中職虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用
——以電工電子課程為例

錢忠明

(江蘇省姜堰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 泰州 225500)

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，從業(yè)人員的素養(yǎng)也越來(lái)越高。這對(duì)于培養(yǎng)技術(shù)工人的中職而言，做好電工電子的教學(xué)工作，是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。由于電工電子理論的抽象性、基礎(chǔ)性和實(shí)踐性。面對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)較差，主觀能動(dòng)性和自律性欠缺的中職生以及教學(xué)設(shè)施和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所不足的現(xiàn)狀[1]，為發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性、提高學(xué)習(xí)效率、利用電路仿真軟件構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)并引入教學(xué)，可謂水到渠成。從我校和兄弟院校的調(diào)查結(jié)果也可看出，通過(guò)虛擬實(shí)訓(xùn)，確實(shí)讓學(xué)生的學(xué)習(xí)勁頭和學(xué)習(xí)效率得到提升，查看仿真軟件Multisim的官網(wǎng)也發(fā)現(xiàn)：“全球各地的教師已廣泛使用Multisim來(lái)進(jìn)行模擬、數(shù)字和電力課程中基礎(chǔ)和高級(jí)概念的教學(xué)?！?/p>

1 虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的作用及優(yōu)勢(shì)

學(xué)生可以調(diào)用軟件自帶的元器件搭建各種電路，并模擬出真實(shí)結(jié)果，通過(guò)自帶儀器儀表，觀察電的變化，分析電路，并掌握多種儀器的使用。常見的仿真軟件有Altium、Proteus、Multisim等，對(duì)于電工電子的仿真，美國(guó)國(guó)家儀器開發(fā)的Multisim進(jìn)入國(guó)內(nèi)較早、優(yōu)勢(shì)明顯，其特點(diǎn)是把電路圖輸入、spice仿真器、元件庫(kù)、儀器庫(kù)，集成在一起，常用它來(lái)搭建虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、進(jìn)行教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用，我校也選擇Multisim作為虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，此平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)步驟過(guò)程：參照電路圖→選擇元器件，搭建電路→接上所需的儀器儀表→選擇合適分析方法，仿真→分析獲取的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論[2]。教學(xué)實(shí)踐表明：虛擬實(shí)訓(xùn)在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、降低辦學(xué)成本、確保人機(jī)安全、拓寬教師教學(xué)手段等方面有著極大的功效。

1.1 理論緊扣實(shí)踐，變抽象為形象，激發(fā)學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性

電工電子課程不僅要求學(xué)生掌握電路原理，建立相應(yīng)的思維方式、具備必要操作技能，也是后續(xù)電類專業(yè)課的基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是概念多，內(nèi)容抽象難以理解。不少中職生感到電路理論深?yuàn)W難懂，找不到學(xué)習(xí)突破口。這些困惑降低學(xué)習(xí)興趣，打擊學(xué)習(xí)主動(dòng)性，喪失學(xué)習(xí)信心。幸而，虛擬實(shí)訓(xùn)很大程度上解決了電工電子理論與實(shí)際脫節(jié)的問(wèn)題。該平臺(tái)允許學(xué)生借助虛擬儀表對(duì)電路進(jìn)行深入觀察，檢測(cè)和分析各種數(shù)據(jù)和波形，做到理論知識(shí)與實(shí)際工作相結(jié)合，抽象的理論具體化。在此過(guò)程中，高仿的儀器儀表，即能提供相關(guān)數(shù)據(jù)，又能體驗(yàn)操作方法，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)效果[3]。

1.2 減少實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，提升教學(xué)效率，降低硬件投入

在實(shí)踐中，為保證學(xué)生的訓(xùn)練質(zhì)量，往往需要足夠大的訓(xùn)練場(chǎng)所、龐雜的元器件、設(shè)備、以及必要的設(shè)備維護(hù)等。由于技術(shù)的發(fā)展，即使投入再多的硬件資源也難以滿足學(xué)生的實(shí)訓(xùn)需求，昂貴的資金消耗和繁雜的管理事務(wù)讓學(xué)校難以承擔(dān)，教師也不堪重負(fù)。

