論電路課程教學中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏中國民航大學 天津 300300

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論電路課程教學中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏
中國民航大學 天津 300300

摘 要：電路課程是電氣專業的一門主干技術基礎課，對學生工程應用能力及創新能力的培養起著關鍵作用。為改善傳統電路課堂教學模式，充分調動學生學習積極性，拓展實踐教學內容，探討將虛擬實驗引入理論教學的重要意義。借助虛擬實驗有助于展示教師授課感染力，提高課堂教學效果。通過進一步開展研究型教學，促進學生理論分析與工程實踐兩方面能力的同步培養。

關鍵詞：電路理論；教學改革；虛擬實驗

儀器設備是高校開展教學、科研和服務社會的物質基礎，直接制約著高等教育教學質量和科研水平的提高，做好儀器設備管理工作，使其在人才培養與科學研究中發揮良好效能，是當前各高校普遍面臨的共同難題。電路課程作為電氣專業學生接觸的第一門專業基礎課，其內容主體可分為教授線性電阻電路、非線性電阻電路、動態電路和正弦穩態電路的分析方法[1]，從而引出后續相關課程如模擬電子技術、數字電子技術、電力電子技術、自控原理等所需的若干基本概念。因此，電路課程在激發、培養學生對本專業課程學習的興趣，提高學生專業素質等方面具有舉足輕重的作用。

電路課程教授的主要分析方法和其構建的經典電路源于20世紀中葉，課程教學專注于分析理想模型構成的電路，使得學生學習缺乏實際元件到電路模型的建模觀點，僅限于完成列方程求解電路習題，與實際應用分析有較大脫節。而我國在建設創新型國家的戰略發展需求下，對高校人才培養質量也提出更高的要求，提倡創新型人才培養模式，比如“CDIO”教育模式、“卓越工程師培養計劃”等[2]。與之對比，現行傳統電路課程教學現狀是內容抽象，電路分析方法與實際電路存在嚴重脫節，教學手段和方法與培養創新型人才的目標相距甚遠[3]。如何提高電路的課堂教學效果，激發學生學習熱情和自主性，一直是任課教師不斷探索的工作。本文將對分析電路課程特點及教學中存在的普遍問題，提出在構建主義教學理論指導下將虛擬實驗引入電路教學的設想，分析將仿真軟件應用引入電路教學的必要性和可行性。

1 傳統電路教學的弊端與反思

隨著國家高質量人才培養需求的提出，課程教學的宗旨是：在課堂教學中重點培養學生的工程意識和創新意識，從根本上激發學習興趣，提高學生的工程素養和實踐能力，滿足未來行業要求。然而，目前我校電路教學還存在以下一些問題。

1.1 多理論灌輸 缺乏與實踐結合

電路課程作為電氣類專業技術基礎課，其課程任務是講授電路的基本理論和分析、求解電路的基本方法，培養學生分析問題及解決問題的能力，為學生今后學習其他相關專業課程奠定基礎，最終為工程應用設計研究服務。但在電路理論教學中，解題技巧被過分強化，而利用有效計算分析軟件工具被弱化；電路分析方法模式化，而電路的工程特性介紹淡化。如果教師過多推導復雜公式，驗算抽象習題，再加上教材枯燥乏味，初學者會逐漸喪失學習熱情，無法開闊視野、啟迪思維，更談不上應用和創新。

由于傳統的教學模式主要以教師為中心的單向知識傳播模式，學生常常是被動接受知識，在課堂上交互性較差。而電路涉及的知識點及例題較多，使得課堂呈現的解題過程較長，注重解題技巧，而忽視實際電路建模分析過程。這種教學方式未能實現基礎理論知識和實際電路分析操作相結合，無法激發學生利用理論知識展開工程實踐的熱情。

1.2 實驗教學模式老化

現行電路實驗教學多由實驗指導中心統一安排，其教學模式一般由教師事先安排好實驗題目，先講解示范或者學生按照實驗講義進行操作、觀察現象、記錄數據。大多數的實驗內容為驗證性實驗，實驗教材或手冊含有具體實驗步驟，一些模塊化的實驗電路只需按標記進行連線，缺少實驗的探索性和研究性。這種實驗過程往往使得學生沒有自己獨立的理解、開發及創新運用，一定程度上束縛了其主動性和創造性的發揮，不利于培養學生分析問題和解決問題的能力。而實驗場地、實驗設備、實驗經費及指導教師數量的短缺，也限制了學生獨立自主地開展實驗。此外，由于實驗設置獨立于課堂理論教學，實驗項目不能很好地配合課堂教學進度，導致學生不能很好地運用所學理論知識分析理解電路實驗內容，難以做到學以致用。

