基于Proteus仿真及競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的測(cè)控電路教學(xué)改革探索

楊海馬 江斌 劉鑫 李筠 張大偉 劉瑾

摘? 要 通過(guò)多年測(cè)控電路教學(xué)實(shí)踐工作的積累，以Proteus仿真軟件平臺(tái)為載體，以競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)模式為應(yīng)用手段，貫穿測(cè)控電路課程中的案例教學(xué)主線，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式，將各章節(jié)的內(nèi)容融于競(jìng)賽中常見(jiàn)的項(xiàng)目中，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主思考能力和在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用能力，為測(cè)控電路實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供一種方法參考。

關(guān)鍵詞 測(cè)控電路；Proteus；競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）14-0044-03

0? 引言

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息產(chǎn)業(yè)支柱之一，它的地位日益凸顯[1]。測(cè)控電路是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的一門(mén)學(xué)位專(zhuān)業(yè)必修課，同時(shí)是該專(zhuān)業(yè)的核心課程[2]。傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)是以檢測(cè)為基礎(chǔ)、傳輸為途徑、處理為手段、控制為目的的閉環(huán)系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)對(duì)測(cè)控電路的學(xué)習(xí)，可以把傳感器原理、單片機(jī)控制、智能儀器等相關(guān)課程連接起來(lái)，從而形成一個(gè)完整的智能測(cè)控系統(tǒng)體系[3]。該課程不是對(duì)電子學(xué)或電子技術(shù)課程的一般深化與提高，而是在測(cè)量和控制應(yīng)用與電子技術(shù)之間架起一座橋梁[4]。因此，學(xué)好測(cè)控電路對(duì)于測(cè)控專(zhuān)業(yè)的學(xué)生具有重要意義。

本課程具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)特性，需要有較好的先修課程的支持[5]。因此，測(cè)控電路的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備要求較高，學(xué)生需要具備電工技術(shù)、數(shù)模電、信號(hào)處理等課程知識(shí)。學(xué)生上課若不認(rèn)真學(xué)習(xí)，課后復(fù)習(xí)又存在許多疑問(wèn)且沒(méi)有興趣去解決，一環(huán)扣一環(huán)，會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題不斷積累但又無(wú)法解決的惡性循環(huán)，以致無(wú)法掌握該課程。

雖然測(cè)控電路對(duì)學(xué)生要求較高，但它并不是一門(mén)晦澀難懂的課程，而是由一個(gè)個(gè)真實(shí)的器件結(jié)合理論形成的電路，是有靈魂的，只要學(xué)生能對(duì)它產(chǎn)生興趣、投入精力，就可能學(xué)好這門(mén)課，同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)課程的復(fù)習(xí)與進(jìn)步。結(jié)合這幾年測(cè)控電路課程教學(xué)及競(jìng)賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)與科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者進(jìn)行總結(jié)、探索，提出基于Proteus仿真及競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的測(cè)控電路教學(xué)改革新思路。實(shí)踐表明：該方法教學(xué)效果好，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，吸引學(xué)生投入更多的精力去獨(dú)立思考、交流，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，在課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽中都能有不錯(cuò)的實(shí)踐應(yīng)用。

1? 教學(xué)理念與平臺(tái)介紹

在多年的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，工科的許多課程，如測(cè)控電路、電子電路、數(shù)模電等，課堂教學(xué)側(cè)重理論，不能在實(shí)踐環(huán)節(jié)及時(shí)跟進(jìn)，會(huì)讓學(xué)生感到枯燥、晦澀難懂，并且會(huì)打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，一些學(xué)生的電路知識(shí)基礎(chǔ)較差，對(duì)電路認(rèn)知比較抽象，更加難以理解和掌握測(cè)控電路的內(nèi)容。因此，教師需要找到一種模式方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)并能夠?qū)W以致用。學(xué)校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室由于設(shè)備和空間有限，不能滿足學(xué)生每次課后都及時(shí)做實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)上課的電路知識(shí)。本模式結(jié)合Proteus仿真軟件平臺(tái)，讓學(xué)生能夠及時(shí)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)所學(xué)電路內(nèi)容，在一次次成功的實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)中一步步地獲得成就感，以此提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力。Proteus是英國(guó)Labcen-ter公司開(kāi)發(fā)的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真等功能[6]。運(yùn)用Proteus，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)器材老化和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目不完整性等缺陷[7]。

