無課堂自主學習模式在電工電子實驗教學中的實踐

張文正

(安徽三聯(lián)學院 基礎實驗教學中心，安徽 合肥 230601)

隨著“新工科”“智能制造”等概念的提出，國家對高校應用型人才培養(yǎng)方式提出了更高的要求，作為應用型人才培養(yǎng)的搖籃，各高校的人才培養(yǎng)體系也在不斷改進與完善。實驗教學是高校實踐教育的第一平臺，是人才培養(yǎng)方案中的重要組成部分，也是教學體系中的重要環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力的重要手段[1-2]。各高校由于學校的定位和特點不同，在實驗教學的內(nèi)容和方式上又會有所不同，其教學模式的改革和創(chuàng)新面臨著很大的困難。加上由于實驗教學本身受課時、場所和設備的限制，所有高校實驗教學都面臨著學生無法在課堂以外有效地獲得實驗相關(guān)能力和知識的問題。實驗教學受到了時間和空間的雙限制，因此，為了推動高校實驗教學改革，提升學校應用型人才培養(yǎng)能力，在高校的實驗教學中融入新的教學模式，是每一個從事實驗教學相關(guān)工作的老師都必須思考的問題。

1 現(xiàn)有高校實驗教學模式存在的問題分析

1.1 教學內(nèi)容方面

在高校人才培養(yǎng)體系中，實驗教學是不可或缺的一環(huán)。實驗教學直接關(guān)系到學生實踐和應用能力的培養(yǎng)，關(guān)系到學生能否成為一個合格的應用型人才。就目前情況看，我國大部分高校的實驗教學普遍存在的情況是實驗課程的設置具有一定的合理性和系統(tǒng)性[3]，但教學內(nèi)容比較陳舊，傳統(tǒng)實驗項目較多，課程內(nèi)容更新明顯滯后，缺乏與時俱進的時代性。而且大多數(shù)高校實驗教學的課程體系也比較單一，一般都是圍繞固定的學科和專業(yè)進行實驗教學設計，缺乏對新領域、新技術(shù)、新理念的跨學科交叉融合[4]。這樣的情況下，老師的授課內(nèi)容很容易脫離工程實際，學生的學習也容易缺乏相應的工程實踐，無法滿足現(xiàn)階段高校應用型人才培養(yǎng)體系的需要。

1.2 教學方法方面

在教學方法方面，以安徽三聯(lián)學院(以下簡稱本校)電工電子實驗教學為例，傳統(tǒng)的實驗教學依然采用教師在課堂上講授實驗相關(guān)理論知識，然后演示實驗操作過程，學生進行實驗操作，最后在課后撰寫實驗報告[5]。這種傳統(tǒng)的實驗教學模式，學生雖然能得到一定的鍛煉，但教學仍以老師為主，學生參與度并不高，沒有充分發(fā)揮學生的主觀能動性，學生在實驗教學的過程中都只是被動參與，缺乏主動思考，更談不到探究與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這種實驗教學模式嚴重制約了高校實驗教學的發(fā)展，無法滿足新形勢下人才培養(yǎng)的要求。

2 開展電工電子實驗教學無課堂自主學習模式的必要性

電工電子技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎，廣泛應用于人民生活的各個方面。電工電子技術(shù)理論已經(jīng)趨于成熟，涵蓋了電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等電學基礎知識體系。電工電子類課程是高校教學體系中的重要組成部分。電工電子實驗教學與理論教學相輔相成，是電工電子理論課程的實踐支撐，也是理論知識應用的平臺[6]。同時，實驗教學也是培養(yǎng)學生實驗探究能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。因此，為了適應新形勢下人才培養(yǎng)的需求，我們應該對電工電子實驗的教學模式進行多方位的思考。

以本校電工電子實驗教學為例，在傳統(tǒng)的教學模式下，學生很少會去主動反思實驗課程的內(nèi)容和方法。而且由于實驗課時較少，實驗課程又受實驗場所和實驗設備的限制，不論是時間上還是空間上都極大地限制了實驗教學的發(fā)展。老師的教與學生的學都只能在傳統(tǒng)的實驗室和實驗課上完成，使得老師“教”得不夠透徹，學生“學”得不夠深入。針對電工電子實驗教學傳統(tǒng)模式中的各種問題，通過選定合適的虛擬仿真軟件，構(gòu)建學生自主學習模式，能夠充分調(diào)動學生實驗學習的主動性[7]，提升學生探究和創(chuàng)新的能力。同時，在無法正常開課的情況下，還可以作為備用的教學手段，輔以線上課程的知識講解，利用無課堂自主學習教學模式，實現(xiàn)線上實驗教學。