為了提高電路理論的課堂教學效果，教師一直不斷探索新的教學方法和手段，比如采用PPT課件或進行實物演示等。但由于PPT存在難以即興進行人機互動的缺點，實物演示又受諸多客觀因素限制，視覺效果不理想。因此，如何利用有限的課堂教學時間，充分調動學生學習電路理論的熱情，同時搭建理論聯系工程實踐的橋梁，是改進教學手段和方法的關鍵。

1.3 考核方式簡單 缺少形成性評價

電路理論課堂教學為82學時，完成電阻電路、動態電路、正弦和非正弦電路三部分內容，學習任務較重，限制了課堂實驗教學的延展。而現在廣泛采用的教學評價方式多體現在重理論輕實踐、重再現輕創造的卷面試題上。這就使得教師講課注重理論及解題分析，學生為應付考試臨時突擊過關，結果導致學生對思維過程的輕視，不能形成對知識的逐步認知、理解、運用的習慣，進而限制學生由理論到實踐展開發散思維的能力，抑制其解決問題的靈活性和創造性。傳統的課堂教學模式和評價方法，使得大部分學生一味地為獲取優秀的理論考試成績而努力掌握電路理論及其解題技巧，從而使得電路知識與工程實踐應用脫節。因此，需要一種更加合理的形成性評價方式來激勵學生，使其重視學習過程，善于發現實際工程問題與電路模型之間的關系，進而實現理論知識的綜合運用。

實驗教學是培養學生興趣及創新能力的重要途徑，是未來電路理論課程教學改革的重點。電路理論課程由于理論和公式繁多，學生學習興趣較小，而且傳統實驗教學無法起到啟發學生自主學習、積極創新的意識。因此，如何在教學中創造條件，將理論知識有效結合實驗資源，增強教學過程實踐能力的培養，是教師不斷探索的目標。基于仿真技術引入課堂虛擬實驗可作為一種新的教學輔助手段，充分發揮教師的教學想象力，這將有利于激發學生主動思維、增強課堂教學效果，下面將進一步展開論述。

2 虛擬實驗及其電路教學應用特點

虛擬實驗向實驗者提供一個基于計算機多媒體技術和虛擬仿真技術的軟件窗口，學習者可以操作、觀察、實驗。目前，教學版實驗工具主要有Pspice，Multisim和PSIM等，教師可靈活選擇構建友好操作界面和類似真是的測試儀器，實時改變元件參數或電路結構，滿足課程內容需要。引入虛擬實驗改革教學方法，對于改善現階段電路多理論灌輸、缺乏與實踐結合的缺點，具有以下幾點好處。

2.1 有助于突破課堂教學難點

虛擬實驗的引入有利于提高課堂教學效果。在電路課堂教學過程中，由于大部分學生是第一次接觸工程相關知識，理解抽象的理論知識比較困難。比如，三相電路部分一直都是學生學習的難點，直接影響后續專業課程相關知識的學習。實際三相電路這部分內容與實際生活息息相關，但單憑講解理論、分析典型電路模型，學生依然覺得過于抽象難以理解。而借助虛擬實驗，教師可以設計電路實現三相四線制、三相三線制電路的對稱和非對稱情況，模擬不同工作狀態，同時獲取不同變量的變化信息。這樣將復雜問題形象化，擺脫以往列方程求解的單一學習模式，使學生一目了然，對概念理解更加直觀。教師將仿真技術運用到電路或元件分析中，在講解電路原理的同時，運行虛擬實驗平臺，模擬電路仿真結果對比方程分析計算結果，更能幫助學生理解學習電路分析計算方法的意義，從而提高課堂教學的質量。

2.2 有助于提高學生學習興趣

電路作為電氣專業的入門課，其學習效果直接影響后續課程的學習。傳統教學注重傳授理論知識，強調電路模型的分析計算方法，使學生困頓在煩瑣的公式推導和抽象的例證分析，卻忽視了讓學生感受電路的真實性及其工程意義，缺乏直觀性和生動性。理論與實際脫節，導致學生產生“難學、抽象、厭學”的思想，從而對該課程學習喪失興趣和信心。在教學過程中的具體表現就是學生學習感到枯燥乏味，教師講課費時費力，難以產生教學互動。而仿真軟件的引入，教授可以利用庫元件搭建各種電路模型，結合理論分析展開仿真演示。生動、直觀的模擬演示，可以加深學生的感性認識，消除學習抽象概念和求解復雜習題的疲倦感，活躍課堂氛圍，增加學習興趣。

2.3 有助于培養學生創新能力

實踐教學的目的是培養學生理論聯系實際的能力。而虛擬仿真技術的引入，在幫助學生理解理論難點的同時，也加強了學生邏輯性的思維訓練。伴隨學生學習興趣的增長和知識的積累，仿真實驗可以延伸到課堂以外，學生隨時可以利用計算機模擬各種相關實驗課題，從而幫助其實現對電路理論從感性認識到抽象認識的飛躍。仿真實驗還可以滲透至畢業設計、科技制作、電子競賽等各個方面，通過仿真電路設計合理的電路方案，既培養了學生電子電路分析、設計和制作的能力，又提供了學生自我工程素質鍛煉和自主創新意識培養的條件，從而實現教學改革的目的。

