運(yùn)用虛擬仿真改革以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實(shí)習(xí)教學(xué)

龍英文+王敬華+章偉+余粟

摘 要 針對以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實(shí)踐環(huán)節(jié)中的不足，通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，對電子實(shí)習(xí)教學(xué)模式和考核方法進(jìn)行改革，注重學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和靈活運(yùn)用，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，教學(xué)實(shí)踐證明效果良好。

關(guān)鍵詞 電子技術(shù)；CDIO；虛擬仿真；教學(xué)改革

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0053-03

Abstract According to the defects of conventional electronic prac-tice teaching on the basis of CDIO Engineering Education Idea，refor-mation and practice of teaching way and evaluation method were made by introducing virtual computer simulation， which focusing on better understanding and skillful using of basic knowledge. Further-more， innovation spirit and innovation ability of individual student can be aroused better. Satisfactory teaching results have been provedby practice.

Key words electronic practice； CDIO； virtual simulation； teaching reformation

1 引言

電子技術(shù)是上海工程技術(shù)大學(xué)非電類專業(yè)學(xué)生的一門公共基礎(chǔ)實(shí)踐課程。電子技術(shù)實(shí)驗課程不僅可以鞏固學(xué)生課堂所學(xué)的部分基礎(chǔ)知識，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）模式，即“構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)施—運(yùn)作”模式，其在電子實(shí)習(xí)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。上海工程技術(shù)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心也通過開展CDIO模式的電子實(shí)習(xí)實(shí)踐，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生對電子技術(shù)、電工技術(shù)等課程基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)和掌握，也注重在基本技能訓(xùn)練過程中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作和創(chuàng)新精神[2]。它通過項目的構(gòu)思設(shè)計和實(shí)施運(yùn)作，將學(xué)生的整個課程體系有機(jī)地結(jié)合起來，從而達(dá)到知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力的全面提升。

2 電子實(shí)習(xí)教學(xué)改革前存在的問題

學(xué)生在課前預(yù)習(xí)率不高，導(dǎo)致自學(xué)能力提升不足 實(shí)習(xí)學(xué)生在實(shí)習(xí)上課前都會分到電子實(shí)習(xí)教材，大多數(shù)學(xué)生沒有對教材進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。在電子實(shí)習(xí)期間，教師在實(shí)訓(xùn)教室對實(shí)習(xí)教學(xué)進(jìn)行講解，學(xué)生基本上被動聽課。在實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生完全聽從教師的安排，不少學(xué)生缺乏主動性和積極性。如果學(xué)生課前進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，會帶著些疑問進(jìn)行聽課和動手實(shí)驗，這樣課堂收獲會更大，并在此過程中培養(yǎng)自學(xué)能力。

教學(xué)內(nèi)容陳舊，教材和實(shí)習(xí)內(nèi)容很多年沒有發(fā)生變化，不能很好地適應(yīng)社會需求 電子實(shí)習(xí)項目內(nèi)容只包括直流穩(wěn)壓電源的焊接和調(diào)試，該實(shí)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該屬于20世紀(jì)90年代的直流穩(wěn)壓電源的做法，屬于市電不控整流AC/DC變換，功率因數(shù)很低，該架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很少采用。實(shí)習(xí)的內(nèi)容陳舊，不能有效涵蓋電子技術(shù)、電工技術(shù)等教材的知識點(diǎn)。如核心的負(fù)反饋電路、運(yùn)算放大器等其他重要的知識點(diǎn)，沒有涵蓋實(shí)驗項目。

教學(xué)過程中理論和創(chuàng)新方面互動環(huán)節(jié)偏少 目前在實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生和實(shí)習(xí)教師互動環(huán)節(jié)很多，但涉及理論和創(chuàng)新方面的很少。在實(shí)習(xí)過程中，不少學(xué)生對電路原理不是很理解，關(guān)心的重點(diǎn)就是要如何把實(shí)驗結(jié)果給做出來，對電路工作原理是什么，如何對其進(jìn)行改進(jìn)，他們很少關(guān)心，造成實(shí)踐教學(xué)效果有欠缺。