3 構(gòu)建電工電子實驗教學無課堂自主學習模式

3.1 構(gòu)建基于Multisim的實驗仿真環(huán)境

電工電子實驗教學中常用的仿真軟件有LabVIEW、Multisim等。LabVIEW是一種虛擬儀器技術(shù)，通過虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器中的設備元件，可以構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，同時還具備網(wǎng)絡發(fā)布功能，用戶可以進行網(wǎng)絡測控，還能夠?qū)崿F(xiàn)基于網(wǎng)絡的虛擬實驗環(huán)境的遠程控制。但LabVIEW最大的不足是其無法對電子電路進行仿真，限制了它的適用范圍，因此無法完全滿足電工電子實驗教學的需要。而Multisim在電工電子教學中也是常用的一款經(jīng)典仿真軟件[8]，可以仿真電工電子各種電路，不受電路限制。但Multisim只是單純的仿真軟件，沒有網(wǎng)絡發(fā)布功能，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡測控和虛擬仿真環(huán)境的遠程控制。兩種軟件各有優(yōu)劣，只能根據(jù)實驗教學需求進行選擇。

本研究選擇Multisim作為仿真引擎是因為如果要搭建更高水平的虛擬仿真實驗平臺，那么仍解決不了傳統(tǒng)實驗教學空間限制的弊端，這樣對學生的硬件設備和計算機水平都要求較高，學生還是要依靠學校的虛擬仿真實驗室才能實現(xiàn)。雖然這個方向是目前實驗教學研究的大方向，可如果遇到疫情這種無法開課的情況，既不利于開設線上實驗教學，也不利于學生課下的預習和復習。所以將Multisim作為仿真引擎，學生可以方便地在自己的電腦上安裝軟件，然后輔以線上的實驗課程教學資料進行實驗仿真，既可以方便地得到實驗仿真數(shù)據(jù)，又可以完整地接受實驗知識。最后，制定相應的考核體系，實現(xiàn)學習、仿真、考核為一體的無課堂自主學習模式。

3.2 設計基于Multisim的虛實結(jié)合的教學模式

構(gòu)建一個基于Multisim仿真軟件的無課堂自主學習模式，利用學校網(wǎng)站相關(guān)實驗學習資料和學生手里的實驗教材，使得學生在課前、課后都能很好地學習和拓展電工電子實驗知識。學生不僅能夠更好地預習實驗課程相關(guān)內(nèi)容，也能自主學習、拓展和衍生相關(guān)的實驗知識，從而更好地掌握電工電子電路的優(yōu)化設計方法，培養(yǎng)學生對新知識、新技術(shù)的實踐研究及應用能力。同時，合理的考核體系還可以對學生的學習進行有效的掌控。

結(jié)合電工電子實驗課程的特性，依靠大多數(shù)大學生有一定的自主學習能力的特征，設計一種電工電子實驗教學無課堂自主學習模式(圖1)。此模式主要包括“課堂集中教學、課后分散實踐”兩大核心內(nèi)容。課堂集中教學是指在電工電子實驗課程規(guī)定的學時內(nèi)進行傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容教學，讓學生對整個實驗內(nèi)容有個全面和深入的認識。課后分散實踐則是指學生在實驗課前、課后分散自主學習，在課外，學生可以在學校網(wǎng)站上預習相關(guān)實驗內(nèi)容，實現(xiàn)課前預習，熟悉整個實驗的大致內(nèi)容和流程。對于疑惑不解的內(nèi)容，學生還可以通過Multisim軟件仿真數(shù)據(jù)驗證實驗結(jié)果，充分理解和掌握實驗內(nèi)容與知識。在設計性和綜合性實驗項目中，可以通過軟件仿真對比、總結(jié)，獲得更優(yōu)的實驗設計思路，以便在課時有限的實驗課堂上更好、更快地完成實驗內(nèi)容。同時，電工電子實驗無課堂自主學習模式可以成為實驗課程線上教學的備用手段，在一定的條件下實現(xiàn)線上實驗教學、模擬仿真、考核為一體的新型教學模式。此外，基于電工電子傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容，可以在網(wǎng)站上發(fā)布相關(guān)實驗的基礎學習資料(如實驗指導書、教學PPT等)。如有條件，發(fā)布相關(guān)實驗視頻教學內(nèi)容，便于學生自主學習。

圖1 無課堂自主學習模式

3.3 電工電子實驗無課堂自主學習模式的作用

3.3.1 加強實驗預習

現(xiàn)階段高校實驗課程的預習，大多數(shù)要求學生在上實驗課之前，預習實驗指導書上相關(guān)的實驗內(nèi)容，然后寫預習報告，這樣做的目的是讓學生在實驗課前熟悉實驗基本內(nèi)容。但僅僅只是看看書，寫寫預習報告，學生無法真正理解實驗內(nèi)容，從而導致學生對實驗課上的實驗過程和結(jié)果很茫然，課后撰寫實驗報告也無從下手。開發(fā)無課堂自主學習模式，學生可以在基礎實驗教學中心網(wǎng)站上找到預習的知識講解和教學資料，先進行實驗理論知識的自主學習，在遇到理解困難和茫然不解的問題時，學生可以通過Multisim來完成實驗的仿真。通過對實驗電路的搭建和運行，使學生初步理解實驗的原理，再通過仿真的結(jié)果和數(shù)據(jù)，加深對實驗的理解。如在仿真結(jié)果及仿真過程中出現(xiàn)一些不太理解的問題，帶著問題來實驗室進行硬件實驗，一是可以直觀觀察仿真軟件中所有電子元件的實物，二是根據(jù)仿真軟件的仿真過程和數(shù)據(jù)操作實驗加以比較，進而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，引發(fā)拓展性思考。

