基于仿真技術的電類專業基礎課教學改革研究與實踐

謝水英, 韓承江

(浙江工業職業技術學院 電氣電子工程學院, 浙江 紹興 312000)

基于仿真技術的電類專業基礎課教學改革研究與實踐

謝水英, 韓承江

(浙江工業職業技術學院 電氣電子工程學院, 浙江 紹興 312000)

為克服高職電類專業基礎課教學存在的抽象、枯燥、教材編寫呆板、教學方法單一等問題,提出利用計算機仿真技術的仿真實性、預測性和可操作性,從師資建設、教學內容和教材建設、教學方法和教學手段、學生成績考核方法等方面進行教學改革探索與實踐。實踐效果表明,將仿真技術運用到電類專業基礎課教學中,可提高學生的學習興趣、操作能力和理論結合實踐的能力,提高教學質量。

電類專業基礎課； 仿真技術； 教學改革

計算機仿真技術作為分析和研究系統運行行為、揭示系統動態過程和運動規律的一個電子化實驗技術,具有非常強的逼真仿照性、再現性和預測性,打破了時間、空間和實物實驗條件的限制,具有方便、節時、節約成本、形象生動、可操作等許多優點。它不但用于科學研究,也大量用于實驗教學中,成為現代教學技術不可或缺的一種教學手段[1]。

1 研究背景

電類專業基礎課主要包括“電工基礎”、“電工與電子”、“電機與拖動”、“模擬電子技術”、“自控原理”等課程。因課程內容、實驗實訓設施不足等原因,電類專業基礎課常開設成理論課,而傳統的理論課教學方式和教學手段較單一,存在理論性強、抽象等問題,教學效果不佳。

1.1 電類專業基礎課教學問題分析

本課題組曾對學生學習機電類專業基礎課的情況進行問卷調查,設置了“你喜歡哪門課”、“你對專業基礎課教材的看法”、“你對目前學業成績考核的看法”等20個項目,調查對象是我校2013機電一體化技術、自動化技術、電子信息技術等專業11個班的466名學生。調查結果顯示：學生認為對電類專業基礎課聽不懂的原因是教學內容太抽象、太理論化的達61%,認為教師教學方法單一的達50%；認為電類專業基礎課教材抽象、枯燥的也有26%。

分析電類專業基礎課存在的問題,主要有[2]:

(1) 教學內容理論性強、抽象枯燥,高職學生不喜歡聽,聽了也不易理解；

(2) 教材大多沒有特色,形式呆板,內容敘述深奧、復雜、抽象、枯燥,學生不喜歡看,也不容易看懂；

(3) 教學方法和教學手段較單一,“滿堂灌”多,學生動手少,難以提高學生興趣,教學效果不理想；

(4) 成績考核方法側重考查學生理論知識的記憶程度,一般是“平時分+期末筆試”,難以反映學生掌握知識技能的真實情況。

1.2 利用計算機仿真技術進行實驗教學的可行性

電類專業基礎課的教學內容具有理論性強、比較抽象的特點,又因實驗條件不夠等原因,在實際教學中常開設成理論課。在理論課教學中,教師講得多、學生動手少,使學生感覺枯燥、乏味,教學效果不太理想。

仿真技術具有逼真仿照性、生動形象和可操作性強等優點,且設施非常簡單,只要有一臺電腦就可以進行操作,既可以進行課堂演示,也可以開設學生電子實驗。仿真軟件功能強大,幾乎所有實物實驗均可以開設成仿真實驗[3]。將仿真技術運用到電類專業基礎課教學中,可較好地改變電類專業基礎課教學中抽象、枯燥的狀況,提高學生的學習興趣,提高學生的操作能力和理論結合實踐的能力,提高教學質量。

2 基于仿真技術的電類專業基礎課教學改革

本課題以“電工與電子”課程教學中應用Multisim軟件為例,從師資培訓、仿真實驗和教材建設、教學方法和教學手段改革、學生成績考核方法改進等方面進行了基于仿真技術的教學改革探索與實踐[4]。

