虛擬現(xiàn)實(shí)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

王 爽，支忠山，汪琴芳

(合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，合肥 230031)

工科類高職院校電類相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)具備電氣裝備、機(jī)電裝備、電子產(chǎn)品等的裝配、調(diào)試、維護(hù)維修的應(yīng)用技能和初步具有簡(jiǎn)單電氣、機(jī)電、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造能力的高級(jí)技能型應(yīng)用人才。學(xué)生面向的工作崗位范圍廣、種類多，因此在教與學(xué)的過(guò)程中尤其需注重學(xué)生技能素質(zhì)培養(yǎng)。

模擬電子技術(shù)是電類相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，直接影響后續(xù)各專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。該課程由于概念多、難點(diǎn)多、枯燥、抽象等特征使得學(xué)習(xí)難度很大。與高等數(shù)學(xué)、電路基礎(chǔ)等先修的課程強(qiáng)調(diào)理論性不同，該課程更注重的是理論與實(shí)際的結(jié)合，著眼于培養(yǎng)學(xué)生分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)電子線路的能力。因此在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新教學(xué)手段、優(yōu)化教學(xué)資源、巧用虛擬技術(shù)輔助教學(xué)實(shí)施，將抽象的概念具象化，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]-[3]。

1 現(xiàn)行模擬電子技術(shù)教學(xué)存在的問(wèn)題與解決方案

傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)的教學(xué)采用理論課與實(shí)驗(yàn)課分開(kāi)進(jìn)行的教學(xué)模式。理論課上花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)講授元器件特性和單元電路分析，學(xué)生感受不到重點(diǎn)、體會(huì)不到電路的實(shí)際用途，失去了理論指導(dǎo)實(shí)踐的意義。現(xiàn)行不少院校為了解決傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，將課堂搬到實(shí)訓(xùn)室，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、案例驅(qū)動(dòng)、教學(xué)做一體化等教學(xué)方法。這種改革出發(fā)點(diǎn)是以實(shí)際應(yīng)用帶動(dòng)教學(xué)，讓學(xué)生更加直觀地感受課程的意義，但是受實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高昂等客觀條件的限制，學(xué)習(xí)效率依然低下，學(xué)生的技能水平總是得不到有效的培養(yǎng)。從實(shí)訓(xùn)教學(xué)的角度來(lái)看，高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)難以全面實(shí)現(xiàn)的原因主要源于以下幾個(gè)方面：

(1)實(shí)訓(xùn)室硬件資源有限。盡管不少高職院校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備臺(tái)套數(shù)充足，但設(shè)備主要用于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的電路和步驟在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)后對(duì)電路的理論知識(shí)仍然是一知半解；隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種新型元器件、芯片不斷更新?lián)Q代，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室不僅不能及時(shí)更新最新的元器件，還同時(shí)存在儀器和元器件的損壞問(wèn)題，影響了實(shí)際的教學(xué)效果。

(2)教師資源有限。單個(gè)教師很難做到對(duì)整個(gè)班級(jí)所有的學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)，以至于教學(xué)質(zhì)量都難以保障，因此設(shè)計(jì)類、創(chuàng)新類、自主探究類的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展是難上加難，這是高職院校教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題。

(3)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情低。大部分高職院校的學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠，對(duì)于枯燥的專業(yè)課知識(shí)很難提起興趣，過(guò)分依賴網(wǎng)絡(luò)，沉迷于抖音、快手等小視頻的錄制和絕地求生等虛擬體驗(yàn)類游戲。

要充分解決上述問(wèn)題，首先要使模擬電子技術(shù)課程的案例跟得上時(shí)代進(jìn)步的速度，并能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并鼓勵(lì)創(chuàng)新。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并能與人進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，使用者通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件感受到“身臨其境”的體驗(yàn)，打破了客觀條件的限制。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于模擬電子技術(shù)教學(xué)，既能克服原本介紹性講解的機(jī)械化和模式化的缺點(diǎn)，增添了課程的趣味性和啟發(fā)性，使學(xué)生獲得身臨其境的體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)效率；又不受客觀條件的限制，可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自主設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)[4]。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬電子技術(shù)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)和實(shí)施

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)越性，以我院2018級(jí)電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)為改革對(duì)象，構(gòu)建了虛擬仿真模擬電子技術(shù)課堂。NI Multisim由美國(guó)國(guó)家儀器公司出品，專門用于進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)和仿真，配備有豐富的元器件庫(kù)，提供了大量的虛擬測(cè)試儀器儀表和較為詳細(xì)的電路分析功能，且Multisim軟件的元器件庫(kù)不受客觀條件的限制，可以讓學(xué)生在如同游戲般的虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)并創(chuàng)新[5]。圖1為Multisim軟件的部分元器件圖形，非常逼真形象。

圖1 Multisim軟件3D元器件庫(kù)

課程以“擴(kuò)音機(jī)的設(shè)計(jì)與制作”作為載體，包含三個(gè)子任務(wù)：“直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作”、“音頻前置放大器的設(shè)計(jì)與制作”、“功率放大器的設(shè)計(jì)與制作”。以任務(wù)一(直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作)為例，每個(gè)任務(wù)的教學(xué)實(shí)施是采用以下步驟完成的。