3 基于虛擬實驗的課堂教學模式

借助仿真虛擬實驗，教師在設置教學策略時，可提供學生更豐富的電路學習直觀素材，使抽象問題形象化，進而對傳統電路實驗形式進行課堂拓展，通過觀測仿真電路發現電路本質，充分理解電路定理含義，有利于學生直覺思維的培養。相應教學模式也應做適當調整，充分發揮虛擬實驗輔助教學的潛能，開發學生自主學習及創新思維能力。

研究性教學[4]強調教學過程中培養學生的研究興趣和工程創新的觀點。教師依據教學情境利用虛擬仿真軟件設計實驗電路，引出問題啟發學生思考并鼓勵學生回答，進行啟發式教學。同時，圍繞問題開展交互討論，加深對基本概念的理解和對基本分析方法的掌握。研究性教學是一種模擬性的科學研究活動，學生在教師所創設的教學情境下，通過實驗、觀察、思考、表達與交流等探究活動獲取知識；是以解決問題為重點，充分調動學生學習主動性為前提，發展學生獨立思考和創造能力為目的的教學模式。在教師的有效引導下，虛擬仿真軟件構建了理論知識與工程實際問題的橋梁，使學生初嘗電路原理工程應用的魅力，同時激發學生的創新潛能，掌握一定的實驗技能，加深對課堂和科研所學知識的理解和應用，最終培養學生的創新能力。

4 考核內容多樣化

電路課程考試形式內容也應在教學改革過程中做相應調整，真正實現教、學、考三者和諧統一。考試內容方面，在考查學生基本理論知識掌握情況基礎上，增加知識實際運用能力的考查，力求提高學生獨立分析問題和解決問題的能力。考核方式方面，為了培養學生自主學習能力，激發工程創造性，兼顧學有余力學生的能力發展，可采用多元化的考核方式對學生的知識掌握與運用、工程和創新能力進行綜合評價。在以往評價指標，如課堂表現、階段測試、期末考試、平時作業等基礎上，增加基于虛擬實驗的綜合項目設計，由此進一步激發學生自主學習熱情。

5 結束語

仿真教學通過教學資源的優化配置，創建新型的課堂教學模式。理論知識的發展，不僅是建立在數學推演中，也需要工程實踐的不斷證明。教學過程離不開實驗，枯燥的理論推導無法激起學生的學習熱情，各種仿真軟件為改進理論教學提供了條件。通過教師設立的各種驗證性、設計性、綜合性虛擬實驗，使學生將難以理解的抽象概念與實際工程問題融會貫通，大幅改善教學效果。同時，在虛擬實驗教學過程中也培養了學生分析問題和解決問題的能力，有利于其創新型工程素養的提升。因此，電路基礎理論的教學過程中適宜地加入虛擬實驗環節，有助于高質量工程人才的培養。

參考文獻

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[2] 朱桂萍,于歆杰,陸文娟.“電路原理”課程深度改革的理念探索[J].電器電子教學學報,2013,35(5):1-5.

[3] 熊小萍, 韋東梅,覃美珍.在電路理論課程教學中培養學生創新能力[J].中國電力教育,2012(11):36-37.

[4] 于歆杰,陸文娟,王樹民.專業基礎課中的研究型教學:清華大學電路原理課程案例研究[J].高等工程教育研究,2006(1):118-121.

[5] 馬月紅,王雪飛,梁四洋.離散傅立葉變換及其應用[J].中國現代教育裝備,2015(13):56-58.

[6] 張華.仿真技術在模擬電路教學中的應用研究[D]. 濟南:山東師范大學,2011.

The Importance of Virtual Experiments in the Classroom Teaching of Circuit Theory

Fan Wenru, Ma Min
School of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin, 300300, China

Abstract:Circuit theory is a main basic technical course in the major of electrical engineering. And it plays a key role in training engineering and innovation ability for the students. In order to improve the effectiveness of classroom teaching, fully mobilize the enthusiasm of students and expand the contents of practical teaching, this paper discusses the importance of introducing virtual experiments into theory teaching. With the help of virtual experiments shown in class, the teachers can show their own teaching charm and improve the effectiveness of class teaching. Finally, the ability of theoretical analysis and engineering practice can be trained synchronously through research-based teaching.

Key words:circuit theory; teaching reform; virtual experiment

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：范文茹，博士，講師。馬敏，博士，教授。

基金項目：中國民航大學教研項目(編號：C A U CETRN-2015-63)。