互動式仿真

武達(dá)亮

摘要：《電路》課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但其實際教學(xué)效果一直不理想。筆者基于多年的教學(xué)實踐總結(jié)出一套有效的輔助教學(xué)方式，即互動式仿真。在該模式中，教師和學(xué)生共同參與仿真的整個過程，教師設(shè)問，學(xué)生回答，促進(jìn)學(xué)生深入理解；學(xué)生提問學(xué)生，并和教師進(jìn)行互動解答，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。實踐表明，在課堂教學(xué)中輔以互動式仿真，教學(xué)效果提高明顯。

關(guān)鍵詞：互動式仿真；《電路》課程；教學(xué)效果

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0253-02

《電路》課程是高校電類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制原理、信號與系統(tǒng)等一系列重要課程的前期學(xué)習(xí)平臺，因此該課程在整個大學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性不言而喻。但由于該課程內(nèi)容理論性較強且枯燥，又有一定難度，所以實際的教學(xué)效果一直不理想。其中，改變傳統(tǒng)教學(xué)中存在的詬病，不斷提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，充分讓學(xué)生參與課堂教學(xué)，在諸多名師的教學(xué)改革探索中被提到，如文獻(xiàn)[1-4]。并且隨著計算機(jī)的發(fā)展，借助電路仿真軟件使課堂教學(xué)和相關(guān)的實驗教學(xué)更生動直觀，也是大家公認(rèn)可行的方式之一，如文獻(xiàn)[4-7]。

這些文獻(xiàn)中所采用的在課堂教學(xué)中利用仿真軟件輔助教學(xué)的方法，都是在教學(xué)過程中教師利用仿真軟件，將所需電路直接演示給學(xué)生看。這里稱其為傳統(tǒng)式仿真。這種仿真教學(xué)的本質(zhì)依然是以教師為中心，學(xué)生處于被動觀看者的位置，依然還是教師灌輸、學(xué)生接受的傳統(tǒng)模式。當(dāng)然不可否認(rèn)，仿真演示比起只利用幻燈片的講解更加直觀和生動，對學(xué)生的學(xué)習(xí)有一定的幫助，對教學(xué)效果的改善有一定的促進(jìn)作用。但因其本質(zhì)未變，實際的教學(xué)效果提高并不明顯。

基于此，筆者在多年實際教學(xué)中逐步將傳統(tǒng)式仿真向互動式轉(zhuǎn)變，最終形成了一套互動式仿真教學(xué)模式，并在教學(xué)中取得了一定的效果。下面對這一教學(xué)方式的具體展開進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、什么是互動式仿真

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)互動式講授法和讓學(xué)生主動參與的教法讓學(xué)生更加期待[1]。互動式教學(xué)法狹義上指師生雙方在課堂教學(xué)中，就教學(xué)內(nèi)容所展開的和諧對話與交流的一類教學(xué)方法[2]。這里，互動式仿真綜合了互動式教學(xué)法和以學(xué)生為主體的教法，在仿真的整個過程中，教師和學(xué)生共同參與，但分工不同。具體來說，教師不斷設(shè)立問題推動仿真的進(jìn)行；反過來，學(xué)生解答問題，并根據(jù)仿真出現(xiàn)的種種現(xiàn)象反問問題，再由其他學(xué)生或者教師幫助解答。

在互動式仿真模式中，教師在仿真的時候要一個元件、一個元件的畫起，重要的是要在學(xué)生的“指導(dǎo)”下。這樣充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，讓他們能主動參與進(jìn)來，更有利于學(xué)生對理論知識的認(rèn)識理解。而且這樣畫出的電路圖并不能保證都是正確的、合適的，所以運行結(jié)果會出現(xiàn)錯誤或與理論不一致的情況。有了問題才能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生去探索思考。所以這正是互動式仿真的魅力所在：教學(xué)生從學(xué)習(xí)中“學(xué)會思想”，生成智慧，樹立正確的人生觀和價值觀[3]。