學(xué)生考核內(nèi)容不科學(xué)，不能很好地反映學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握、運(yùn)用和創(chuàng)新能力 目前學(xué)生實(shí)習(xí)成績包括考勤、實(shí)驗完成情況和實(shí)習(xí)報告三大塊，不能客觀體現(xiàn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解能力和創(chuàng)新能力。由于實(shí)驗是分組進(jìn)行，學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)習(xí)教師工作量大，不可能正確評價每個學(xué)生在實(shí)習(xí)中的表現(xiàn)，可能會存在濫竽充數(shù)的問題，出現(xiàn)不努力的學(xué)生通過一份好的實(shí)驗報告，就有可能獲得好的成績等不合理現(xiàn)象。

3 教學(xué)改革與實(shí)踐教學(xué)模式介紹

根據(jù)之前電子實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，立足學(xué)校實(shí)際情況，通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，對以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)的電子實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)模式的補(bǔ)充與完善，加強(qiáng)學(xué)生主動性，增加知識點(diǎn)運(yùn)用及創(chuàng)新互動環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應(yīng)新時期社會需要的創(chuàng)新型人才。具體的教學(xué)改革措施與實(shí)踐情況如下。

1）建立以服務(wù)學(xué)生、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新為目標(biāo)的教學(xué)模式，通過在實(shí)習(xí)前讓學(xué)生使用MATLAB、Saber、PSIM等計算機(jī)虛擬仿真工具進(jìn)行仿真模擬，提前模擬做技術(shù)工作所需要的工作步驟，加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)他們進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力，適應(yīng)社會需要。

首先要求實(shí)習(xí)教師樹立服務(wù)引導(dǎo)學(xué)生的教育理念，改變填鴨教學(xué)模式，在實(shí)習(xí)前依據(jù)CDIO工程教育理論，注重對學(xué)生電子實(shí)習(xí)課前的預(yù)習(xí)任務(wù)進(jìn)行安排，增加課前仿真預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)作業(yè)。指導(dǎo)教師教授學(xué)生使用合適的仿真軟件，學(xué)生通過使用MATLAB、Saber、PSIM等虛擬仿真工具進(jìn)行電子原理圖仿真模擬。這樣一來，學(xué)生通過計算機(jī)虛擬仿真環(huán)節(jié)，對實(shí)驗中需要手動搭建的原理圖已經(jīng)有了很好的認(rèn)知。教師在實(shí)驗過程中可以幫助學(xué)生有針對性地提出問題，幫助他們掌握電子實(shí)習(xí)原理圖的工作原理。

2）電子實(shí)習(xí)過程中采用學(xué)習(xí)、仿真、實(shí)驗、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，幫助學(xué)生有效理解和運(yùn)用知識，進(jìn)而產(chǎn)生知識創(chuàng)新的能力。將電子實(shí)驗教學(xué)模式進(jìn)行改革與創(chuàng)新，實(shí)施過程分解為學(xué)習(xí)、仿真、實(shí)驗和創(chuàng)新四個主要階段。endprint

學(xué)習(xí)主要包括課本知識的學(xué)習(xí)與理解以及介紹仿真的作用，在這個階段包括教師課堂講授和學(xué)生課前課后學(xué)習(xí)等。實(shí)習(xí)教師需要給學(xué)生講述電子技術(shù)的應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢，并帶領(lǐng)學(xué)生參觀之前學(xué)生進(jìn)行電子實(shí)習(xí)的優(yōu)秀仿真及作品，激發(fā)學(xué)生對電子知識的興趣。

仿真主要是在搭建仿真電路及仿真調(diào)試的過程中幫助學(xué)生更好地理解和消化知識點(diǎn)。這個階段要求學(xué)生分組進(jìn)行仿真練習(xí)，實(shí)習(xí)教師主要引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握電路模塊的調(diào)試和診斷能力，在學(xué)生仿真過程中引導(dǎo)和啟發(fā)他們在元器件損壞、線路連接不良等條件下，對可能會出現(xiàn)的問題進(jìn)行仿真分析和分組討論，增加互動環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生對常見電路故障進(jìn)行分析，在實(shí)驗時遇到問題和困難都可以很快解決。該階段有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