3.3.2 建立實驗互動關(guān)系

實驗課堂教學內(nèi)容可以與課下自學仿真內(nèi)容相互結(jié)合，形成一種互動關(guān)系。在傳統(tǒng)的實驗教學課堂上，老師詳細講授實驗相關(guān)理論知識和實驗操作方法，學生在老師的指導下利用實驗設備完成實驗學習。在講授的過程中，對于那些課堂講解費時費力的教學內(nèi)容或拓展性的知識點，老師以相關(guān)習題和思考題的形式布置給學生，學生在課后可以通過Multisim軟件仿真自主拓展學習。在自主學習的過程中，會引發(fā)學生的自主思考、自主探索研究，使得學生可以注意到在實驗課堂上那些被忽略的實驗現(xiàn)象與問題，加深對實驗知識的理解，積累實用性的拓展知識和經(jīng)驗，引導學生把理論與實踐結(jié)合起來，建立一種老師與學生、課上與課下的良好互動關(guān)系。

3.3.3 實踐與創(chuàng)新能力的拓展

對于實驗教學中的一些綜合性實驗和設計性實驗，老師可以在課前布置任務，讓學生根據(jù)實驗相關(guān)知識和原理，利用Multisim仿真軟件進行電路設計仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進行分析，得到最優(yōu)的電路設計方案。然后，在實驗課上對自己的設計方案進行驗證，進而提高學生分析問題和解決問題的能力，掌握電路設計的一般方法，拓展學生的思維能力和實踐創(chuàng)新能力。

4 無課堂自主學習模式在電工電子綜合實驗中的實踐

4.1 實驗項目——直流穩(wěn)壓電源的設計

直流穩(wěn)壓源是電子電路及儀器設備中不可或缺的元件，設備的正常工作都需要穩(wěn)定的直流電源供電。單相交流電經(jīng)過電源變壓器降壓之后進入整流電路，對降壓后的單項交流電進行整流，使交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后濾波電路對整流后的直流電壓濾波，目的是減小電壓脈動使輸出電壓平滑，最后穩(wěn)壓電路再對其進行穩(wěn)壓，使輸出電壓獲得足夠高的穩(wěn)定性。直流穩(wěn)壓源就是基于這一原理設計制造的。

4.2 電路設計框圖

設計的電路框圖見圖2。根據(jù)直流穩(wěn)壓源的原理，直流穩(wěn)壓源主要包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。在電子電路中，對直流穩(wěn)壓源最后的輸出電壓要求極高，因此穩(wěn)壓電路的設計尤為重要。

圖2 電路設計框圖

4.3 穩(wěn)壓電路的設計方案選擇

穩(wěn)壓電路又分為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路(圖3)。由于課時有限，學生在實驗課上不可能驗證所有穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果。通過無課堂自主學習模式可以在課前進行實驗預習與實驗仿真，利用Multisim軟件對幾種穩(wěn)壓電路依次進行仿真，驗證穩(wěn)壓效果，選出合理的穩(wěn)壓電路設計，在實驗課中進行實際電路驗證。

圖3 穩(wěn)壓電路

(1) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈2.4%。

(2) 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈1.1%。

(3) 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路數(shù)據(jù)處理

穩(wěn)壓系數(shù)S的計算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)ΔUo，代入本次實驗數(shù)據(jù)得S≈0.3%。

通過3種不同的穩(wěn)壓電路的輸出電壓波形圖和數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，不同類型的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓系數(shù)不同，穩(wěn)壓效果不同。通過Multisim仿真，可以根據(jù)設計要求合理地設計直流穩(wěn)壓源的穩(wěn)壓電路，選擇最優(yōu)設計方案。這在傳統(tǒng)實驗課上和有限的課時內(nèi)是沒有足夠的時間進行穩(wěn)壓電路的設計分析的，所以學生利用無課堂自主學習模式可以更好地預習實驗課程相關(guān)內(nèi)容，也能進行自主學習，拓展和衍生相關(guān)的實驗知識，從而更好地掌握電子電路現(xiàn)代化設計方法，培養(yǎng)學生對新知識的掌握及應用能力。

5 結(jié) 論

本文主要是基于Multisim虛擬仿真軟件構(gòu)建無課堂自主學習模式。在電工電子綜合實驗中，應用Multisim虛擬仿真軟件，不僅可以對實驗項目進行預習，也可以通過Multisim虛擬仿真軟件的仿真結(jié)果，得出最佳的實驗設計方案，還可以作為實驗課程輔助教學手段，使得學生在課前課后都能進行實驗知識的學習，獲得實驗能力的培養(yǎng)，有效解決傳統(tǒng)實驗教學“時間”和“空間”的限制問題。