2.1 師資培訓

目前高職電類專業基礎課教師隊伍中仍有部分教師不能很好地運用現代教學手段。要積極鼓勵和支持這些教師參加專業培訓、現代教學技能培訓和網上下載軟件自學互學等,要求他們掌握主講課程的常用仿真軟件,如電工電子類課程可用Multisim、Proteus軟件,自動控制原理、電機與控制課程可以用Matlab/Simulink等軟件。對于已經掌握仿真技術的教師,要積極引導和要求他們使用仿真軟件輔助教學。

要形成普遍使用仿真技術輔助理論教學的良好氛圍,使電類專業基礎課教師不再只會進行理論的講解,而應能夠用現代教學技術進行仿真演示、仿真實驗和輔導學生運用仿真軟件,建設一支能利用1～3種仿真軟件進行教學的電類專業基礎課教師隊伍[5]。

2.2 建設與教學內容配套的仿真實驗和實驗教材

開發與教學內容配套的仿真實驗,研究能利用仿真技術的教學內容整合、呈成方式,加強利用仿真技術的電類專業基礎課教材建設。

例如,“電工與電子”課程的直流穩壓電源部分就可以設置“半波整流電容濾波(含半波整流)”、“全波整流電容濾波(含全波整流)”、“全波整流電容濾波穩壓”等若干個Multisim仿真實驗。“半波整流電容濾波”實驗的仿真電路圖與輸出波形圖如圖1所示。

圖1 半波整流電容濾波仿真實驗

在這個實驗中,可以分別仿真有濾波電容和無濾波電容2種半波整流電路,讓學生比較2種情況下的輸出電壓波形差別,并由學生測量輸出電壓值。這種生動形象、通過學生自己動手操作獲得知識的過程,能使學生較好地掌握半波整流與半波整流帶濾波電容2種電路功能的區別、輸出電壓的區別和濾波電容的作用。改變電路中電容、電阻值,學生可以看到輸出電壓波形的變化、平均值的變化,從而掌握“時間常數”這個概念的含義及在這個電路中的作用[6]。在實際實驗教學中,教師可以設置電路故障,讓學生在實驗中發現問題、解決問題,培養對電路故障的診斷與排除能力。

目前,電類專業基礎課配有仿真實驗的教材很少,凡以仿真輔助教學的教師基本上都需要自己課前準備,且由于資源不共享,存在精力、勞力的浪費現象。因此,建設含有仿真實驗項目的電類專業基礎課教材是非常必要的。本課題組編寫的浙江省十一五重點規劃教材《電工基礎》(謝水英主編),其中有大量仿真實驗內容,這些仿真實驗與每章的教學內容配套,或是對電路規律、原理的探索與驗證,或是對電路現象與工作過程的再現,均能對教學起到很好的輔助作用[7]。

2.3 基于仿真技術的教學方法、手段改革

仿真技術可以用于課堂演示、學生電子實驗,也可以用于學生課后作業、復習、自學等方面,它可以豐富教學手段、改進教學方法、拓展知識技能。

(1) 在課堂教學中進行仿真演示,可以使抽象的知識變得直觀、形象、生動和易理解[8]。例如進行交流電的三要素(周期、初相角、有效值)教學時,利用仿真軟件Multisim,就可以很形象地將這些概念及相互間關系展示出來,如圖2所示。

圖2 簡單的交流電路仿真實驗

在圖2(b)中,通過調節交流電源中的初相角,學生可以觀察到波形起點的變化,測量起點電壓值,理解初相角的含義；通過比較示波器測得的電壓最大值(指針2讀數14.14 V)和圖2(a)中交流電壓表讀數(有效值10 V),說明了正弦交流電最大值與有效值的數值關系。周期也可以用仿真示波器的2個指針測量出來,與電源設置的頻率進行比較,得出周期與頻率的關系。