實(shí)驗主要是通過實(shí)際操作環(huán)節(jié)完成上機(jī)實(shí)驗，并獲取正確的實(shí)驗結(jié)果。在這個階段，實(shí)習(xí)教師要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合仿真和實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較，對于仿真和實(shí)驗結(jié)果可能會出現(xiàn)的偏差進(jìn)行分析，這樣有助于增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐的概念。

創(chuàng)新主要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新知識的能力。實(shí)習(xí)教師通過提出一系列創(chuàng)新項目，對學(xué)生進(jìn)行項目引導(dǎo)，學(xué)生自由組隊、分工合作，共同完成創(chuàng)新項目的原理圖設(shè)計、仿真驗證及優(yōu)化、電路焊接和性能調(diào)試，達(dá)到或超過項目目標(biāo)。這個階段注重發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)生根據(jù)項目的任務(wù)要求，自擬方案、自主設(shè)計、獨(dú)立調(diào)試，實(shí)習(xí)教師只是啟發(fā)和引導(dǎo)他們，同時在小組碰到難題時提供必要的幫助與支持。

3）利用虛擬仿真拓展實(shí)驗不具備的項目內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對關(guān)鍵知識點(diǎn)進(jìn)行仿真，強(qiáng)化學(xué)生知識點(diǎn)的掌握和理解能力，并在電子實(shí)習(xí)教學(xué)課程完成后增加創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)。在電子技術(shù)、電工技術(shù)等課程中核心知識點(diǎn)很多，對于在電子實(shí)習(xí)中沒有涉及的知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對其進(jìn)行仿真，并同時提供一些已經(jīng)完成的仿真程序，可以讓學(xué)生更直觀地了解電路工作原理，拓寬、加深對知識點(diǎn)的理解，避免出現(xiàn)以往死記硬背、考完試就忘記的現(xiàn)象。對于沒有納入電子技術(shù)實(shí)驗又非常重要的知識點(diǎn)，如運(yùn)算放大電路比例積分負(fù)反饋、一階暫態(tài)電路瞬態(tài)分析等內(nèi)容，也要求學(xué)生進(jìn)行虛擬在線仿真，加強(qiáng)對知識點(diǎn)的理解。并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生進(jìn)行難度較大的仿真，增強(qiáng)他們掌握運(yùn)用知識點(diǎn)的本領(lǐng)，進(jìn)一步提升創(chuàng)新能力。

4）建立大學(xué)生創(chuàng)新工作室，為學(xué)生繼續(xù)開展項目研究提供硬件保障和技術(shù)支持。在完成電子仿真及實(shí)驗后，不少優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)造力被激發(fā)，他們表達(dá)了類似的愿望，希望對電子實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的項目拓寬及技術(shù)探索。為此，工程實(shí)訓(xùn)中心建立大學(xué)生創(chuàng)新工作室，聘請有經(jīng)驗的教師作為學(xué)生導(dǎo)師，為學(xué)生在課外項目方案確定、仿真評估、實(shí)驗驗證過程中提供必要的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。同時，工程實(shí)訓(xùn)中心全力支持大學(xué)生創(chuàng)新項目的實(shí)施。

5）針對優(yōu)秀的學(xué)生，鼓勵他們參與教師科研項目，進(jìn)一步提升技術(shù)能力。對于在電子實(shí)習(xí)中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，工程實(shí)訓(xùn)中心教師根據(jù)每個學(xué)生的特長，讓他們分工合作，共同承擔(dān)一部分教師的科研任務(wù)，主要包括資料查閱、原理圖繪制、電子元器件封裝制作、仿真模型搭建、電路調(diào)試、數(shù)據(jù)測量等內(nèi)容。這樣可以更好地開闊學(xué)生的視野，較好地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識，拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)他們的潛力和創(chuàng)造力。

4 教學(xué)效果

通過學(xué)生仿真和實(shí)驗報告、調(diào)查問卷、師生座談和大學(xué)生創(chuàng)新項目等形式，了解到進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)習(xí)教學(xué)改革嘗試之后，廣大學(xué)生普遍感覺受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

