“虛實結合”電工電子實驗教學改革研究

韓濤 凌六一 黃友銳 唐超禮 徐善永

摘要：針對現階段各個高校電工電子實驗教學中，實驗室建設成本高，儀器設備成本高，無法全面覆蓋全校所有學生，實驗教學效率低下等問題，提出了在引入虛擬實驗的同時，努力發展實物實驗，通過“虛實結合”的實驗教學方法，提高了電工電子實驗教學的效率，激發了學生學習的積極性，培養了學生的多種能力，為學生將來從事更高級別的科研技術工作打好了堅實的基礎。

關鍵詞：電工電子實驗；實驗教學；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0272-02

一、引言

電工電子是高等院校中非電專業開設的一門電類基礎課程，涉及到了電路、模擬電子技術和數字電子技術的基本知識，是所有理工類學生必須掌握的一門電方面的基礎課程，重要性不言而喻。但在高等院校開設電工電子課程的同時，電工電子的實驗實踐課程由于各種原因存在著很大的不足，很多學生學習之后僅僅停留在理論計算書本上一些簡單電路參數的初級階段，對于動手連接電路，對實際電路工作原理的理解，實際電路的設計和調試都存在很大問題。

二、目前實驗教學存在問題

1.理論與實驗差距較大?，F在大多數理工科院校的電工電子實驗教學中，實驗項目數量少，所涉及的理論知識非常有限，造成了在理論教學中學習的很多理論知識，如元器件特性、電路原理、分析定理等，學生只能停留在照本宣科的階段，本來就很寶貴的實驗教學課時卻只能選擇一些基礎、簡單的理論原理作為實驗對象，無法讓學生充分、全面地理解電工電子中的所有知識和技能，有限的實驗時間也無法讓學生通過充分的實驗分析、反復的實驗操作、仔細的調試電路來深入理解所對應的知識技能，使學生對電工電子的理解和掌握大打折扣。

2.實驗教學效率低。由于普通高校實驗室建設經費有限，實驗室設備陳舊，數量有限，更新換代遲緩，而電工電子實驗過程中元器件損耗大，無法及時大量補充，造成了高校電工電子實驗資源非常緊張，學生實驗教學周期較大，缺少連續性。學生在實驗過程中遇到困難，必須要老師到達現場后面對面地交流，實驗報告還處于紙質手寫階段，每次實驗都需要經過手寫報告、人工收取報告、上交報告、人工批改報告、下發報告這幾個階段，經歷周期時間長，實驗報告問題反饋遲緩，不利于學生實驗過程的改進和學習，極大地影響了學生實驗的興趣和積極性。

3.創新性實驗缺乏。由于高校學生較多，實驗室設備條件有限，造成了實驗室只能滿足學生基本實驗需求，無法滿足日益增加的學生自主性實驗的需求，有些高校正在大力建設開放性實驗室，但需要投入大量的人力物力，需要更大的更多的實驗室，更新更快更先進的實驗設備儀器，成本巨大。

因此，實驗室的實驗時間、實驗設備的缺乏和學生的自主創新的實驗需求正在成為高校實驗教學的主要矛盾，如何能在有限的資源經費的情況下，最大地滿足學生日益增長的自主創新的實驗需求成為各個高校當前面臨的主要問題。

三、虛擬實驗的引入

針對上述各個高校電工電子實驗教學所面臨的主要問題，可以將采用虛擬儀器的虛擬實驗引入到實驗教學中。

虛擬儀器，是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統。它把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合起來融為一體，構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統?！败浖磧x器”本質地刻畫出了虛擬儀器的特征[1，2]。

虛擬儀器技術的出現是儀器發展史上的一場革命，對科學技術的發展和工業生產產生了不可估量的影響，同時也給高校實驗教學的改革和實驗室的建設帶來了曙光[3]。

1.成本低，適合大規模建設。虛擬實驗本質上是一種仿真軟件，價格成本遠低于購買實體儀器設備，尤其是大規模批量采購時購買軟件的價格成本更加經濟實惠。而在實驗過程中連接線、接頭、焊錫等材料的損耗也是實物實驗中居高不下的資金成本，更不用說實驗教學中避免不了的儀器設備的維護維修，這些都是一筆龐大的開銷，而使用了虛擬實驗的仿真軟件之后，只是需要開始購買時的一次性投資，在后期幾乎很少需要維護和維修，極大地節省了實驗成本，十分適用于大規模電工電子實驗室的建設，符合電工電子實驗教學的要求。

2.使用方便，使用率高。虛擬實驗的仿真軟件使用方便，只需要在計算機中安裝該仿真軟件即可進行虛擬實驗，實物實驗中的元器件的選取更換，元器件之間的電氣連接、焊接，實驗的運行，在虛擬實驗時僅僅只需要點擊幾次鼠標即可完成，節省了學生大量時間。在虛擬實驗電路運行的過程中，甚至可以進行中途的暫停，觀察瞬態的實驗現象和記錄瞬時多變的數據，不可謂不方便。虛擬元器件和連線等不僅可以隨取隨用，反復使用，數目不限，而且在實驗過程中更加不會有任何損壞和消耗，使用率高。