Proteus豐富的電子元器件庫(kù)、清晰易懂的布線方式、簡(jiǎn)潔明了的操作界面，不僅能讓測(cè)控電路直觀地操作演示，學(xué)生還能夠快速上手，親手搭建電路、觀察現(xiàn)象。在Proteus中，可以很清晰地觀察電平的變化，直觀的感性認(rèn)識(shí)可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握[8-9]，因此，Proteus是非常適合本模式的一個(gè)工具。同時(shí)，近幾年，很多競(jìng)賽、項(xiàng)目的出現(xiàn)，許多學(xué)生也很感興趣。若要參加這些競(jìng)賽或項(xiàng)目，學(xué)生需要掌握比較過(guò)硬的電路知識(shí)，比如電子設(shè)計(jì)大賽。于是，結(jié)合實(shí)際，提出一種基于競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式探索。結(jié)合Proteus仿真軟件平臺(tái)與測(cè)控電路理論知識(shí)，學(xué)生在課后能夠及時(shí)復(fù)習(xí)鞏固課堂內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)習(xí)知識(shí)，養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣和能力，并能在競(jìng)賽中學(xué)以致用，取得較好的成績(jī)。學(xué)生積極學(xué)習(xí)的興致，可以帶動(dòng)身邊的同學(xué)，在專(zhuān)業(yè)中形成一種良性的正循環(huán)。不僅是學(xué)好測(cè)控電路這一門(mén)課，通過(guò)良好的學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)與學(xué)以致用的樂(lè)趣，也可以帶動(dòng)其他課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)能力，成為合格的、專(zhuān)業(yè)素質(zhì)過(guò)硬的工科生。

2? Proteus仿真項(xiàng)目教學(xué)改革方法

理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是兩種典型的本科教學(xué)方式，是教學(xué)體系的有機(jī)組成部分，任何一種缺失或存在缺陷，都會(huì)導(dǎo)致教學(xué)體系不完整，并對(duì)教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。本文從四個(gè)方面來(lái)講述實(shí)踐教學(xué)改革方法，分別是內(nèi)容設(shè)計(jì)、平臺(tái)構(gòu)建、課堂教學(xué)與比賽實(shí)例。

2.1? 實(shí)驗(yàn)仿真的內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真的內(nèi)容設(shè)計(jì)是本模式至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，只有科學(xué)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，才能夠引導(dǎo)學(xué)生一步步地掌握課程知識(shí)，形成一套完整的測(cè)控電路體系。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠深刻理解多課程之間的聯(lián)系與在實(shí)際中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加直觀清晰地接受上課所學(xué)的內(nèi)容，才有可能學(xué)以致用，應(yīng)用在競(jìng)賽、項(xiàng)目之中。表1是測(cè)控電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)的內(nèi)容與目的。

2.2? 教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)多為PPT口述，缺乏實(shí)際的工程應(yīng)用，枯燥無(wú)趣。一個(gè)良好的課堂氛圍應(yīng)該是教師多板書(shū)，結(jié)合一些有趣的電路動(dòng)畫(huà)、模擬仿真，生動(dòng)形象地展示電路的功能，這樣才能給學(xué)生講透徹。由于實(shí)驗(yàn)室不能及時(shí)滿足學(xué)生的需求，本模式選擇Proteus仿真軟件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該軟件對(duì)電腦要求配置不高，操作簡(jiǎn)單，界面互動(dòng)性強(qiáng)，專(zhuān)業(yè)能力強(qiáng)，可以滿足測(cè)控電路課程的所有電路仿真，適合學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，是一個(gè)不可多得的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，根據(jù)表1的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，編寫(xiě)一本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，學(xué)生有疑問(wèn)的時(shí)候能夠及時(shí)獲得幫助，從而培養(yǎng)課程專(zhuān)業(yè)能力。