適當(dāng)?shù)挠布捅匾能浖刖湍艽罱ㄌ摂M訓(xùn)練平臺(tái)，平臺(tái)自帶的各種元器件和儀器儀表能夠按要求設(shè)置，進(jìn)行電工、電子等項(xiàng)目訓(xùn)練，并且隨著軟件的升級(jí)，還會(huì)引入各種新的元器件、新的儀表，并且在此基礎(chǔ)上可以向其它電類專業(yè)課滲透，例如MCU，PLC等。針對(duì)電工電子實(shí)訓(xùn)要求具備龐雜儀器儀表、元器件化、高消耗的特點(diǎn)，使用虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)即可滿足多樣化的教學(xué)要求，學(xué)生有著充足的實(shí)訓(xùn)時(shí)間，設(shè)備利用率也獲得提升，學(xué)校又不必投入過(guò)多的教學(xué)成本，可謂中職學(xué)校提高電工電子教學(xué)水平的良好平臺(tái)[4]。

1.3 及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)錯(cuò)誤，減少無(wú)謂損失，確保實(shí)訓(xùn)安全

在電工電子實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤操作，不僅會(huì)損傷設(shè)備，甚至因觸電，短路等嚴(yán)重錯(cuò)誤造成不必要的人身傷害和心理恐慌。

虛擬實(shí)訓(xùn)的引入可以降低或消除因錯(cuò)誤操作引起的實(shí)訓(xùn)結(jié)果與理論相差較大的現(xiàn)象。學(xué)生可以通過(guò)所測(cè)的數(shù)據(jù)，來(lái)判別實(shí)訓(xùn)的正確性、合理性。教師可以結(jié)合實(shí)際及時(shí)給學(xué)生講解產(chǎn)生問(wèn)題的原因和解決方法，讓學(xué)生吸取教訓(xùn)并加以改正，如此反復(fù)訓(xùn)練后，學(xué)生再進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)就會(huì)更加安全，獲取更合理的實(shí)訓(xùn)成果，極大地降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，確保師生和設(shè)備的安全。

2 虛擬實(shí)訓(xùn)的不足

盡管虛擬實(shí)訓(xùn)改變了傳統(tǒng)的電工電子技術(shù)教學(xué)模式，可以給學(xué)生、學(xué)校和教師帶來(lái)好處，也能保證設(shè)備和學(xué)生的安全，但不可否認(rèn)，在安全操作、工藝練習(xí)等方面仍存在一些不足[5]。

2.1 由于軟件的復(fù)雜和學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)較差，導(dǎo)致學(xué)生信心不足

在Multisim仿真軟件中，由于該軟件是從工程角度出發(fā)，考慮的因素較多，因此仿真的結(jié)果跟教材上介紹的結(jié)果可能不一致，例如在做橋式整流電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸出端的波形與課本上的波形完全不同，但儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)確一致，這會(huì)造成部分學(xué)生的學(xué)習(xí)困惑，從而懷疑該軟件的準(zhǔn)確性，使學(xué)生不能完全相信該軟件，這在我調(diào)查中，也有體現(xiàn)。

2.2 缺乏真實(shí)感知，不利于培養(yǎng)學(xué)生注重安全操作的意識(shí)

不少學(xué)生在應(yīng)用Multisim虛擬實(shí)訓(xùn)時(shí)，由于虛擬沒有危險(xiǎn)性，出現(xiàn)不重視電工電子實(shí)訓(xùn)的操作規(guī)程，例如，沒有先檢查電路，后接通電源，再仿真的習(xí)慣；導(dǎo)線亂放[6]，不注意美觀，虛擬實(shí)訓(xùn)畢竟不是真實(shí)的實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)，學(xué)生在訓(xùn)練時(shí)缺乏真實(shí)感知。 有些訓(xùn)練比如虛焊、接觸不良、元器件識(shí)別只有在操作臺(tái)進(jìn)行實(shí)際操作中才能感覺到，解決方法就是，教師在虛擬訓(xùn)練時(shí)，也視重真實(shí)訓(xùn)練中操作規(guī)程的講解的，做到實(shí)中有虛，虛中有實(shí)。但要明確一點(diǎn)：“如果虛擬實(shí)訓(xùn)得不到正確的結(jié)果，通常實(shí)際操作也不會(huì)成功?！?/p>

3 以電工電子課程為例，進(jìn)行中職虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用

從我校的多年實(shí)踐來(lái)看，在開展虛擬實(shí)訓(xùn)可從如下幾點(diǎn)選擇實(shí)訓(xùn)內(nèi)容∶

（1）根據(jù)專業(yè)的不同，分出層次，選擇合適的電路，將基本操作，基本電路側(cè)重于真實(shí)實(shí)際，將投資大，危險(xiǎn)性高的電路側(cè)重于虛擬實(shí)訓(xùn)。

