基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

熊潔 李加升 林琳

摘 要：針對傳統(tǒng)電子技術(shù)教學(xué)中存在的問題，提出了一種基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式，分析了任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的含義和虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程體系作用，最后給出了基于虛擬仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的具體實施方案，通過本文給電子技術(shù)教學(xué)改革和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式提供了一種途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；任務(wù)驅(qū)動式；電子技術(shù)；動手能力；創(chuàng)新能力

一、 引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》中提出把改革創(chuàng)新作為教育發(fā)展的強(qiáng)大動力，創(chuàng)新人才培養(yǎng)體制，改革教學(xué)內(nèi)容、方法、手段。我校作為一所應(yīng)用型地方本科院校，在強(qiáng)化人才培養(yǎng)中心地位的同時，不斷深化教學(xué)改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)的創(chuàng)新應(yīng)用型專門人才。而電子技術(shù)課程是電子電氣類非常重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，又是實踐性非常強(qiáng)的專業(yè)課程，對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著非常重要的作用。因此探尋一種新的電子技術(shù)教學(xué)模式有著很重要的意義。基于此，本文提出一種基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式，以“任務(wù)”為目標(biāo)，以“學(xué)生”為主體，以“虛擬仿真”為手段，驅(qū)動學(xué)生開展探究式的主動學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和解決實際問題的能力，通過“任務(wù)”的完成，使學(xué)生具有強(qiáng)烈的“成就感”和“獲得感”，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

二、 傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)中存在的問題

電子技術(shù)是一門實踐性、應(yīng)用性都非常強(qiáng)的學(xué)科，對學(xué)生的動手能力和設(shè)計能力要求非常高，其實驗和實訓(xùn)的比重在課程體系中非常大。傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)和實驗教學(xué)存在諸多問題：

1. 傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)中都是以老師為主體，由老師確定講課的內(nèi)容，輔以PPT播放，學(xué)生在課堂中被動地接受知識，沒有更多自己選擇和思考的時間和空間，因此教學(xué)效果大打折扣。

2. 傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)方式是理論教學(xué)和實驗教學(xué)分開進(jìn)行的，在講解比較抽象難以理解的理論知識時，教師一般都是對照PPT上的電路圖，對工作原理進(jìn)行分析，對一些理論公式進(jìn)行推導(dǎo)，完成知識點的講授，但這種方式對于學(xué)生來說沒有直觀的感受，印象不深，導(dǎo)致學(xué)生對課程內(nèi)容理解不透徹，往往使得教學(xué)效果大打折扣。

3. 傳統(tǒng)的實驗教學(xué)都是在實驗室里，先由教師講授實驗原理，后由學(xué)生自己動手在實驗箱上操作，而實驗箱一般都是模塊化電路，省掉了學(xué)生設(shè)計電路、自主搭建電路的部分，導(dǎo)致大部分的實驗成了只注重輸入輸出關(guān)系的驗證性實驗，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)的獲得感不強(qiáng)。另外，由于實驗課都有時間的限制，學(xué)生只能在有限的時間里完成實驗，離開實驗室就無法繼續(xù)開展，所以留給學(xué)生自主思考、解決問題和自主設(shè)計的時間很短，導(dǎo)致實驗效果一般。

4. 傳統(tǒng)的實驗由于受到場地、資金的限制，往往存在設(shè)備陳舊，更新?lián)Q代不及時；大型貴重儀器數(shù)量少，無法滿足學(xué)生人數(shù)不斷增長的需求；儀器損壞之后，無法迅速及時的修復(fù)等情況。使得實驗中出現(xiàn)正確率不高，影響學(xué)生的實驗結(jié)果以及實驗跟不上技術(shù)的發(fā)展等問題。

5. 在教學(xué)中，有些知識點從理論上分析學(xué)生能夠理解，但在實驗過程中，因為現(xiàn)象存在的時間較短，實驗中很難比較好的再現(xiàn)這些現(xiàn)象，如振蕩器起振的過程、競爭冒險現(xiàn)象等。

三、 “任務(wù)驅(qū)動式”教學(xué)的含義

“任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法”的提法來源于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，其中心思想認(rèn)為：學(xué)生應(yīng)該是知識的主動接受者，是獲得信息后的加工者，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程應(yīng)該是積極主動的，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，其目的就是要讓學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。“任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法”以任務(wù)為手段，推動學(xué)生主動去尋求解決問題的方法，在完成任務(wù)的過程中來獲得知識，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中以教授知識為主的理念，將要講授的知識點隱含到布置的任務(wù)中去，學(xué)生通過由“發(fā)現(xiàn)問題，探求方法，提出方案，解決問題，完成任務(wù)”這一過程，完成新知識的獲取，同時也使學(xué)生有解決問題之后的成就感，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動的“填鴨式”教學(xué)為主動的“探究式”教學(xué)，讓學(xué)生在這過程中逐漸形成自主學(xué)習(xí)、運用知識、獨立思考、解決問題的學(xué)習(xí)體系，潛移默化地提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

