(hào)，輸出端的波形是通過示波器（DG1022）來進(jìn)行觀查和記錄的，正如圖2所示。

通過實(shí)驗(yàn)，我們可以看出增益的測(cè)試值與理論計(jì)算值雖有誤差，但仍在接受范圍之內(nèi)，較成功地驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)。

三、電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路

1.開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的必要性。所謂“開放共享實(shí)驗(yàn)室”，就是以學(xué)生為本，使學(xué)生不再局限于課堂上有限的時(shí)間以及固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而可以根據(jù)自己的實(shí)際需要在相對(duì)較為自由的時(shí)間段內(nèi)出入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自然也可以根據(jù)學(xué)習(xí)或者研究的需要而自行決定。

實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，個(gè)人認(rèn)為主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的需要。（2）實(shí)驗(yàn)室自身發(fā)展和提高的需要。這種教學(xué)方式，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)室的使用效率，極大程度上開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室資源，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和科研精神也是不可或缺的力量。

2.具體的改革思路。本科教學(xué)中的電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大多是理論驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際的技術(shù)研發(fā)存在一定的差距。以模擬電子實(shí)驗(yàn)為例，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由如下幾個(gè)部分組成：常用電子儀器的使用、單管放大電路的研究、負(fù)反饋放大器、差動(dòng)放大電路性能測(cè)試的研究、運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算、積分器與三角波發(fā)生器特性的研究以及正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)，這八部分內(nèi)容組成。這當(dāng)中，80%都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐證明，這樣無法很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出企業(yè)以及科研單位需要的高端技能型人才。

因此，我們將電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整為四類：驗(yàn)證型、應(yīng)用型、綜合型以及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，比例分別為3∶4∶2∶2。其中課堂授課的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要還是以驗(yàn)證型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)為主，綜合型以及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生在開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)段來進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐。并且，實(shí)驗(yàn)室在每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上都配備了一臺(tái)裝有Multisim軟件的電腦，便于同學(xué)們進(jìn)行仿真研究，真正意義上做到理論與實(shí)踐教學(xué)一體化。

學(xué)生可以多次在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，并同時(shí)在實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建電路，最后比較兩種測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)踐證明，通過這種實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生能夠熟練的掌握常見電路問題的解決方法，提高了學(xué)生分析復(fù)雜電路問題的能力，開發(fā)電子線路的能力以及綜合創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)高校相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和理論與實(shí)踐易脫節(jié)的教學(xué)方法，結(jié)合電類實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，提出了行之有效的解決方案：即在教學(xué)過程中引入仿真軟件Multisim，并且增加了實(shí)驗(yàn)室的開放時(shí)段，解決了電路、數(shù)字電路、模擬電路等多門課程的大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題。

本文所提出的“軟硬件結(jié)合的開放式電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”，主要有如下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）有助于培養(yǎng)理論分析與動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)的復(fù)合型人才，以適應(yīng)企業(yè)與市場(chǎng)的用人需求。（2）結(jié)合上海理工大學(xué)的“精品本科課程建設(shè)”，與電子設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)賽的預(yù)熱，做到了教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、科研3個(gè)過程的有機(jī)結(jié)合。

以上方法已在本實(shí)驗(yàn)室的電類實(shí)驗(yàn)課程中運(yùn)行了一段時(shí)間，并取得了較好的成果。為適應(yīng)社會(huì)的多元化，從培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的角度出發(fā)，我們將結(jié)合實(shí)際不斷探索新的教學(xué)方法，使電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系列課程成為培養(yǎng)電類學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的敲門磚。

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