二、互動式仿真教學(xué)的組織和具體實施

1.互動式仿真教學(xué)的課前組織。由于教學(xué)課時和課堂教學(xué)時間的限制，整個仿真過程最好控制在十分鐘左右。所以設(shè)計的案例不宜太過復(fù)雜，需仿真的電路宜簡單，但太過簡單又意義不大。需經(jīng)典的有代表性的內(nèi)容，便于設(shè)計問題，又能囊括所需的知識點。所以選擇怎樣的內(nèi)容作為仿真案例，想要得到怎樣的預(yù)期，怎樣設(shè)計問題效果更好。就如同設(shè)計一臺好的相聲一樣，選怎樣的點入手，設(shè)計怎樣的包袱，什么時候兜著，什么時候拋出去。這些都需教師在課前認(rèn)真準(zhǔn)備，對教師提出了更高的要求。該仿真教學(xué)的實施效果一方面取決于教師，教師的知識承載力、案例設(shè)計能力、臨場組織發(fā)揮能力都直接影響到教學(xué)的開展和效果；另一方面學(xué)生的配合也很重要。為了收到好的效果，案例所涉及內(nèi)容的理論知識最好提前講解，并要求學(xué)生課前復(fù)習(xí)此部分內(nèi)容。這樣師生合力融入其中才能真正發(fā)揮出該教學(xué)模式的魅力。

2.互動式仿真教學(xué)的具體實施。由于課堂環(huán)境的限制，一般都是教師操作軟件。所以在第一次互動仿真時，先告知學(xué)生游戲規(guī)則，如：“下面的仿真主要由大家完成，我（指教師本人）只是一個操作者，成與敗都是你們說了算。”讓學(xué)生先從思想上擺脫對教師的依賴，調(diào)動他們的參與熱情。

互動式仿真主要由如下四個環(huán)節(jié)組成：①作圖環(huán)節(jié)：在簡單和學(xué)生討論了要仿真的內(nèi)容之后，正式開始操作。首先，教師打開仿真軟件，詢問學(xué)生需要哪些元件，并由學(xué)生來設(shè)定元件參數(shù)。元件參數(shù)在原則上隨意，但其實并不是天馬行空都可以。所以教師正好借此介紹一些常用值、與工程實際相關(guān)的值或者僅僅是為了容易求解的值等。例如，在積分電路的參數(shù)設(shè)置上，若學(xué)生忽視了積分電路的重要參數(shù)特點，即方波信號的周期要遠(yuǎn)大于RC電路的時間常數(shù)，則仿真時將無法出現(xiàn)正確的積分波形鋸齒波，可能是變形的，也可能根本沒有正確波形。這個時候，教師先將錯就錯，待問題顯現(xiàn)之后再來挖掘，這樣更能增進(jìn)學(xué)生對該知識點的理解。待到他們自己應(yīng)用時，再出現(xiàn)同樣錯誤的幾率將會大大減少。元件設(shè)置好之后，根據(jù)任務(wù)要求詢問學(xué)生所需的儀器和儀表。然后連線，連線過程中重點詢問學(xué)生儀器儀表的位置和連法。在該環(huán)節(jié)中，盡可能在點滴之處與實際情況相聯(lián)系，而不是為求解而求解。以學(xué)生為主體，在加深學(xué)生對理論知識的認(rèn)識和理解的基礎(chǔ)上，還增加了課堂的趣味性，更啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入思考，引導(dǎo)學(xué)生自主行動起來。②運行環(huán)節(jié)：如果時間允許，在運行之前，教師先帶領(lǐng)學(xué)生對所測的值、波形進(jìn)行簡單的理論上的回顧，使學(xué)生做到心中有數(shù)，對運行結(jié)果可期。理論復(fù)習(xí)完之運行仿真，仿真之后對仿真結(jié)果教師先保持沉默，留一分鐘左右的時間讓學(xué)生自行觀察、檢驗，相互討論。在這段時間里，教師可以對電路進(jìn)行重復(fù)運行，加深學(xué)生的感受。