3.開放度高，教學效果好。由于虛擬實驗只需要一臺運行仿真軟件的計算機即可實現，因此整個實驗室只需要配備充足的計算機數量即可，不需要一些昂貴、復雜、笨重的實驗儀器設備，所以可以讓學生根據自己的計劃安排進行實驗的時間，不需要教師過多的管理，在自由靈活的環境下，在學生狀態最好最適合學習研究的情況下進行實驗，使得實驗教學效果達到最好。

4.種類齊全，滿足學生創新性要求。虛擬實驗是一種仿真軟件，因此元器件、設備儀器的數量、功能等不會過多的受到購買成本的影響，可以將虛擬實驗的仿真軟件中設計制作足夠多、足夠全的元器件和儀器設備等。在學生有了一些自己的設想時，完全可以隨時隨地的根據自己的感興趣想法進行自由、自主的實驗，不再受到元器件數量不足、種類不全、實驗儀器設備性能較差的限制，可以隨心所欲地嘗試著自己的新想法新創意，極大地滿足了學生進行創新性實驗的要求。

四、實物實驗的必要性

有些高校已經看到了基于虛擬儀器的虛擬實驗巨大優勢，開始逐漸建設發展虛擬實驗，但往往卻忽略了實物實驗的必要性，舍棄了實物實驗室的建設和發展。

1.實物實驗特殊性。實物實驗是在真實的物理環境中進行的實驗，溫度、濕度、風向、灰塵、速度等參數都會影響到實驗的最終結果，不可忽視；實物實驗中元件與元件之間除了宏觀上會起作用，微觀領域也在發生著微妙的變化，實驗運行時其作用的因素、條件可能在已知領域，也可能發生在未知領域，其復雜程度遠遠大于人為設定出來的仿真軟件虛擬器件所能代替，而這些都是實物實驗所必須經歷的過程和條件。

2.實物實驗的重要性。實驗的目的是為了驗證理論的正確性，而理論是對現實事物規律的一種抽象，是實實在在現實的東西，仿真軟件中的虛擬器件和用虛擬器件進行的實驗，都是在忽略了某些物理參數，理想化某些物理條件下的相對真實的器件和實驗，雖然仿真可以在一定程度上和實際情況相符，但無法真正代替實物實驗的客觀性和真實性，如果學生長期習慣于仿真的實驗環境中，其對于真實事物的理解，真實定理理論的研究不可避免的將帶有局限性，甚至是錯誤。而每次理論的驗證和猜想的證明只是通過簡單的仿真虛擬實驗進行驗證，更加不利于培養學生嚴謹踏實的工作作風，不利于學生進一步的發展。因此實物實驗是重要的、必須的和不可替代的。

五、實驗教學的“虛實結合”

1.虛擬實驗是催化劑。虛擬實驗具有的低成本、模塊化、集成化、網絡化等特點，特別適合高校大規模的配置和使用，其強大的功能，完整齊全的元件設備，簡單便捷的操作，靈活多樣的實驗方法，創新開放的本質，為學生深刻理解理論知識，掌握實踐技能提供了一個非常方便的途徑，幾乎可以使在校學生每人單獨一個實驗平臺，學生可以按照自己的興趣、想象和創造進行最具創新性的實驗。虛擬實驗的引入使得電工電子實驗教學可以覆蓋全校每一位學生，以最直觀的方式讓學生見到實驗現象，幫助學生以最有效率的方式理解課程學習中遇到的各種理論知識。最快的速度幫助學生將自己的創新性想法和推論從想法階段過渡到實驗階段，以最接近真實的實驗過程驗證學生設想出來的種種推論和猜想，為最終的實物實驗真實可靠的驗證創新性推論或猜想做好充分準備。

2.實物實驗是根本。為了培養學生嚴謹踏實的作風，為了確實證明學生自己的推論或猜想的真實性和正確性，在虛擬實驗仿真完成后，最終必須經過實實在在的實物實驗進行驗證，實物實驗是不可替代的一個必要過程，無論虛擬實驗仿真結果多么正確，都必須要進行實物實驗，只有在現實環境中的實物實驗才能將現實世界中各種已知和未知因素融入實驗之中，也只有在通過了實物實驗驗證之后，創新的想法和推論才能得到最具說服力的證明，也只有這樣才能最終證明理論的正確與否，實驗結果才能讓人信服。

六、結論

通過“虛實結合”的電工電子實驗教學，在提高了學生學習效率的同時，培養了學生更加嚴謹踏實的作風，為學生將來更好的發展和更高級別的科學技術研究工作打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]李志瑞，程萬里.高校虛擬儀器電工電子實驗應用研究[J].安陽工學院學報，2015，（03）：57-58.

[2]劉喜有.電工電子虛擬實驗室技術研究[J].硅谷，2014，（01）：46-47.

[3]陳永建，周艷.網絡虛擬電子實驗室對教學模式改革的影響及其構建[J].實驗科學與技術，2014，（12）：213-217.