(2) 在課堂教學中進行仿真操作,可以將規律、原理由傳統的教師敘述、灌輸式教學,變成學生探索式、研究式學習[9]。例如集成運放電路的輸出與輸入關系,若以公式推導,則學生不易掌握。圖3是反相比例運算放大仿真電路。

圖3 仿真軟件生成的反相比例運放電路圖

改變Rf/R1的值,輸出電壓值也隨之改變。通過Rf/R1值、輸入電壓Ui、輸出電壓Uo三者關系,可以方便得出反相比例運放公式Uo=(-Rf/R1)Ui,并且通過增大輸入電壓或Rf/R1的比值,增大輸出電壓的理論值。但實際測量值達到-12 V(該運放器的負飽和值)后絕對值不再變大,由此可以幫助學生較好地理解集成運放飽和值的含義。

這種探索式、研究式的教學方法,不但可以提高學生的學生興趣,也有助于對難點知識的理解與掌握,加深記憶,起到較好的教學效果。

(3) 仿真實驗與實物實驗結合,可提高學生的操作能力和理論結合實際的能力。傳統的電類專業基礎課教學很少給學生實驗實訓的機會,而仿真技術可以很好地彌補這個不足，可開設純仿真實驗,也可以開設實物實驗前的仿真預演實驗[10]。

在教學計劃安排上,可以根據教學內容插入仿真實驗,讓每個學生都可以在機房動手操作,或驗證原理規律,或設計電路,或診斷排除電路故障。特別是電路設計與電路故障診斷排除的實驗內容,用仿真技術非常方便、靈活、有效。例如,放大電路很容易出現輸出失真,故障原因很多,在教學中可據此設計幾個排除故障的仿真實驗[11]。

圖4為共射極單管放大電路仿真實驗,可以看出輸出信號產生了飽和失真。用Multisim仿真軟件特有的探針可知是基極靜態電流(38.5 μA)太大造成的。進一步測量分析可知是基極電阻R2有漏電流或阻值太小造成的。在具體仿真實驗教學中,可以讓學生先設置故障,然后讓觀察電路現象,觀察不同故障的不同電路現象。通過多次練習,可以提高學生根據電路現象診斷故障的能力,提高排除故障的能力[12]。

圖4 共射極單管放大電路仿真實驗

實物實驗的立體感、空間感、物理結構等都是仿真軟件中平面化虛擬元器件無法做到的,因此在電類專業基礎實驗課中適當安排實物實驗是必要的。有了仿真技術,可在實物實驗前先仿真一下,使學生對實驗步驟、實驗結果和注意事項等先有個總體了解,這樣做實物實驗時就能減少盲目性,提高成功率和效率、減少故障率和元器件損毀。特別是電路設計類實驗,學生先用仿真軟件對電路結構、元件選擇、元件參數設置等方面進行設計和反復調試,直到得到最佳方案,然后再用此方案進行實物實驗,可以大大提高實物實驗的成功率。由此也能提高學生的操作技能、理論結合實際的能力,甚至能提高創新能力[13]。

2.4 學生學業成績考核方法改革

傳統的電類專業基礎課考核成績是由平時成績和期末筆試成績2部分組成的。平時成績由平時課堂表現、完成作業情況決定,期末筆試內容大多是記憶性的知識原理的考查。這種考核方法會造成只要平時出勤率高、作業抄得全,期末階段突擊一下、死記硬背幾天就能得到高分的現象,影響學生平時學習的積極性、誤導學風,影響人才培養目標的實現[14-15]。

本課題對2013機電一體化技術專業7個班的“電工與電子”課程考核方法進行了較大改革:平時成績注重學習過程和能力的考核,期末考核添加操作技能測試,期末筆試內容添加靈活運用知識解決實際問題的題型。

(1) 平時成績權重35%，含平時理論課堂表現、完成作業情況、電子實驗和實物實驗情況。特別是對電子實驗和實物實驗的完成質量、時間等進行隨堂打分,很好地調動了學生的積極性,且這個打分較前面2部分更能真實地反映學生平時的學習能力、對知識技能的掌握情況,也體現了重學習過程的考核創新[16]。