（2）建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，通過(guò)分值的高低，讓學(xué)生明確自己需要掌握的內(nèi)容，哪些環(huán)節(jié)是自己沒能掌握的。

（3）開發(fā)校本教材，結(jié)合本校實(shí)際和學(xué)生基礎(chǔ)，選取合適的電路實(shí)訓(xùn)，并將建立電子文檔和相關(guān)資料，存到云盤中，讓需要的學(xué)生自行下載，研習(xí)，訓(xùn)練[7-8]。

鑒于虛擬實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，考慮到電工電子課程的理論性和實(shí)踐性，將虛擬實(shí)訓(xùn)融入課堂教學(xué)和技能訓(xùn)練中，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)，既能充分發(fā)揮課堂教學(xué)、仿真軟件和技能訓(xùn)練各自的優(yōu)勢(shì)，又能互補(bǔ)各自的劣勢(shì)，取得1+1＞2的效果，做到深?yuàn)W的理論形象生動(dòng)，虛擬實(shí)訓(xùn)逼近實(shí)際，技能操作安全高效，達(dá)到促進(jìn)教學(xué)實(shí)效、培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的小目標(biāo)。

4 典型虛擬實(shí)訓(xùn)舉例

教學(xué)實(shí)踐中，借助虛擬平臺(tái)的特點(diǎn)，精選部分典型電路，充分利用同一電路，利用平臺(tái)提供的儀器儀表和分析方法，驗(yàn)證電路理論，提高學(xué)生的分析能力，拓寬分析方法。

電路一、為一雙“T”形電路（圖1），

圖1 “T”形電路Fig.1 "T"-shaped circuit

可對(duì)電路做如下實(shí)訓(xùn)：

（1）測(cè)量R7電阻的電流、電壓、功率；

（2）戴維南定理驗(yàn)證；

（3）利用參數(shù)掃描方法：a把R7確定為負(fù)載，驗(yàn)證最大功率傳輸、繪制出功率曲線；b改變R5的值，找到等電位點(diǎn)。

電路二、為RLC串聯(lián)電路（圖2），

圖2 RLC串聯(lián)電路Fig. 2 RLC series circuit

可對(duì)電路做如下實(shí)訓(xùn)：

（1）測(cè)量R、L、C三元件的電壓，電流、功率，驗(yàn)證交流串聯(lián)電路理論；

（2）觀察電源和電阻的電壓波形；

（3）利用掃頻儀，找出諧振頻率，利用Multisim特有的“current clamp”工具，觀察諧振時(shí)，電壓與電流是否同相。

電路三、為一具有負(fù)反饋的多級(jí)放大器（圖3），可對(duì)電路做如下實(shí)訓(xùn)：

圖3 負(fù)反饋的多級(jí)放大器Fig. 3 Negative feedback multistage amplifier

（1）利用直流工作點(diǎn)分析，測(cè)量該電路所有靜態(tài)點(diǎn)，與理論計(jì)算值比較；

（2）測(cè)量電路的輸入輸出電阻以及電壓放大倍數(shù)，與理論計(jì)算值比較；

（3）確定電路的反饋形式，驗(yàn)證負(fù)反饋電路的特點(diǎn)；

（4）改變電路的反饋形式，繼續(xù)驗(yàn)證反饋電路的特點(diǎn)；

電路四、為JK觸發(fā)器（圖4）。

圖4 JK觸發(fā)器Fig. 4 JK trigger

可對(duì)電路做如下實(shí)訓(xùn)：觀察J、K及時(shí)鐘輸入端與Q端之間的關(guān)系，自擬表格，記錄數(shù)據(jù)，得出JK觸發(fā)器的規(guī)律。

5 結(jié)論

總之，基于仿真軟件的電工電子技術(shù)一體化的虛擬實(shí)訓(xùn)可充分發(fā)揮虛擬平臺(tái)在課堂教學(xué)和技能訓(xùn)練方面的優(yōu)勢(shì)，又可克服各環(huán)節(jié)的不足，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、降低學(xué)校辦學(xué)成本、減少安全事故發(fā)生、緩解教師教學(xué)負(fù)擔(dān)等方面作用明顯，是中職學(xué)校培養(yǎng)技術(shù)人員、提高電學(xué)教學(xué)質(zhì)量的有效教學(xué)模式。