利用基于M ap le的模擬實驗促進電子類專業的實踐教學

胡承忠，宮衍香，趙玉榮

(1.泰山學院物理與電子工程學院;2.泰山學院外國語學院，山東泰安 271021)

隨著現代科學技術的發展，市場上涌現了一批高性能的科學計算軟件，如Matlab、Mathematica、MathCAD、Maple等.把計算軟件應用于電子信息教學成為當今的一個重要教改課題，這方面的文獻見［1－7］.借此教改東風，我們課題組也在這方面進行了大量工作，參見文獻［8－13］.在近三年的時間里，我們以現代教育理念為指導，貫徹“學為主體”的原則，圍繞知識、素質、能力、精神綜合培養為目的，對泰山學院物理與電子工程學院電子信息科學與技術專業的基礎課程教學進行了全方位的改革和建設，促進了內容的現代化，形成了以Maple的虛擬實驗為基礎，以發展學生科學素養、培養學生實踐能力為特色的理論物理教學新體系.本教改課題的創新點在于選取Maple軟件為平臺，目標集中在模擬電子技術、數字電子技術、單片機、自動控制原理等課程的教學方面.該教學成果在2009年榮獲第六屆山東省高等教育教學成果獎三等獎.

1 改革思路

長期以來，由于電子信息中的一些概念與常理相悖，令人感到晦澀難懂，其中的一些符號計算、數學推導也極為繁瑣，再加上課堂教學一直沿襲傳統的口授筆演、解析推導的教學方式，使得對抽象圖景的理解成為電子信息學習的“瓶頸”，令學生對信號類課程的學習產生畏懼心理.形象生動的教學對完善和拓展學生的電子專業知識、激發學習興趣、培養思維水平和創新能力至關重要.Maple是目前最好的符號計算語言，并且簡單易學.它具有強大的繪圖功能，包括一維、二維、三維圖像的繪制，動畫制作和各種實用的繪圖程序包等［8－10］.把Maple的圖形可視化功能引入電子信息的課堂教學既可以強化課程的教學效果，使信息類、信號類教學變的直觀、簡便，促進學生對抽象知識的理解與掌握，又可以使學生在思維方法、實驗技能和科學計算上受到初步而系統的訓練，在潛移默化中培養學生的科學素養、人文素質和創新意識，既為他們打下一個深厚的基礎，又為今后參加科學研究和技術應用奠定了扎實的平臺.

基于以上認識，自2006年起，我們將電子信息類課程分為必修課和選修課兩部分，主要圍繞以下兩個中心，對課程群進行了全方位的改革和建設:

(1)修訂課程大綱，加強以掌握基礎知識、專業必修的電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等課程建設.在教學實踐中，立足構建一個適合電子信息科學與技術專業，既有現代氣息又有利于學生知識獲取和技能培養的課程模式，以課程現代化為目標，進行教學內容、方法、模式、手段和教材的綜合配套改革與建設.

(2)以Maple虛擬實驗為基礎，立足于理論知識傳輸、實踐能力和創新能力培養，改革傳統的教學體系，拓展知識內涵，豐富理論課程體系.

2 成果的創新點

(1)克服了長期以來理論課的一大弊癥——教學可視化的困難.該成果使理論課的教學變的直觀、生動、易于理解，調動了學生的學習積極性和學習興趣，大大加強了教學效果.與其它類似課題相比，不局限于對某一門理論課程的討論.

(2)增加了課程的實踐環節，擺脫了以往理論課程沒有實踐環節的現狀.虛擬實驗使滿目復雜符號和抽象概念的理論課程變的看得見、“摸”得著，加深了學生對課程重要性的認識，培養了他們的科學素養.

(3)選擇科學計算軟件Maple為平臺，獨創性明顯.在現有的探討中使用Maple軟件作平臺的較少.一般選擇的是Matlab軟件，但實踐證明，Maple在工程物理的教學中比較實用.就電子信息類而言，Maple更勝一籌.其特點在于上手容易、編程簡單、程序占空間少、對硬件要求低等.

3 具體成果簡介

近年來，教育界普遍認為，為了激發學習熱情，適應科技發展，培養創新精神，必須進行課程現代化改革.根據這一發展趨勢，我們的課程現代化改革和建設主要定位在:與本科教學相適應的基本知識和方法，反映專業前沿，具有電子信息的特色.