(2) 期末仿真操作考試權重15%。共準備了9個應用仿真軟件Multisim進行電路設計、測量和排除故障的操作大題目,上機考試時每人任抽一題進行考試。由于是開卷考試,具體題目較靈活,內容覆蓋了重要知識、技能點,能反映學生的操作能力和理論結合實際的能力。考試結果表明，絕大多數學生都能考出80分以上的好成績,且此類型考試也非常受歡迎。

(3) 期末閉卷筆試,權重50%。卷面分仍為100分,但減少了記憶類理論知識考查比例(占55分),加大了運用知識解決問題的應用型題目(占45分)。例如某試卷最后一大題為:要求負載電壓30 V、電流150 mA,采用單相橋式整流、電容濾波電路,電源頻率為50 Hz，要求設計電路圖,且選用二極管型號和濾波電容(15分)。此題考查了學生對橋式整流和電容濾波兩部分知識的掌握情況,也考查了依據功能進行電路設計的能力。在考試時提供元器件型號參數表,供學生選擇。選擇元器件型號參數是從事電路設計與維修工作必備的一種實踐能力。

這樣的閉卷筆試卷面分不是很高,大多數只考出60～80分的成績,但信度高、區分度好、成績呈正態分布,卷面分高的學生的確是知識掌握得較好的學生。

3 結束語

由于有了功能強大的仿真電子實驗平臺,使教師從疲于講解、窘于解惑的困境中解放出來,使學生從被動接受知識轉向主動探索知識，并提高了操作技能。

本課題組就“電工與電子”(機電專業)和“電工基礎”(自動化、電信專業)2門課的教改實踐,對學生進行了無記名問卷調查。調查表明:在機電類專業基礎課中,機電專業7個班318名學生中,有55.3%人更喜歡“電工與電子”課；在自動化專業2個班70名學生中,有44.3%人更喜歡“電工基礎”；對于課堂教學法,機電、自動化、電信3個專業466名學生中,有48.3%的人贊成在理論課中增加一些實物展示、仿真演示和視頻動畫播放,多做一些實驗。從調查可知,課題組試點進行教改的課程是很受學生歡迎的,改進的教學方法和教學形式也是學生所希望的。

經過一年多教改實踐,本課題組教師基本上均能用1～2種仿真軟件輔助電類專業基礎課教學,學生提高了學習興趣,拓展了知識面,增強了操作技能,提高了理論結合實際的能力和創新能力,電類專業基礎課教學質量明顯提高。教改課程“電工與電子”(謝水英主持)成為校級精品課程,基于仿真技術的“教、學、做”浙江省“十一五”重點規劃教材《電工基礎》(謝水英主編)已由機械工業出版社出版且投入使用。

References)

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A study of basic course teaching reform and its practice for electronics/electricity specialty based on simulation technology： In the “electrical and electronic” course as an example

Xie Shuiying, Han Chengjiang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

An exploration and application of teaching reform were conducted on multiple aspects such as teacher training, course content, textbook, teaching method, and students’ evaluation by taking advantage of reality, predictability and operability of computer simulation technology, in order to overcome problems existed in current basic course teaching for electronics/electricity specialty in colleges. The exploration reveals that application of simulation technology in basic course teaching for electronics/electricity specialty improves motivation, capability of theory and operability of students, which consequently enhances teaching quality.

basic course of electronics/electricity specialty; simulation technology; teaching reform

2015- 06- 17

浙江省2013年省級教改項目“教、學、做融合高職機電類專業基礎課教學改革研究”(jg2013330)

謝水英(1965—),女,浙江紹興,碩士,副教授,主要研究方向為電類課程教學改革和電氣控制技術.

E-mail：lbyzxsy@163.com

G642

A

1002-4956(2015)12- 0166- 04