基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

熊潔 李加升 林琳

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電子技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了一種基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式，分析了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的含義和虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程體系作用，最后給出了基于虛擬仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的具體實(shí)施方案，通過(guò)本文給電子技術(shù)教學(xué)改革和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式提供了一種途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；任務(wù)驅(qū)動(dòng)式；電子技術(shù)；動(dòng)手能力；創(chuàng)新能力

一、 引言

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》中提出把改革創(chuàng)新作為教育發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，創(chuàng)新人才培養(yǎng)體制，改革教學(xué)內(nèi)容、方法、手段。我校作為一所應(yīng)用型地方本科院校，在強(qiáng)化人才培養(yǎng)中心地位的同時(shí)，不斷深化教學(xué)改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)的創(chuàng)新應(yīng)用型專門人才。而電子技術(shù)課程是電子電氣類非常重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，又是實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)課程，對(duì)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著非常重要的作用。因此探尋一種新的電子技術(shù)教學(xué)模式有著很重要的意義?；诖?，本文提出一種基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式，以“任務(wù)”為目標(biāo)，以“學(xué)生”為主體，以“虛擬仿真”為手段，驅(qū)動(dòng)學(xué)生開展探究式的主動(dòng)學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，通過(guò)“任務(wù)”的完成，使學(xué)生具有強(qiáng)烈的“成就感”和“獲得感”，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

二、 傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題

電子技術(shù)是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性都非常強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力要求非常高，其實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的比重在課程體系中非常大。傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問(wèn)題：

1. 傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)中都是以老師為主體，由老師確定講課的內(nèi)容，輔以PPT播放，學(xué)生在課堂中被動(dòng)地接受知識(shí)，沒有更多自己選擇和思考的時(shí)間和空間，因此教學(xué)效果大打折扣。

2. 傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)方式是理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分開進(jìn)行的，在講解比較抽象難以理解的理論知識(shí)時(shí)，教師一般都是對(duì)照PPT上的電路圖，對(duì)工作原理進(jìn)行分析，對(duì)一些理論公式進(jìn)行推導(dǎo)，完成知識(shí)點(diǎn)的講授，但這種方式對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)沒有直觀的感受，印象不深，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解不透徹，往往使得教學(xué)效果大打折扣。

3. 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)室里，先由教師講授實(shí)驗(yàn)原理，后由學(xué)生自己動(dòng)手在實(shí)驗(yàn)箱上操作，而實(shí)驗(yàn)箱一般都是模塊化電路，省掉了學(xué)生設(shè)計(jì)電路、自主搭建電路的部分，導(dǎo)致大部分的實(shí)驗(yàn)成了只注重輸入輸出關(guān)系的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)的獲得感不強(qiáng)。另外，由于實(shí)驗(yàn)課都有時(shí)間的限制，學(xué)生只能在有限的時(shí)間里完成實(shí)驗(yàn)，離開實(shí)驗(yàn)室就無(wú)法繼續(xù)開展，所以留給學(xué)生自主思考、解決問(wèn)題和自主設(shè)計(jì)的時(shí)間很短，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果一般。

4. 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)由于受到場(chǎng)地、資金的限制，往往存在設(shè)備陳舊，更新?lián)Q代不及時(shí)；大型貴重儀器數(shù)量少，無(wú)法滿足學(xué)生人數(shù)不斷增長(zhǎng)的需求；儀器損壞之后，無(wú)法迅速及時(shí)的修復(fù)等情況。使得實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)正確率不高，影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)跟不上技術(shù)的發(fā)展等問(wèn)題。

5. 在教學(xué)中，有些知識(shí)點(diǎn)從理論上分析學(xué)生能夠理解，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)楝F(xiàn)象存在的時(shí)間較短，實(shí)驗(yàn)中很難比較好的再現(xiàn)這些現(xiàn)象，如振蕩器起振的過(guò)程、競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象等。

三、 “任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)的含義

“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法”的提法來(lái)源于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，其中心思想認(rèn)為：學(xué)生應(yīng)該是知識(shí)的主動(dòng)接受者，是獲得信息后的加工者，學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程應(yīng)該是積極主動(dòng)的，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，其目的就是要讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。“任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”以任務(wù)為手段，推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)去尋求解決問(wèn)題的方法，在完成任務(wù)的過(guò)程中來(lái)獲得知識(shí)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中以教授知識(shí)為主的理念，將要講授的知識(shí)點(diǎn)隱含到布置的任務(wù)中去，學(xué)生通過(guò)由“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，探求方法，提出方案，解決問(wèn)題，完成任務(wù)”這一過(guò)程，完成新知識(shí)的獲取，同時(shí)也使學(xué)生有解決問(wèn)題之后的成就感，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)的“填鴨式”教學(xué)為主動(dòng)的“探究式”教學(xué)，讓學(xué)生在這過(guò)程中逐漸形成自主學(xué)習(xí)、運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)體系，潛移默化地提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