2.3? 課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

在上課前先講述一個(gè)工程項(xiàng)目或者競(jìng)賽典型應(yīng)用，引發(fā)學(xué)生興趣；然后引入電路理論分析，循循善誘，講述原理；再給學(xué)生示范一遍Proteus的仿真結(jié)果，引起學(xué)生對(duì)電路的好奇心，激發(fā)對(duì)原理的學(xué)習(xí)欲望；同時(shí)講述幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)思考時(shí)有跡可循，有目標(biāo)、有方向地引導(dǎo)學(xué)生成功完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程的熱愛(ài)。要引導(dǎo)對(duì)競(jìng)賽、項(xiàng)目有興趣的學(xué)生積極參與，架起課程與競(jìng)賽的橋梁，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，并讓此類(lèi)學(xué)生帶動(dòng)身邊同學(xué)積極學(xué)習(xí)，形成良性循環(huán)。

2.4? 比賽實(shí)例

測(cè)控電路在比賽中應(yīng)用的實(shí)例有很多，本模式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)具有促進(jìn)性。例如，一位本科學(xué)生參加某機(jī)器人語(yǔ)音播報(bào)比賽，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)播報(bào)的語(yǔ)音一直存在較為刺耳的嘯叫雜音，檢查電路時(shí)也一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。指導(dǎo)教師給他的指導(dǎo)建議是查閱測(cè)控電路中濾波的知識(shí)，在翻看兩天相關(guān)知識(shí)及仿真與實(shí)驗(yàn)后，這名學(xué)生成功解決了播報(bào)中的雜音問(wèn)題。之后通過(guò)努力，他在比賽中取得較為理想的成績(jī)，極大地激發(fā)了對(duì)測(cè)控電路的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)結(jié)合Proteus軟件、實(shí)際應(yīng)用等，很好地掌握了這門(mén)課程。

3? 教學(xué)改革探索效果分析

測(cè)控電路競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)法打破了傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之間的壁壘，書(shū)本理論知識(shí)與仿真實(shí)踐的良性結(jié)合，不僅有利于教師課程教學(xué)的開(kāi)展，而且有利于學(xué)生課后實(shí)踐的開(kāi)展，在驗(yàn)證理論的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的熱愛(ài)，進(jìn)而激發(fā)應(yīng)用的興趣。受此影響，想要報(bào)名競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)越來(lái)越多，學(xué)以致用的教學(xué)理念得到體現(xiàn)。從近幾年的期末考評(píng)來(lái)看，總體優(yōu)秀成績(jī)較前幾年有很大提升，幾乎無(wú)人掛科，因?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)興趣已經(jīng)形成。同時(shí)，測(cè)控學(xué)生在電子設(shè)計(jì)大賽等許多比賽中取得優(yōu)異成績(jī)，可證明本模式的探索取得一定的成功。

4? 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控電路的教學(xué)是需要師生互動(dòng)的，教師授業(yè)解惑，學(xué)生獨(dú)立思考。針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文提出基于Proteus仿真及競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的測(cè)控電路教學(xué)改革思路，實(shí)踐證明：改革能夠提高學(xué)生對(duì)課程的熱愛(ài)，學(xué)生通過(guò)一次次獨(dú)立思考，成功仿真出結(jié)果，看到漂亮的波形，獲得成就感，這對(duì)于培養(yǎng)信心有很大益處。在積累知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生結(jié)合課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽、科研項(xiàng)目等，學(xué)以致用，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)價(jià)值，有助于在之后的學(xué)習(xí)與工作中培養(yǎng)良好的思考習(xí)慣與動(dòng)手能力，培養(yǎng)工科思維，同時(shí)有助于教師實(shí)現(xiàn)“授之以漁”的理想。此模式還需在實(shí)踐中不斷進(jìn)行改進(jìn)，探索最優(yōu)的測(cè)控電路課程教學(xué)方案。

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