物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《電路與電子技術(shù)》教學(xué)改革研究

趙翠芹

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《電路與電子技術(shù)》課程教學(xué)中的一些問題，利用虛擬化技術(shù)在搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)方面的實(shí)際應(yīng)用，把虛擬化技術(shù)引入《電路與電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革建設(shè)中，搭建服務(wù)器虛擬化、桌面應(yīng)用虛擬化并創(chuàng)建客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù)整體系統(tǒng)平臺(tái)，最終創(chuàng)建一個(gè)《電路與電子技術(shù)》在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；電路與電子技術(shù)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0191-02

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)早已成為網(wǎng)絡(luò)科技行業(yè)的熒屏霸主，每天都有類似智能家居、智慧城市、智能交通、人工智能、無人機(jī)、無人駕駛、機(jī)器人等等的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息博取著人們的眼球，物聯(lián)網(wǎng)是未來發(fā)展最具潛力的新型技術(shù)，也是IT行業(yè)研究的熱點(diǎn)。作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)硬件基礎(chǔ)性課程的《電路與電子技術(shù)》，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生是一門舉足輕重的課程。

《電路與電子技術(shù)》是一門實(shí)踐性、操作性和應(yīng)用性較高的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)性課程[1-3]。在傳統(tǒng)教學(xué)中，雖然課程安排有理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但在實(shí)際教學(xué)中理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難有效接洽，這使得理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐教學(xué)缺乏時(shí)效性與互動(dòng)性，教學(xué)方式的靈活性和多樣性也受很大限制。通過引入虛擬的交互式軟件、高度集成化硬件和綜合服務(wù)性桌面操作平臺(tái)，擬創(chuàng)建《電路與電子技術(shù)》在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[4]。借助此平臺(tái)，能夠?yàn)槊總€(gè)學(xué)生提供一個(gè)獨(dú)立虛擬機(jī)，學(xué)生通過虛擬機(jī)可以進(jìn)入到一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，非常緊湊的安排每個(gè)精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)行的每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作記錄保存到虛擬存儲(chǔ)中，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的連續(xù)性和有效性。授課教師通過共享桌面，可以輕松了解那些學(xué)生做過實(shí)驗(yàn)，以及學(xué)生所遇到的問題，擇其做出修改和評(píng)論，及時(shí)更正學(xué)生遇到的難題，力求更快地將問題解決。這樣，學(xué)生無需再為聚集成堆的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和晦澀難懂的理論知識(shí)束手無策了。推行虛擬技術(shù)對(duì)硬件課程的改進(jìn)是一劑林丹妙藥，可以使教師和學(xué)生告別滿是灰塵的實(shí)驗(yàn)室，將工作重心轉(zhuǎn)移到電腦桌面平臺(tái)。既實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模式的靈活性和多樣化，又方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，并為學(xué)生提供了不受時(shí)間、地點(diǎn)限制更為便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，延長(zhǎng)了服務(wù)器及學(xué)生機(jī)的使用壽命，降低了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備耗損，減少了設(shè)備維護(hù)和管理費(fèi)用，更能有效地提升了實(shí)驗(yàn)室管理水平和服務(wù)能力。

1 教學(xué)改革的目標(biāo)及內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)具有內(nèi)容覆蓋面廣、知識(shí)更新速度快、內(nèi)容綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生要求掌握高度集成的硬件基礎(chǔ)知識(shí)和嫻熟的跨平臺(tái)軟件編程技能。針對(duì)這些特點(diǎn)，各高校為了適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案、提升學(xué)生的綜合實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力，需要開設(shè)更多的軟件和硬件都要覆蓋的專業(yè)課程，由于受總課時(shí)量的限制，相應(yīng)一些基礎(chǔ)性課程課時(shí)受到壓縮，必須對(duì)這些課程進(jìn)行整合處理，才能順利完成教學(xué)目標(biāo)。其中，《電路與電子技術(shù)》就是整合了《電路分析基礎(chǔ)》、《模擬電路》和《數(shù)字電路》三門課程，課時(shí)壓縮到原來3門總課時(shí)的1/3。面對(duì)有限的課時(shí)和大量的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾，只能發(fā)揮學(xué)生的主觀性，充分利用課余時(shí)間，使學(xué)生的學(xué)習(xí)從課堂內(nèi)延伸到課堂外，從而保證教學(xué)任務(wù)的順利完成。

《電路與電子技術(shù)》是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)課堂教學(xué)常常是理論和實(shí)踐分離，學(xué)生們感到枯燥乏味，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如何充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，如何提高課堂教學(xué)效率，如何充分利用好網(wǎng)絡(luò)信息資源，是當(dāng)前高等院校深化教學(xué)改革的關(guān)鍵所在，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方式之一。虛擬化在線技術(shù)充分整合信息技術(shù)與傳統(tǒng)面對(duì)面的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)信息技術(shù)與課程整合，充分利用了信息技術(shù)的開放性。

