基于虛擬仿真的數字電子技術教學模式開發＊

白曦龍，王迎輝，盧振生，楊 倩，唐紅霞，王九龍

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江 綏化 152061）

2016 年1 月18 日，習近平總書記在十八屆五中全會中指出了“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念[1]，并在一帶一路合作高峰論壇中強調：“我們要促進科技同產業、科技同金融深度融合，優化創新環境，集聚創新資源。我們要為互聯網時代的各國青年打造創業空間、創業工場，成就未來一代的青春夢想。”而新工科的內涵正是為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、《中國制造2025》等一系列國家戰略[2]。綏化學院作為地方應用型本科院校，具有服務地方，立足于地方性、應用型、開放式、國際化的辦學定位，同時制定厚基礎、強應用、養德性、善創新、高素質的培養規格[3]，均符合新工科人才培養理念，“數字電子技術”是電子信息工程專業的核心基礎課程，為后續的“單片機原理與接口技術”“DSP及傳感器原理”等課程的基礎，而傳統的數字電子技術教學模式具有知識面固定、教學內容老化、教學方法單一以及實驗教學成本高等弊端，無法滿足我國新時期新工科建設的具體實際教學要求，即同時適應當前行業產業發展的變化和滿足未來行業產業發展的需求。基于此，本文為了響應“新工科”的教學背景，設計并開發了基于虛擬仿真的數字電子技術教學新模式。

1 虛擬仿真技術的優勢分析

為提高新時代背景下高等學校實驗教學質量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真教學項目，利用線上+線下相結合的教學模式擴展學生的知識層面、增加學生的學習資源、提升學生與教師的互動能力，虛擬仿真技術可以依賴于網絡云端的教學資源，有利于教學資源協調建設、高效管理與應用[4]。在資源共享的平臺上，有助于提高教學質量，促進高校之間、校企之間協調發展，實現“產出導向”的培養模式，數字電子技術中涉及成本較高的耗材時，學生可采用仿真平臺，通過模型建立、參數選擇以及仿真計算等過程，在了解芯片電路工作機理的同時，還了解了軟件和平臺的應用，潤物細無聲中拓展了學生的知識，激發了學生的學習興趣。

2 教學模式的開發

在經典的建構主義中，教師的講解并不是學生學習知識的有效渠道，通過學生在錯綜復雜的政治、社會、經濟及文化背景下，教師作為學生學習的輔助資源，學生自主有效地借助社會中的學習資料和資源，通過意義建構的方法捕獲工作中所需的知識與能力[5]。而虛擬仿真教學技術的特性和優勢恰好有利于實現建構主義學習理論中的四要素，即“情境”“協作”“會話”“意義建構”，其中情境對于理工科數字電子技術中抽象的學習顯得尤為重要，集成芯片由上萬個甚至上億個電子元器件構成，結構相對機械零部件更加復雜，不同集成芯片的工作原理更是各不相同，且在工作上存在較為復雜的連帶關系，為此如何運用虛擬仿真技術開發和實現有效的教學情境可以增進學生數字電子技術的理解非常重要。

為真實體現復雜芯片結構在工作過程中情境的真實有效性，在教學設計中需規范情境所包含的知識，同時更應該增加知識在生產生活中的運用場合，增加其與應用型本科教學的契合度，虛擬仿真技術兼有技術實現的真實存在感和良好交互特性，將其結合三維動畫技術、先進的生活性、發展性教育理念，鼓勵學生在虛擬仿真學習情境中進行探究、訓練和體驗，通過人機交互的方式加深對數字電子技術中抽象復雜知識的應用理解[6]。在認知心理學的教學范疇內，將學生所學的知識分為陳述性和程序性，對于大量內容為陳述性知識的數字電子技術而言，需要虛擬仿真平臺具有較高的擬合度，因此基于虛擬仿真技術的數字電子技術教學中更應完全遵循科學的客觀規律因素，即應該合理運用物理引擎、選用合理的仿真平臺，針對性地模擬數字電子技術在現實中的客觀規律，從而準確、高效地把知識在真實中運用的方式呈現給學習者。基于以上對虛擬仿真技術與教學方法的研究，本課題小組所設計的教學策略如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學策略設計

3 與傳統教學的比較

利用本項目組開發的教學模式，數字電子技術課程包含48 學時線上學習和32 學時教師線上+線下指導，對比三個年級采用傳統教學模式與“基于虛擬仿真技術的數字電子技術教學模式”的學生學習成績進行分析，其統計表如表1 所示，其中2017 級同學采用傳統教學模式授課，2018 和2019 級同學采用“線上+線下混合式”教學模式進行授課。

表1 不同年級考試成績統計表

通過以上三個年級學生成績對比分析可知，其中2017級同學采用傳統教學模式，2018 和2019 級同學采用“基于虛擬仿真的數字電子技術”教學模式，本項目組所開發的新教學模式不僅提高了優秀學生占比，同時降低了不及格學生比例，總體學習成績和積極性得到了明顯提升，同時提高了班級的平均成績，為后續學生學習單片機原理與接口技術、DSP以及傳感器原理等專業課打下了堅實的基礎，通過以上教學實踐課充分說明：本項目所開發的教學模式能夠有效促進學生整體知識水平的提高，對班級平均成績的提高和不及格率的降低具有顯著效果。本教學模式克服了傳統教學中存在的問題，對應用型本科院校電子信息工程專業中數字電子技術的教學改革具有一定的促進意義，為滿足新時期的信息化教育注入新活力。