電子電路實驗教學資源建設研究

王革思

(哈爾濱工程大學 電工電子實驗教學中心,黑龍江 哈爾濱 150001)

電子電路實驗教學資源建設研究

王革思

(哈爾濱工程大學 電工電子實驗教學中心,黑龍江 哈爾濱 150001)

分析了目前電子電路課程建設存在的問題,基于學生實踐創新能力的培養,構建一種新的實驗教學模式。精心設計了教學內容,創設虛擬仿真實驗環境,按照從基礎到創新的逐級發展,設計、開發了6種具有虛實結合特征的電子電路實驗資源庫。實踐表明,這些做法可顯著提高學生的實踐創新能力,并促進了教師教學水平與科研能力的提升。

電子電路;實驗教學模式;實驗資源庫;虛擬仿真

哈爾濱工程大學國家級電工電子實驗教學示范中心承擔的“模擬電子技術”與“數字電子技術”兩門課程均為省級精品課程,面向電子信息工程、通信工程、電氣工程及自動化等12個電類專業開設,每年有30余個班的實驗教學任務，本科必修學生達1 000余人。近幾年,中心以《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》和《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》為指導,將實踐與創新能力培養[1]作為電子電路精品課程可持續發展方向,提出新的實驗教學模式,全面推進教育信息化與實驗教學的深度融合,設計、開發了多種類型的電子電路實驗教學資源,使現有的精品課程實驗教學更加完善、系統,實驗方法及手段更加合理、科學、先進。

1 存在的問題

精品課程是具有一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等特點的示范性課程[2]。它的宗旨是實現高等教育人才培養質量和教學水平的全面提高,培養滿足國家和地方發展需要的高素質人才。在教育部高等教育司《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中指出:“虛擬仿真實驗教學是實驗教學示范中心建設的重要內容”[3]。目前國內高校在電子電路精品課程建設中存在以下問題。

(1) 重申報,輕建設。申報精品課程時非常愿意投入人力、物力和財力,一旦申報成功則后續建設動力大減,很少或不再投入精力進行精品課程的維護及資源更新。

(2) 重理論,輕實踐。雖然教學資源的數量和種類眾多,但大多體現“以教師為中心、以理論學習為重點”的教學思想;而“以學生為中心、以能力培養為重點”的實驗教學資源卻相對匱乏,且無法實現交流和共享。這反映出實驗教學在精品課程建設中地位和作用被低估,教師參與的積極性不高,從而造成理論與實驗教學資源建設的不匹配和失衡。

(3) 重傳統,輕個性。實驗教學內容的展示和呈現仍以傳授知識為主,看重實驗結果而忽視學生的學習需求、個體特點及適應性,很少能引發他們對實驗本身更深層的思考,使學用脫節。此外,實驗題目少、內容簡單、層次不清、工程性不強,缺乏探究式、協作式自主學習,不但會影響學生學習能力的提高,對實驗教師理論水平的提高也極為不利。

(4) 重實物,輕仿真。仍以實物實驗為主,體現培養動手能力和實踐操作能力的教學思想。實物實驗項目數量和類型相對較多,儀器、設備、材料及實驗資源開發等資金投入也較大。相比之下,具有培養“綜合能力和研究創新能力”優勢的虛擬仿真實驗卻沒有得到足夠的重視,其數量和類型不僅很少,而且在軟件、實驗資源開發及網站建設等方面投入資金也較少。

2 “1+2+3+4”教學模式的構建

電子電路課程涉及的電子信息技術是當今科學技術發展最快的領域。電子信息技術的應用性、工程性很強,技術更新、發展很快,容易形成教學滯后于技術進步的局面。因此,我們提出電子電路課程實驗教學的改革思路:

(1) 對傳統實驗教學模式進行補充和完善,以學生為中心、以能力培養為重點,建立一種新的實驗教學模式,充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用;

(2) 引入先進的技術、設計理念和教育信息化手段,開展創新教育,致力于培養學生的創新理念、創新意識和創新能力;

(3) 重視基礎理論技術的創新、開發與應用,將科研、工程實踐、電子大賽及創新活動的成果精心提煉成教學內容,遵循“提出問題→電路設計→計算機仿真→硬件安裝調試”的教學過程[4],開發具有虛-實結合特征的多種類型電子電路實驗資源,使實驗不再受內容、時間和空間的限制,實現資源共享。

我們采用了“1+2+3+4”的實驗教學模式,其含義是:

1個中心——在實驗教學中以培養學生實踐能力和研究創新能力為中心;

2個途徑——學生獲取知識的途徑,即除了教師外,還可通過探究式、協作式的學習自主獲取知識;

3個層次——將學生綜合素質培養分解為基本技能、理論知識應用能力和研究創新能力;