四、 虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程體系中的作用

隨著計算機(jī)技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）在各行各業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，在電子技術(shù)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)則在電路設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。虛擬仿真技術(shù)讓我們可以通過計算機(jī)的操作來模擬一個真實的電路或系統(tǒng)，通過計算機(jī)仿真，能直觀地展現(xiàn)操作過程和現(xiàn)象結(jié)果，具有逼真的效果。以虛擬代替現(xiàn)實、用軟件替代硬件是虛擬仿真最大的特點。電子技術(shù)中常用的仿真軟件主要有美國NI公司的Multisim、Labview軟件、英國Labcenter electronics公司的Proteus軟件、美國MathWorks公司的Matlab軟件、Altium公司的Altium Designer軟件。這幾款軟件在電子技術(shù)課程中的應(yīng)用如下表：

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到電子技術(shù)教學(xué)中有以下優(yōu)點：

1. 虛擬仿真軟件提供了豐富的仿真元器件庫，各種實驗室中常見的虛擬儀器儀表和各種電子電路的模板電路。有的還提供了逼真的元器件和儀器儀表的實際效果圖，讓學(xué)生用鼠標(biāo)操作過程有一種像在實驗室里用手操作的體驗，也給學(xué)生提供了一個熟悉各種元器件和練習(xí)使用儀器儀表的途徑。例如，下圖給出的Multisim軟件中的泰克示波器和實際示波器面板的對比：上圖為軟件中的泰克示波器面板，下圖為實際的泰克示波器面板，可以看到幾乎是一樣的。

2. 虛擬仿真軟件給學(xué)生構(gòu)建了一個屬于學(xué)生自己的實驗室。學(xué)生通過自己的計算機(jī)，安裝上電子仿真軟件，就相當(dāng)于進(jìn)入到了實驗室，可以按照自己的要求搭建虛擬電路，在虛擬的平臺上開展自己的實驗，驗證自己的設(shè)計，而且還不受時間和空間的限制。另外，在虛擬的環(huán)境中可以開展成本相對較高、由于破壞性不可逆、危險性較高或現(xiàn)實實驗很難再現(xiàn)的實驗，且不消耗實際的元器件，使得實驗成本大大降低。

3. 虛擬仿真軟件具有很強(qiáng)的逼真度和互動性，可以讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的操作感，從而提高了仿真實驗的趣味性，增加了學(xué)生的參與熱情。

五、 基于虛擬仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的具體實施

基于仿真技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式結(jié)構(gòu)可以用下面的方框圖表示：

具體實施方法：課前，教師依據(jù)大綱的教學(xué)內(nèi)容給定一個具體的設(shè)計任務(wù)或問題，并從給定的任務(wù)和問題中分離出大綱中需要學(xué)習(xí)的知識點，學(xué)生帶著任務(wù)從書本或查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料中自主學(xué)習(xí)，來獲取有用信息，進(jìn)行設(shè)計，利用仿真軟件對設(shè)計的正確性進(jìn)行驗證，找到自己學(xué)習(xí)和設(shè)計中的問題。課中，教師在課堂教學(xué)中對知識點進(jìn)行詳細(xì)地講解，并對任務(wù)設(shè)計過程進(jìn)行講解，設(shè)計結(jié)果用仿真軟件驗證，讓學(xué)生對自己的設(shè)計和教師的設(shè)計進(jìn)行對比，從而發(fā)現(xiàn)自己的問題所在。課后，教師布置相應(yīng)的任務(wù)強(qiáng)化知識點的掌握。

采用虛擬仿真技術(shù)對設(shè)計進(jìn)行驗證的好處在于：虛擬仿真軟件能提供一個良好的實踐平臺，不局限于時間和場地的約束，只要有一臺電腦，就可以開展實踐。學(xué)生可借助于虛擬仿真軟件，自主地安排計劃，對于理論課上留下的疑點和難點，也可以通過虛擬仿真的形式進(jìn)行研究，加深對理論知識的理解。

通過以上的過程，學(xué)生帶著任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在“實踐中”學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，學(xué)生通過自己的努力，設(shè)計出了電路，給學(xué)生帶來了“成就感”和“獲得感”，提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時對學(xué)生實踐動手能力也有一定的提高。

具體教學(xué)案例，如555定時器及其應(yīng)用的理論教學(xué)：

1. 課前下達(dá)任務(wù)：對555定時器功能進(jìn)行測試，用555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器的仿真電路。

2. 課堂教學(xué)中主要講解555定時器的工作原理和555定時器的兩個知識點應(yīng)用，講清楚課前下達(dá)任務(wù)的電路工作原理。

3. 課后布置設(shè)計任務(wù)：①觸摸定時控制開關(guān)設(shè)計（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用）；②簡易電子琴電路設(shè)計（多諧振蕩器的應(yīng)用），要求設(shè)計出電路并用仿真軟件進(jìn)行仿真。

通過這個過程，可以讓學(xué)生對555定時器及應(yīng)用有非常深刻的理解。

六、 結(jié)束語

電子技術(shù)是實踐性和應(yīng)用性都非常強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此，將基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)手段應(yīng)用到電子技術(shù)教學(xué)中，以項目為手段，以仿真軟件為工具，綜合了虛擬仿真和任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的優(yōu)點，解決傳統(tǒng)教學(xué)方式的一些弊端，為電子技術(shù)課程體系改革和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式提供了一種途徑。作為地方性應(yīng)用本科院校的一名教師，將在以后的教學(xué)實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，使基于虛擬仿真的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式發(fā)揮最大的作用。

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作者簡介：

熊潔，李加升，林琳，湖南省益陽市，湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院。