基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在電子電路仿真教學(xué)中的應(yīng)用

王詩(shī)兵，韓　波，王中心

（阜陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037）

基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在電子電路仿真教學(xué)中的應(yīng)用

王詩(shī)兵，韓波，王中心

（阜陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037）

在“教、學(xué)、做”一體化開放式教學(xué)環(huán)境中，以教師所熟知的研究案例作為學(xué)習(xí)任務(wù)，采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法開展電子電路仿真教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生科學(xué)視野，提高學(xué)生綜合能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

電子電路仿真；研究案例；任務(wù)驅(qū)動(dòng)

隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子電路仿真已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的重要手段和環(huán)節(jié)，電子電路仿真技術(shù)已成為電氣電子工程師必備的專業(yè)技術(shù)與技能，電子電路仿真教學(xué)已成為電子信息類專業(yè)電子電路課程教學(xué)的重要組成部分［1-4］。然而，當(dāng)前的電子電路仿真教學(xué)多局限于對(duì)電子電路理論的驗(yàn)證，及對(duì)電子電路實(shí)驗(yàn)的預(yù)演，仿真案例一般針對(duì)于某門課程某些具體知識(shí)點(diǎn)，缺乏綜合性、工程性及創(chuàng)新性，從而難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

教學(xué)和科研是高校教師必須承擔(dān)的兩大任務(wù)，二者之間復(fù)雜的非線性關(guān)系頗受學(xué)界爭(zhēng)論，然而“以研助教、研教相長(zhǎng)”的觀點(diǎn)得到了廣大一線教師的認(rèn)可［5，6］。“以研助教”的教學(xué)探索與實(shí)踐表明：科研設(shè)施運(yùn)用于教學(xué)可以提升教學(xué)條件；科研成果滲透于教學(xué)可以豐富教學(xué)內(nèi)容；科研方法貫穿于教學(xué)可以革新教學(xué)方法。將研究案例應(yīng)用于教學(xué)，是“以研助教”的重要途徑之一，能有效提高教師的專業(yè)涵養(yǎng)和教學(xué)水平，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)［7，8］。

因此，為提高學(xué)生解決復(fù)雜電子系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)問題的能力，在電子電路仿真教學(xué)中有必要引入一些教師所熟知的研究案例。本文將以非線性電路與系統(tǒng)研究為例，探討基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在電子電路仿真教學(xué)中的應(yīng)用。

1　基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法的實(shí)施路徑

研究案例一般具有綜合性、探索性，對(duì)學(xué)生而言具有較大難度，研究案例的實(shí)施與完成需要學(xué)生遵循科研思維和方法、主動(dòng)探究、分工協(xié)作，傳統(tǒng)的以知識(shí)傳授為主的教學(xué)方法并不能有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，而基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法恰能滿足要求。因此，我們提出基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，即以教師所熟知的研究案例作為學(xué)習(xí)任務(wù)，在“教、學(xué)、做”一體化開放式教學(xué)環(huán)境中，按照?qǐng)D1所示的路徑與流程組織教學(xué)。具體而言，教師作為研究案例的研究者、教學(xué)任務(wù)的發(fā)布者、教學(xué)過程的引導(dǎo)者、教學(xué)評(píng)價(jià)的組織者，主要負(fù)責(zé)研究案例的精選、任務(wù)的布置、學(xué)生活動(dòng)的啟發(fā)誘導(dǎo)、任務(wù)的組織評(píng)價(jià)及總結(jié)反饋；學(xué)生作為任務(wù)實(shí)現(xiàn)的主體、任務(wù)執(zhí)行的探究者、任務(wù)評(píng)價(jià)的參與者，主要完成任務(wù)的分解與分工、資源與方法的探究、模型的建立與仿真、成果的展示與評(píng)價(jià)。

圖1　基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法實(shí)施路徑

1.1任務(wù)的實(shí)施環(huán)境

基于研究案例的電子電路仿真“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)，需要在“教、學(xué)、做”一體化開放式教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行?！耙惑w化”指的是教學(xué)環(huán)境集多媒體教學(xué)、電子仿真等多功能于一體，既要滿足教師的“教”與“導(dǎo)”，更要滿足學(xué)生的“學(xué)”與“做”?！伴_放式”有兩層含義：其一，網(wǎng)絡(luò)資源的開放性，即學(xué)生應(yīng)能方便快捷地搜集、使用網(wǎng)絡(luò)資源，以實(shí)現(xiàn)資源建構(gòu)；其二，師生、生生之間交互的開放性，即學(xué)生在分組探究學(xué)習(xí)、執(zhí)行任務(wù)過程中，小組成員間深入交流、分工協(xié)作，小組成果展示與交流面向全體學(xué)生，整個(gè)過程中師生交流無障礙，從而確保任務(wù)完成的可行性及任務(wù)評(píng)價(jià)的客觀性。