4個轉變——理論教學與實驗教學一體化的轉變,從規定實驗教學內容向自主選擇的轉變,從單一教學模式向多元化、立體化、數字化教學模式轉變,從硬件為主向虛-實結合轉變。

3 教學內容的設計

3.1 多渠道獲取教學資源

電子電路課程內容豐富、應用領域廣泛,其涵蓋的實驗教學內容要適合多個電類專業。我們主要通過4種途徑來獲取實驗教學資源:一是按照虛-實結合的原則對現有實驗項目進行整合、創新;二是將教師在教學、科研中遇到的問題,經過篩選后應用在教學中;三是精簡、提煉企業、科研單位的產品或項目,這些產品或項目具有應用性、技術性和系統性特征，經過精簡、提煉和二次加工后用于教學;四是鼓勵學生參加課外學習或各類科技創新活動并完成作品,將這些作品篩選、改進后作為實驗教學資源。

3.2 實驗項目的設計原則

電子電路課程實驗教學內容豐富,涉及專業多,實踐性和工程性強。針對這些特點,我們提出以下實驗項目的設計原則。

(1) 結合專業,具有典型性。我校電類專業較多,包括電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動化等12個專業,因此,要求實驗項目涉及能涵蓋這些專業,內容要廣、交叉性要強,既要符合學生認知規律,有一定的應用價值,還要真實且具有典型性。

(2) 難易程度適中,具有層次性。實驗項目要貼近生活、工程應用及科研,使學生在實驗前有欲望,在實驗中有興趣[5]。要讓學生在基本的實驗條件和環境下,通過探究式、協作式的自主學習,完成實驗任務。設計低層次項目,主要是培養學生的實驗興趣、探索精神、科學思維和實踐能力[6],提升學生的綜合素質;設計高層次項目,以課程的重點知識及關鍵技術為重點,主要是培養學生良好的科學作風和研究創新能力。

(3) 成果明確,具有可呈現性。項目成果要能以具體的形式來展示,如樣機、實驗箱等,或將學生熟悉的一些項目產品的功能呈現出來,容易讓學生產生成就感。

3.3 創設虛擬仿真實驗環境

NI Multisim 10是美國NI公司推出的以 Windows 為基礎的電子線路仿真軟件。Multisim用軟件的方法虛擬電子與電工元器件,虛擬電子與電工儀器和儀表,實現了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。

Quartus II是 Altera 公司的綜合性PLD/FPGA開發軟件,支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多種設計輸入形式,內嵌綜合器以及仿真器,可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。

我們分別利用這兩種EDA工具軟件建立了電子電路虛擬仿真實驗教學環境,同時增強各種電路原理的演示、設計、波形觀察、功能測試及故障分析等實驗學習環節。這樣做既有利于學生進行自主實驗,也有利于學生提高實驗技能、設計能力和創新能力,也為其職業生涯的發展和終身學習打下堅實基礎。

4 實驗資源庫的建設

設計、開發電子電路精品實驗資源庫,可以源源不斷地增加實驗教學資源的數量和種類,完善虛-實結合的實驗教學內容,開闊學生的眼界和思路,提高學生實踐與創新能力[7]。首先,我們將電子電路課程涵蓋的實驗教學內容按照特點和教學需要進行分類、重組及設計;然后借助Multisim和Quartus II軟件平臺,采用規范化、模塊化的設計方法,從基礎實驗到創新實驗分級開發;最后集合成“模電基礎知識應用庫”等6種實驗資源庫。每個實驗資源庫中的應用電路具有開放性、探索性、創新性及共享性[8],各庫之間起到承上啟下的作用。學生可以找尋到最適合自己的實驗內容,選擇不同的進度、時間、地點,進行自主實驗、協作研究及開展科技創新活動[9]。

4.1 模電基本技能實訓庫

基本技能實訓著重培養學生規范的實驗基本技能和思維方式。我們針對學生操作儀器生疏、對儀器原理掌握不好及因條件限制不能強化練習等問題,設計了電壓表、示波器、函數信號發生器等常用儀器操作仿真訓練電路。通過虛擬仿真訓練,可使學生熟練掌握各種儀器使用方法。相比實物操作,虛擬仿真實訓可達到更好的實訓效果。

此外,技能實訓還包括元器件測試與選型、電路布局與焊接、印刷電路板設計與制作[10]、EDA軟件使用等內容。目前該庫已經開發出儀器操作和元器件測試2個實驗單元、15個應用電路。

4.2 模電基礎知識應用庫

該庫的內容與理論教材匹配,加強設計性虛擬仿真實驗教學環節,使基礎理論與實踐結合緊密、靈活運用,鞏固基本原理和概念,掌握先進的設計技術及方法,提高電路基本設計能力。按照工程設計原則,我們選用二極管、三極管及模擬集成電路等常用元器件,設計了各實驗單元所包含的應用電路,全部電路均通過了仿真驗證。該庫目前已經開發了基本放大電路、運算電路、信號產生電路等10個實驗單元、66個應用電路。

4.3 模電電路分析庫

對現代電子工程師的要求不僅僅是設計電路,還要能熟練運用先進的EAD技術[11]分析電子電路。利用該庫,可以對電路的元件參數、工作點、噪聲、失真等進行分析[12],讓學生更好地掌握電路的技術性能及可靠性,實現優化電路設計。此類實驗與實際工作符合,可有效提高學生分析電路的能力,對提高學生設計電路的水平也大有較大幫助。該庫目前已經開發了1個實驗單元,17個應用電路。