個人自學(xué)能力明顯提高，對知識點(diǎn)的理解更加透徹 之前在課堂上學(xué)到的理論知識，到了電子實(shí)習(xí)階段，不少學(xué)生已經(jīng)忘記很多。為了完成電子實(shí)習(xí)仿真作業(yè)，團(tuán)隊成員前期必須翻看之前課本教材，查閱仿真技術(shù)資料，搭建仿真模型及進(jìn)行仿真分析，通過虛擬仿真可以幫助他們有效理解、掌握相關(guān)知識點(diǎn)，掌握技術(shù)研究仿真模擬算法，提高運(yùn)用電子知識的能力。

采用仿真技術(shù)有效提高電子實(shí)習(xí)效率 前期仿真學(xué)生花費(fèi)的時間雖然較長，但主要是占用他們的課前課后時間，學(xué)生在自己搭建仿真電路并進(jìn)行仿真調(diào)試的過程中，已經(jīng)對電路工作原理有了比較清晰的認(rèn)識，后期手動焊接電路調(diào)試階段的時間大大縮短，提高了電子實(shí)習(xí)效率。

增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力 不少學(xué)生在實(shí)習(xí)報告心得體會一欄寫到實(shí)習(xí)的最大體會，就是學(xué)習(xí)了如何掌握電子知識的正確的學(xué)習(xí)方法。仿真對電子實(shí)習(xí)幫助很大，通過增加虛擬仿真等環(huán)節(jié)，使得學(xué)生可以更好地理解目前實(shí)驗室不具備的實(shí)驗項目，使得他們采用虛擬仿真等手段對感興趣的項目進(jìn)行仿真分析，這也激發(fā)了他們的創(chuàng)新能力。不少學(xué)生在實(shí)驗報告后續(xù)項目中列出不少新穎的提案，也有不少學(xué)生建議把仿真提前應(yīng)用于之前的電子技術(shù)和電工技術(shù)的教學(xué)中去。

培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神及溝通能力 電子技術(shù)實(shí)習(xí)過程中由于任務(wù)繁重，學(xué)生需要進(jìn)行分組實(shí)驗。在實(shí)習(xí)過程中如何搭建仿真模型，如何進(jìn)行參數(shù)調(diào)整及模擬異常情況，以及后續(xù)的動手實(shí)操環(huán)節(jié)等，都需要組內(nèi)學(xué)生共通討論、分工合作，一榮俱榮，一損俱損。每個學(xué)生要發(fā)揮自己的作用，做好自己的工作內(nèi)容，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都會影響到小組成績。為了保證實(shí)習(xí)的正常進(jìn)行，需要學(xué)生發(fā)揮主動性，除了完成自己的工作，對于組內(nèi)其他學(xué)生在工作中出現(xiàn)的問題都要及時提供幫助，在這個過程中也無形地培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和溝通能力。

5 結(jié)語

通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，應(yīng)用在以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實(shí)習(xí)教學(xué)中，對電子實(shí)習(xí)教學(xué)模式和考核方法進(jìn)行改革，增加課前預(yù)習(xí)仿真作業(yè)，重視仿真對實(shí)習(xí)過程的理論指導(dǎo)作用，通過仿真加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和靈活運(yùn)用，并在此基礎(chǔ)上拓寬學(xué)生的仿真范圍，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，有效提高了電子實(shí)習(xí)教學(xué)的質(zhì)量，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]任喜偉，張震強(qiáng)，閆紅超.基于CDIO理念的電子實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)改革探究[J].黑龍江教育：高教研究與評估版，2016（4）：16-17.

[2]汪敬華，趙春鋒，等.引入CDIO工程教育理念的電子實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2012（30）：132-134.

[3]孫立輝，王海彪.CDIO教學(xué)模式下電子實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育與職業(yè)，2014（35）：132-133.

[4]劉美華，李建明，屈喜龍.基于CDIO項目教學(xué)法的電工電子實(shí)習(xí)改革與實(shí)踐：以湖南工程學(xué)院為例[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2014（4）：103-106.

[5]陳新兵，謝斌盛，龍曉莉，等.CDIO理念下的電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計[J].中國電力教育，2014（36）：195-196.

[6]施向軍.CDIO模式下的實(shí)習(xí)產(chǎn)品開發(fā)：以電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)為例[J].科學(xué)大眾：科學(xué)教育，2014（6）：99.endprint