1.2任務(wù)的設(shè)置

精選研究案例，科學(xué)設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)是基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法實(shí)施的前提。研究案例的選取應(yīng)遵循針對(duì)性、拓展性、可行性等原則。“針對(duì)性”指所選研究案例應(yīng)符合電子電路仿真教學(xué)目標(biāo)要求，與教學(xué)內(nèi)容具有一定的關(guān)聯(lián)性，比如在信號(hào)運(yùn)算電路教學(xué)時(shí)，引入非線性系統(tǒng)電路仿真研究案例，考察學(xué)生綜合運(yùn)用比例、加減、積分、乘法等多種運(yùn)算電路解決問題的能力?！巴卣剐浴敝杆x研究案例是對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的拓展，具有一定的探索性，比如在學(xué)習(xí)電阻、電容、電感三種基本電路元件的基礎(chǔ)上，引入新型電路元件憶阻器的研究案例，通過仿真分析其性能及應(yīng)用?！翱尚行浴敝杆x案例屬于教師的研究方向，難度適中，學(xué)生通過分組探究式學(xué)習(xí)、分工協(xié)作、教師引導(dǎo)可以完成任務(wù)，比如在開關(guān)電源的教學(xué)中，引入DC-DC硬開關(guān)變換器的非線性研究案例較為合適，而軟開關(guān)變換器的非線性研究對(duì)本科生而言難度過大。以研究案例作為學(xué)習(xí)任務(wù)，教師在發(fā)布任務(wù)時(shí)，應(yīng)交代案例的研究背景，明確任務(wù)要求。

1.3任務(wù)的執(zhí)行

任務(wù)的執(zhí)行過程，是學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)、建模仿真的過程，教師不直接參與任務(wù)，僅充當(dāng)激勵(lì)者、引導(dǎo)者的角色，協(xié)助學(xué)生進(jìn)行資源構(gòu)建、方法構(gòu)建。學(xué)生在領(lǐng)受任務(wù)后，應(yīng)進(jìn)行分組討論，確定任務(wù)實(shí)施方案，劃分子任務(wù)，明確人員分工，各小組成員應(yīng)充分發(fā)揮自身學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，分工協(xié)作，共同完成電子電路的建模、仿真分析、報(bào)告撰寫、成果展示等任務(wù)。

1.4任務(wù)的評(píng)價(jià)

任務(wù)評(píng)價(jià)堅(jiān)持教師評(píng)價(jià)與學(xué)生評(píng)價(jià)相結(jié)合、過程評(píng)價(jià)與結(jié)果評(píng)價(jià)相統(tǒng)一的原則。根據(jù)各小組成果的展示、匯報(bào)、答辯情況，學(xué)生在小組活動(dòng)中的表現(xiàn)及發(fā)揮的作用，綜合教師評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)、小組內(nèi)成員互評(píng)、小組間互評(píng)等多種形式，對(duì)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力、專業(yè)水平、實(shí)踐技能、協(xié)作意識(shí)、科研素養(yǎng)、創(chuàng)新思維等進(jìn)行全方位的考核與評(píng)價(jià)。

2　基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法的教學(xué)實(shí)踐

為了拓寬學(xué)生視野，使學(xué)生認(rèn)識(shí)開關(guān)電源中可能存在的分諧波、混沌現(xiàn)象，了解電路參數(shù)對(duì)電源性能的影響，在直流穩(wěn)壓電源仿真教學(xué)中引入開關(guān)變換器非線性動(dòng)力學(xué)仿真研究案例，并以圖2所示電壓模式Buck變換器非線性仿真分析作為任務(wù)，要求學(xué)生為其建立Multisim仿真模型（如圖3），并仿真得到不同輸入電壓Vin情況下變換器的動(dòng)力學(xué)行為（如圖4）。相關(guān)電路參數(shù)為：L=20 mH，C=47 μF，R=22 Ω，T=0.4 ms，Vref=11.3 V，A=8.4，Vramp=VL+（VU-VL）（t/T mod 1），VL=3.8 V，VU=8.2 V［9］。