四、 虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程體系中的作用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在各行各業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在電子技術(shù)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)則在電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。虛擬仿真技術(shù)讓我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的操作來(lái)模擬一個(gè)真實(shí)的電路或系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，能直觀地展現(xiàn)操作過(guò)程和現(xiàn)象結(jié)果，具有逼真的效果。以虛擬代替現(xiàn)實(shí)、用軟件替代硬件是虛擬仿真最大的特點(diǎn)。電子技術(shù)中常用的仿真軟件主要有美國(guó)NI公司的Multisim、Labview軟件、英國(guó)Labcenter electronics公司的Proteus軟件、美國(guó)MathWorks公司的Matlab軟件、Altium公司的Altium Designer軟件。這幾款軟件在電子技術(shù)課程中的應(yīng)用如下表：

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到電子技術(shù)教學(xué)中有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 虛擬仿真軟件提供了豐富的仿真元器件庫(kù)，各種實(shí)驗(yàn)室中常見的虛擬儀器儀表和各種電子電路的模板電路。有的還提供了逼真的元器件和儀器儀表的實(shí)際效果圖，讓學(xué)生用鼠標(biāo)操作過(guò)程有一種像在實(shí)驗(yàn)室里用手操作的體驗(yàn)，也給學(xué)生提供了一個(gè)熟悉各種元器件和練習(xí)使用儀器儀表的途徑。例如，下圖給出的Multisim軟件中的泰克示波器和實(shí)際示波器面板的對(duì)比：上圖為軟件中的泰克示波器面板，下圖為實(shí)際的泰克示波器面板，可以看到幾乎是一樣的。

2. 虛擬仿真軟件給學(xué)生構(gòu)建了一個(gè)屬于學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生通過(guò)自己的計(jì)算機(jī)，安裝上電子仿真軟件，就相當(dāng)于進(jìn)入到了實(shí)驗(yàn)室，可以按照自己的要求搭建虛擬電路，在虛擬的平臺(tái)上開展自己的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，而且還不受時(shí)間和空間的限制。另外，在虛擬的環(huán)境中可以開展成本相對(duì)較高、由于破壞性不可逆、危險(xiǎn)性較高或現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)很難再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，且不消耗實(shí)際的元器件，使得實(shí)驗(yàn)成本大大降低。

3. 虛擬仿真軟件具有很強(qiáng)的逼真度和互動(dòng)性，可以讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的操作感，從而提高了仿真實(shí)驗(yàn)的趣味性，增加了學(xué)生的參與熱情。

五、 基于虛擬仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的具體實(shí)施

基于仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式結(jié)構(gòu)可以用下面的方框圖表示：

具體實(shí)施方法：課前，教師依據(jù)大綱的教學(xué)內(nèi)容給定一個(gè)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)或問(wèn)題，并從給定的任務(wù)和問(wèn)題中分離出大綱中需要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生帶著任務(wù)從書本或查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料中自主學(xué)習(xí)，來(lái)獲取有用信息，進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，找到自己學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。課中，教師在課堂教學(xué)中對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)地講解，并對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行講解，設(shè)計(jì)結(jié)果用仿真軟件驗(yàn)證，讓學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)和教師的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，從而發(fā)現(xiàn)自己的問(wèn)題所在。課后，教師布置相應(yīng)的任務(wù)強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的掌握。

采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的好處在于：虛擬仿真軟件能提供一個(gè)良好的實(shí)踐平臺(tái)，不局限于時(shí)間和場(chǎng)地的約束，只要有一臺(tái)電腦，就可以開展實(shí)踐。學(xué)生可借助于虛擬仿真軟件，自主地安排計(jì)劃，對(duì)于理論課上留下的疑點(diǎn)和難點(diǎn)，也可以通過(guò)虛擬仿真的形式進(jìn)行研究，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

通過(guò)以上的過(guò)程，學(xué)生帶著任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在“實(shí)踐中”學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，學(xué)生通過(guò)自己的努力，設(shè)計(jì)出了電路，給學(xué)生帶來(lái)了“成就感”和“獲得感”，提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力也有一定的提高。

具體教學(xué)案例，如555定時(shí)器及其應(yīng)用的理論教學(xué)：

1. 課前下達(dá)任務(wù)：對(duì)555定時(shí)器功能進(jìn)行測(cè)試，用555定時(shí)器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器的仿真電路。

2. 課堂教學(xué)中主要講解555定時(shí)器的工作原理和555定時(shí)器的兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用，講清楚課前下達(dá)任務(wù)的電路工作原理。

3. 課后布置設(shè)計(jì)任務(wù)：①觸摸定時(shí)控制開關(guān)設(shè)計(jì)（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用）；②簡(jiǎn)易電子琴電路設(shè)計(jì)（多諧振蕩器的應(yīng)用），要求設(shè)計(jì)出電路并用仿真軟件進(jìn)行仿真。

通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以讓學(xué)生對(duì)555定時(shí)器及應(yīng)用有非常深刻的理解。

六、 結(jié)束語(yǔ)

電子技術(shù)是實(shí)踐性和應(yīng)用性都非常強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此，將基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)手段應(yīng)用到電子技術(shù)教學(xué)中，以項(xiàng)目為手段，以仿真軟件為工具，綜合了虛擬仿真和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，解決傳統(tǒng)教學(xué)方式的一些弊端，為電子技術(shù)課程體系改革和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式提供了一種途徑。作為地方性應(yīng)用本科院校的一名教師，將在以后的教學(xué)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式發(fā)揮最大的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

熊潔，李加升，林琳，湖南省益陽(yáng)市，湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院。