在該環(huán)節(jié)中，教師和學(xué)生一起帶著期待，等待著仿真的結(jié)果，使得學(xué)生感覺是自己在操作，而不是觀看，充分調(diào)動起學(xué)生的積極性。這時學(xué)生自然會自覺地運用理論知識，對結(jié)果進(jìn)行演算、驗證，并會相應(yīng)產(chǎn)生一些問題。學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性就在這不經(jīng)意間慢慢增長起來。③驗證總結(jié)環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)是互動式仿真最重要的一環(huán)。有兩種不同的進(jìn)行模式：第一種，仿真結(jié)果與理論完全相符。這種情況下，學(xué)生會覺得很有成就感和如釋重負(fù)的感覺。教師趁機(jī)加以贊賞和鼓勵，最后用直接提問或是啟發(fā)學(xué)生發(fā)問的方式總結(jié)，如關(guān)于結(jié)論的進(jìn)一步佐證或者結(jié)論中體現(xiàn)出的一些關(guān)鍵知識點的回顧等。例如，在動態(tài)電路的仿真中，動態(tài)電路的暫態(tài)過程多長時間可認(rèn)為結(jié)束，暫態(tài)過程的長短與該電路中元件參數(shù)是否有關(guān)，在換路瞬間哪些物理量的值不能突變，為什么不能突變等。在學(xué)生小小的愉悅心情下，重要知識點會非常容易的就留在了他們的記憶中。第二種，仿真結(jié)果錯誤或與理論不一致，或者運行時出現(xiàn)錯誤提示。這時，教師要發(fā)動學(xué)生一起來尋找問題所在。通過一個一個相關(guān)知識點，不斷引導(dǎo)啟發(fā)，學(xué)生在積極參與討論的同時，涉及的知識點，甚至是仿真軟件的使用都會被一一梳理。在該環(huán)節(jié)中，不論是哪一種進(jìn)行模式，都盡量以問題為中心，不論是教師提出的問題還是仿真結(jié)果體現(xiàn)出的問題。在教師的層層引導(dǎo)下，不斷發(fā)動學(xué)生獨立思考，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識的理解掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。④課外環(huán)節(jié)：前三個環(huán)節(jié)都是教師和學(xué)生一起在課內(nèi)完成，這一環(huán)節(jié)以課后作業(yè)形式由學(xué)生在課外完成。其一，鼓勵學(xué)生在課后將課堂仿真內(nèi)容自己動手操作，并逐步將使用仿真模擬這一強大武器形成學(xué)習(xí)習(xí)慣，成為學(xué)習(xí)理論知識不可缺的一部分。其二，教師將課堂仿真內(nèi)容的相關(guān)延展內(nèi)容作為課后作業(yè)留給學(xué)生完成。其三，還可以和該課程的實驗關(guān)聯(lián)在一起，在實驗之前先用仿真模擬實驗過程得出實驗結(jié)果。再通過實驗過程的實際操作得到實際結(jié)果。仿真模擬既可指導(dǎo)實驗操作的方向，又能通過二者對比得出實際和模擬的差異，發(fā)現(xiàn)問題并解決。總之，這一環(huán)節(jié)是課堂教學(xué)的有效補充，是對課堂內(nèi)容的有效鞏固和強化，易于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力及獨立思考能力。

三、結(jié)束語

在課堂教學(xué)中加入互動式仿真，雖只有短短的十分鐘時間，但教學(xué)效果明顯。通過對從2010年起三屆學(xué)生的具體實踐和跟蹤調(diào)查，學(xué)生多數(shù)認(rèn)為該教學(xué)方式生動有趣，能使他們更容易理解理論內(nèi)容，平時也更愿意主動去接觸該方面知識。互動式仿真教學(xué)猶如一點激發(fā)起了很多個面，學(xué)生的實際實驗?zāi)芰Γǚ治觥⑴袛唷⒔鉀Q問題能力）明顯高于之前屆的學(xué)生，隨后的模電技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣和能力也有提高，參加電子設(shè)計大賽等實踐活動的學(xué)生也都明顯增多。所以在今后的教學(xué)中，筆者還將繼續(xù)推廣這一教學(xué)方式，并研究與其他教學(xué)方式的結(jié)合，為《電路》課程的良好教學(xué)效果繼續(xù)努力探索。

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