圖2　電壓模式Buck變換器原理圖

圖3　電壓模式Buck變換器的Multisim仿真模型

教師在布置任務(wù)時(shí)，向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹變換器非線性研究的意義、內(nèi)容、方法、成果等，激發(fā)學(xué)生自主完成任務(wù)的動(dòng)機(jī)和興趣，協(xié)助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)構(gòu)建與資源構(gòu)建。學(xué)生接到任務(wù)后，以小組為單位進(jìn)行討論，將任務(wù)分解為熟悉原理、建立模型、仿真分析、總結(jié)報(bào)告等多個(gè)階段，其中建立模型涉及到電路元件選擇及參數(shù)設(shè)置、斜坡信號(hào)的產(chǎn)生、加減運(yùn)算及比較運(yùn)算電路的實(shí)現(xiàn)、電壓電流信號(hào)的采集與檢測(cè)等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行任務(wù)分工，各小組成員分別完成各自子任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)變換器模型的建立及仿真分析。任務(wù)完成后，以小組為單位進(jìn)行成果展示、匯報(bào)和答辯，師生共同完成對(duì)每個(gè)小組每個(gè)學(xué)生的考核評(píng)價(jià)。教師對(duì)任務(wù)完成情況及學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)、點(diǎn)評(píng)，并對(duì)研究案例進(jìn)一步拓展，引導(dǎo)部分學(xué)生在課外進(jìn)一步探索開關(guān)變換器中非線性動(dòng)力學(xué)行為的控制與應(yīng)用問題。

圖4　電壓模式Buck變換器動(dòng)力學(xué)行為的仿真結(jié)果

3　結(jié)論

在電子電路仿真教學(xué)中實(shí)施基于研究案例的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，以案例選取、任務(wù)設(shè)置為前提，以學(xué)生自主探究、協(xié)作完成任務(wù)為根本，以多元綜合評(píng)價(jià)、“教、學(xué)、做”一體化開放式教學(xué)環(huán)境為保障，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)與興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和成就感，開拓了學(xué)生的科學(xué)視野，提升了學(xué)生綜合實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。部分學(xué)生以此為基礎(chǔ)，成功獲批國(guó)家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目多項(xiàng)；參加相關(guān)專業(yè)競(jìng)賽，并獲國(guó)家級(jí)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)；撰寫畢業(yè)論文，獲安徽省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、阜陽(yáng)師范學(xué)院優(yōu)秀本科畢業(yè)論文10余篇。

［1］ 陳華敏，任立民，徐源.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化教學(xué)中引入案例教學(xué)法的新思路［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（10）：126-128.

［2］ 譚雪霏，趙春波，陳鞏.基于案例的電子設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法［J］.濱州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（6）：113-115.

［3］ 李健，李智，馮曉磊“.數(shù)字電子技術(shù)”課程的探究式案例教學(xué)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（6）：51-53.

［4］ 周大鵬，何光普.項(xiàng)目導(dǎo)向任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的探索和實(shí)踐——以《電子CAD》課程教學(xué)為例［J］.樂山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（5）：122-125.

［5］ 劉獻(xiàn)君，吳洪富.非線性視域下的大學(xué)教學(xué)與科研關(guān)系研究［J］.高等工程教育研究，2014，（5）：77-87.

［6］ 侯愛榮.教學(xué)與科研關(guān)系的復(fù)雜性思考［J］.渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2010，（5）：96-100.

［7］ 張又良，黃永平.科研促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐的現(xiàn)狀與對(duì)策［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2014，28（2）：120-123.

［8］ 肖新，焦立新，汪建飛.以研助學(xué)全面提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量［J］.黃山學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16（2）：128-130.

［9］ 王詩(shī)兵，周宇飛，陳軍寧.基于Matlab的開關(guān)變換器混沌研究數(shù)值方法［J］.機(jī)電工程，2007，24（6）：26-29.

Application of research case-based“task-driven”method in teaching electronic circuit simulation

WANG Shi-bing，HAN Bo，WANG Zhong-xin

（School of Computer and Information Engineering，F(xiàn)uyang Normal University，F(xiàn)uyang Anhui 236037，China）

In the“Teaching，Learning and Doing”integrated open environment，task-driven teaching approach is adopted to teach electronic circuit simulation with the teacher's conversant research cases as the learning tasks.The teaching practice shows that the proposed method can stimulate the students'learning interest，develop the students'scientific vision，improve the students'comprehensive ability，and strengthen the students'innovative consciousness.

electronic circuit simulation；research case；task-driven

G642

A

1004-4329（2016）02-127-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-127-04

2016-02-27

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（2013gxk063）；阜陽(yáng)師范學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目（2013JXTG03，2013ZYSD05）資助。

王詩(shī)兵（1976－），男，博士，副教授，研究方向：非線性電路與系統(tǒng)、混沌信號(hào)與信息處理。