4.4 模電綜合創新庫

模電綜合創新性實驗要在完成基礎性實驗和設計性實驗基礎上進行。我們安排的綜合創新性實驗項目充分考慮到學生的個體差異和目標層次,將學生學習掌握的知識、經驗及興趣與探究內容聯系起來。學生通過嘗試解決一些工程、科研方面的問題,熟悉掌握科學研究的基本過程,提高綜合實踐能力,增強創新意識和創新能力。該庫目前已經開發了傳感器、測量儀器、控制器等8個實驗單元,26個應用電路。

4.5 數電基礎知識應用庫

該庫的內容與理論教材相匹配,而實驗項目更多地體現了知識性、靈活性、趣味性和新穎性,難易程度符合大多數學生的知識水平,并特別注意啟發式教學方法的運用。按照工程設計原則,我們選用中小規模數字集成電路及可編程邏輯器件,設計了實驗單元所包含的應用電路,全部電路均通過了仿真驗證。該庫目前已經開發了組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖產生和整形電路、A/D和D/A轉換電路共4個實驗單元、30個應用電路。

4.6 數字應用系統庫

數字應用系統涉及多門學科的理論知識,重點培養電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動化等12個電類專業本科生的創新能力。數字應用系統理論偏深、內容抽象、工程性強、難以掌握,單靠學生自身的能力不易完全理解、掌握和實現。我們采用的方法是:部分內容仍以教師傳授為主,部分內容則通過探究式、研究式教學以學生自主設計、協作研究為主,通過這兩者的有機結合來完成教學任務。該庫目前已經開發了常用數字系統、數字式控制系統、數字式電子儀器、接口與數據通信共4個實驗單元、18個數字應用系統。

5 結束語

幾年來,我校電工電子實驗教學中心堅持實踐與創新能力培養方向,以學生受益最大化為己任,全面推進教育信息化與實驗教學的深度融合,促進教師的教學水平與科研能力提升,使我校電子電路精品課程得到可持續發展。“1+2+3+4”實驗教學模式行之有效,符合目前社會對本科生人才培養的要求。所開發的電子電路實驗資源已投入教學中,還上傳到中心的教學網站上,實現資源共享。這些優質實驗教學資源內容完整、銜接性好、操作性強、可及時更新,彌補了硬件實驗的不足,使學生在實踐與創新中獲益。

References)

[1] 陳以,楊青,王改運.自動化學科專業人才培養實踐創新體系的建設[J].實驗技術與管理,2014,31(4):16-19.

[2] 教育部.教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知[EB/OL].(2003-04-08)[2014-08-08]．http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3843/201010/109658.html.

[3] 教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2014-08-08]．http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[4] 梁麗.構建分層次實驗教學體系培養創新型人才[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):217-219.

[5] 余新平,余士求,余厚全.《數字電子技術》課程實驗教學改革探索[J].實驗科學與技術,2012,10(5):67-69.

[6] 劉夢琴,鄺代治,馮泳蘭,等.以創新能力培養為核心構建多元化實踐教學體系[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):189-193.

[7] 李亮亮,趙玉珍,李正操,等.材料科學與工程虛擬仿真實驗中心的建設[J].實驗技術與管理,2014,31(2):5-8.

[8] 元澤懷,陳曉明.任務驅動型實驗教學模式的實踐與探索[J].實驗技術與管理,2014,31(1):169-171.

[9] 王革思.精英教育理念下大學生課外科技創新的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(4):20-24.

[10] 王志秀,張吉月,藍波.電類專業電學基礎技術課程改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2014,33(5):179-183.

[11] 任兆香,谷海青,張倩,等.仿真實驗在“電路”課程理論教學中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(5):112-114,126.

[12] 王革思,趙旦峰,張朝柱,等.《模擬電子技術》實驗課程體系的研究與實踐[J].實驗科學與技術,2012,10(5):99-102.

Research on construction of teaching resources of Electronic Circuit experiments

Wang Gesi

(Electrotechnics and Electronics Experimental Teaching Center,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

This article analyses the existing problems in the current construction of Electronic Circuit course. Based on to cultivate students’ ability of practice and innovation,this article puts forward to construct a new experimental teaching mode. The experimental teaching content is elaborately designed and the virtual simulation experiment environment is also set up. Six electronic circuit experimental resource libraries with the character of virtual-actual combination are designed and developed,according to the development from the base to innovation. Practice shows that these practices can not only significantly improve the students’ practical and innovative ability,but also promote the teachers’ teaching level and scientific research ability.

electronic circuit; experimental teaching mode; experimental resource library; virtual simulation

2014- 08- 21

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2012010115);黑龍江省高等教育學會“十二五”重點規劃課題(HGJXHB1110346)

王革思(1960—),男,黑龍江哈爾濱,本科,高級工程師,碩士生導師,研究方向為現代通信技術及其實驗教學.

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2015)1- 0167- 04