2 需要解決的關(guān)鍵問題

《電路與電子技術(shù)》這門課，知識(shí)內(nèi)容錯(cuò)綜復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)操作性，學(xué)生們總是感覺此門課程晦澀難懂、眩暈及目不暇接，面對(duì)龐大的知識(shí)體系，學(xué)生往往是望而卻步的、半途而廢的。針對(duì)實(shí)際教學(xué)中存在的問題，項(xiàng)目提供了相應(yīng)的解決方案，從而有效地提高教學(xué)效果。

為了解決理論教學(xué)分散性和實(shí)踐教學(xué)綜合性的矛盾，可以對(duì)課程部分內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化處理，比如電源等效定理講完之后，戴維寧定理和諾頓定理可以簡(jiǎn)單講解。

因受課時(shí)限制，面對(duì)龐大的理論知識(shí)體系和千頭萬緒的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，僅僅依靠課堂時(shí)間很難有效地完成教學(xué)任務(wù)。為此，針對(duì)例如多節(jié)點(diǎn)、多網(wǎng)孔的節(jié)點(diǎn)電壓方程和網(wǎng)孔電流方程構(gòu)成的多維線性方程組的求解，可以通過該項(xiàng)目的虛擬化網(wǎng)絡(luò)訪問到虛擬機(jī)，借助虛擬機(jī)上的matlab軟件進(jìn)行方便快捷的求解，把復(fù)雜的方程組的求解過程簡(jiǎn)單化；對(duì)于電壓表、電流表、受控源的使用方式完全可以采用multisim軟件，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際操作的無縫銜接。

課程理論性強(qiáng)，理論教學(xué)比較枯燥。很多實(shí)際工程問題一旦升華為科學(xué)理論和原理，常常伴隨著多元微積分式的繁雜數(shù)學(xué)公式。尤其是號(hào)稱“魔鬼電路”的模擬電路部分，其三極管內(nèi)載流子的電流分配關(guān)系、放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的分析、放大電路的失真和集成運(yùn)放輸入和輸出電阻的計(jì)算等公式較多。學(xué)生很難從教師的碎片化教學(xué)描述中理解信號(hào)的傳遞、變化過程，因此讓很多學(xué)生望而卻步，產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。通過虛擬multisim軟件平臺(tái)，學(xué)生可以根據(jù)原理圖去搭建電路，通過示波器或邏輯分析儀去測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形變化，從而了解電路本質(zhì)。通過不斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以有效提高理論教學(xué)效果。

針對(duì)實(shí)踐性很強(qiáng)的數(shù)字部分內(nèi)容，比如組合邏輯電路部分的真值表、邏輯函數(shù)表達(dá)式、波形圖、各種觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能、時(shí)序圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的理解，完全可以利用虛擬平臺(tái)上的Quartus ii軟件進(jìn)行仿真，采用Verilog HDL語言描述門級(jí)描述、數(shù)據(jù)流級(jí)assign描述和行為級(jí)always描述，通過Quartus ii軟件自帶的vector Waveform File矢量波形文件或者采用第三方插件Modelsim SE軟件進(jìn)行驗(yàn)證，能形象直觀的觀察到輸入和輸出之間的邏輯。對(duì)習(xí)慣用c語言編寫程序代碼的同學(xué)，可以在虛擬平臺(tái)中添加和Quartus ii軟件匹配的Nios II的開發(fā)平臺(tái)，從而將課程內(nèi)容延伸到FPGA的嵌入式片上系統(tǒng)SOPC的開發(fā)，使學(xué)生所學(xué)的C語言在硬件平臺(tái)進(jìn)行控制，真正感覺到學(xué)有所用，給學(xué)生注入新的活力。

同樣可以采用虛擬硬件平臺(tái)Proteus和 Keil軟件平臺(tái)聯(lián)合下對(duì)《電路與電子技術(shù)》課程內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)消化理論知識(shí)與強(qiáng)化動(dòng)手操作能力的要求。

針對(duì)《電路與電子技術(shù)》課程的特性，我們借助虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在虛擬環(huán)境中集成仿真功能，提供matlab軟件、Quartus ii軟件、Keil軟件、Modelsim SE軟件、Nios II、multisim軟件和Proteus；搭建虛擬化服務(wù)器、應(yīng)用虛擬化桌面并創(chuàng)建客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù)整體系統(tǒng)平臺(tái)。同時(shí)提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、教學(xué)課件、在線視頻，通過此網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺(tái)，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好選擇軟件，瀏覽在線教學(xué)資源，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)打開方便之門。

3 教學(xué)改革成果的應(yīng)用及成效

借助這個(gè)平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性和多樣性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，為學(xué)生提供一個(gè)便捷、多樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，此平臺(tái)也有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的監(jiān)督、管理和評(píng)價(jià)，并能有效的降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的能耗，提高實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)管理和服務(wù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王莉.模擬電子技術(shù)課程研究性教學(xué)探討[J].教育現(xiàn)代化，2015（15）.

[2] 黃亮，侯建軍，馬慶龍，等.模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[J].高教學(xué)刊，2016（1）.

[3] 劉云朋，李鴻征.基于虛擬儀器技術(shù)的USB數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（1）.

[4] 潘雪濤，鄔華芝，蔡建文，張美鳳，孟飛.以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向的電力電子專業(yè)EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，33（11）.