2.1 任務(wù)導(dǎo)入

2.1.1 借助虛擬仿真技術(shù)軟件平臺(tái)，導(dǎo)入任務(wù)內(nèi)容并逐步展示半波整流、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓的結(jié)果，學(xué)生在學(xué)習(xí)之前對(duì)于構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源的各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。圖2為直流穩(wěn)壓電源各環(huán)節(jié)示波器顯示波形。

圖2 直流穩(wěn)壓電源各環(huán)節(jié)輸出波形

2.1.2 利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境讓學(xué)生明確教學(xué)任務(wù)中應(yīng)當(dāng)掌握的具體理論知識(shí)及其動(dòng)手能力。同時(shí)，在虛擬課程教學(xué)過(guò)程中學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：

(1)能夠正確識(shí)別、檢測(cè)和選用電阻、電容、二極管、集成三端穩(wěn)壓器等元器件；

(2)能夠理解直流穩(wěn)壓電源電路原理；

(3)能夠通過(guò)電路設(shè)計(jì)要求在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境上搭建電路；

(4)在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中熟練使用萬(wàn)用表、示波器等進(jìn)行電路參數(shù)測(cè)試；

(5)能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)室對(duì)制作完成的電路進(jìn)行調(diào)試以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求。

通過(guò)以上內(nèi)容掌握與理解，使得學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中以及今后的工作中樹(shù)立了自信心和積極性。

2.1.3 根據(jù)各學(xué)生的性格、學(xué)習(xí)特點(diǎn)、能力來(lái)進(jìn)行分組，這種分組方式的目標(biāo)是組員之間的關(guān)系達(dá)到最適合協(xié)作學(xué)習(xí)的狀態(tài)，并選出組長(zhǎng)，給出任務(wù)完成的期限和評(píng)價(jià)方式，學(xué)生開(kāi)始有了協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

2.2 制定計(jì)劃

每小組對(duì)直流穩(wěn)壓電源的制作這個(gè)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，明確任務(wù)涉及的各個(gè)要素，成員之間相互協(xié)作共同學(xué)習(xí)，確定任務(wù)的具體實(shí)施步驟，做足充分的準(zhǔn)備工作。最終，由每小組組長(zhǎng)提交詳細(xì)的計(jì)劃書，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及文字表達(dá)能力都得了鍛煉和加強(qiáng)。

2.3 實(shí)施計(jì)劃

各小組按照提交的計(jì)劃書逐步在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)施，直到完成全部任務(wù)。課堂上，教師指導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行操作，課下通過(guò)建立的小組交流群與學(xué)生進(jìn)行交流。在按步實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生逐步收獲課程知識(shí)和動(dòng)手能力，并體會(huì)到具體工作的流程，不僅進(jìn)行了知識(shí)的建構(gòu)更加形成了職業(yè)崗位能力。

2.4 展示與評(píng)價(jià)

各小組由組長(zhǎng)或者自主選擇一位成員，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上展示小組成果，并在實(shí)驗(yàn)室搭接、調(diào)試、驗(yàn)證具體的電路，同時(shí)接受教師和其他組別成員的提問(wèn)進(jìn)行答辯；答辯后撰寫詳細(xì)總結(jié)報(bào)告，并指出本組成果對(duì)比其他組的優(yōu)缺點(diǎn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工科類高職院校教學(xué)中作用

目前國(guó)家正大力發(fā)展高等職業(yè)教育，今年上半年又面向社會(huì)人員擴(kuò)招100萬(wàn)，因此給高職院校尤其是工科類高職院校的硬、軟件教學(xué)資源帶來(lái)了巨大的壓力。工科類高職院校教學(xué)普遍存在：學(xué)院儀器設(shè)備的更新速度跟不上電子技術(shù)的飛速發(fā)展；師生比例偏低；工科理論知識(shí)枯燥且難以掌握等問(wèn)題。因此高職院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)難以順利實(shí)現(xiàn)。

我院在模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)改革中，除了將課程內(nèi)容重新整合采用項(xiàng)目教學(xué)以外，還引入了虛擬仿真技術(shù)貫穿了每個(gè)任務(wù)的所有環(huán)節(jié)。虛擬仿真技術(shù)提供的生動(dòng)、較真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境激發(fā)了學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)熱情，且虛擬仿真技術(shù)具有不受客觀條件限制的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性教學(xué)開(kāi)拓了學(xué)生視野、提高了學(xué)生素質(zhì)。

改革中采用的虛擬仿真技術(shù)屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種，Multisim軟件提供的3D效果僅從視覺(jué)給學(xué)生提供了虛擬感受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心生成虛擬環(huán)境，使用戶與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行自然交互，并從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)獲得與真實(shí)世界相同感受的系統(tǒng)仿真。目前，我院在本次改革的成果上結(jié)合Multisim的強(qiáng)大電路設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試功能和3DwebMaster虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)作軟件正積極組建更合理的虛擬環(huán)境，進(jìn)一步將虛擬現(xiàn)實(shí)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的價(jià)值發(fā)揮出來(lái)。