3.1 利用Maple實現課程教學內容的可視化

利用Maple軟件，我們對模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統和自動控制原理等課程中的一些教學重點和難點(如三維圖形的繪制、數理方程的求解)進行了可視化處理，并初步建立了基于Maple軟件的課程群可視化資源庫.

在教學過程中，一直致力于實現教學手段的現代化.目前電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、自動控制原理、單片機原理與應用、信號與系統等課程擁有自己開發的電子教案，構建了多媒體和傳統板書相結合的教學模式.近年來，我們獲得電子技術與創新系列省級精品課程(http://210.44.195.12/ jp/xjkcsb002/)、模擬電子技術省級精品課程(http://210.44.195.12/wulixi1/)、數字電子技術省級精品課程(http://210.44.195.12/szdljcl/)、單片機省級精品課程(http://210.44.195.12/jp/sang1108/)、自動控制原理省級精品課程(http://210.44.195.12/jp/zkyl/)，并在網絡課程中開設了“大學物理”專欄，用于展示部分可視化結果，形成了及時完善和更新教學信息的互動教學平臺，對于課堂教學質量的提高起到了良好的促進作用.目前，我們的課堂教學以板書教授為主線，配合CAI課件和Maple可視化資源，采用啟發式、引導式、探究式等教學方法，力求達到最佳的教學效果.

3.2 建立基于Maple的虛擬實驗室，構建實踐教學新體系

實驗是學習和掌握基本理論和方法的重要手段，可以培養學生運用基本原理、基本方法的能力.鑒于理論知識的抽象性以及相關實驗資源的匱乏，我們于2007年建立了基于Maple的電子信息類虛擬實驗室.

虛擬實驗室的工作進展情況包括:(1)采用計算軟件Maple制作虛擬實驗，讓學生在機器上進行模擬觀察，幫助理解理論概念，驗證理論結果.(2)將現有的實驗用計算軟件Maple制作成虛擬實驗，讓學生先通過校園網絡預習實驗的原理和操作，對實驗結果有所預知和分析，然后再到相關實驗室實際操作，這樣既調動了學生自主學習的積極性，又提高了學生分析問題和解決問題的能力，還有利于實驗室的真正開放和資源共享.(3)依托虛擬實驗室，通過設立課題性和開放性實驗，對學生進行基本的科學研究方法和實踐訓練.在課程結束時，學生根據學習的內容，通過各種電腦軟件制作的課件，各具個性，精彩紛呈，表現出真正體驗了學習樂趣.

3.3 基于Maple的課程群的建設，建設電子信息類特色專業

結合電子信息科學與技術專業人才培養方案的修訂，我們將課程設置為必修課和選修課兩個模塊，必修課包括:電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統通信原理等，選修課包括傳感器原理、EDA、電路板設計、科技論文寫作等.各門課程充分利用Maple可視化資源，并進行繼續開發.

根據專業特點，利用Maple軟件，申報校級特色專業并獲得成功，學生的創新精神得到了大力的提升，獲得各類國家級、省級獎勵20余項50多人，大學生科技創新項目20多項，其中09級學生獲得國家級使用新型和發明專利各一項.

［1］彭芳麟，管靖，胡靜，盧圣志.理論力學計算機模擬［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［2］李銀山.Maple理論力學［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］彭芳麟.數學物理方程的MATLAB解法與可視化［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］郭冰瑩，吳敏健.用Maple計算機代數系統實行電動力學教學改革的一個嘗試［J］.大學物理，1999(3):30－33.

［5］邵斌，賀黎明.基于MATLAB平臺的量子力學三維圖形設計及動畫生成工具［J］.大學物理，2005(11):55－58.

［6］歐海峰，琚新剛.密立根油滴條件的Mathematica圖示［J］.大學物理實驗，2004(4):66－69.

［7］鄧立新.MATHCAD在機械振動教學中的兩個示例［J］.物理通報，1999(6):26－28.

［8］馬春庭.掌握和精通Maple［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［9］洪偉，等.Maple6實用教程［M］.北京:國防工業出版社，2001.

［10］劉來福，何青，彭芳麟.用Maple和MATLAB解決科學計算問題(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，1999.