基于Proteus仿真及競賽驅(qū)動的測控電路教學(xué)改革探索

楊海馬 江斌 劉鑫 李筠 張大偉 劉瑾

摘? 要 通過多年測控電路教學(xué)實(shí)踐工作的積累，以Proteus仿真軟件平臺為載體，以競賽驅(qū)動模式為應(yīng)用手段，貫穿測控電路課程中的案例教學(xué)主線，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式，將各章節(jié)的內(nèi)容融于競賽中常見的項(xiàng)目中，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的樂趣，培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主思考能力和在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用能力，為測控電路實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供一種方法參考。

關(guān)鍵詞 測控電路；Proteus；競賽驅(qū)動；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0044-03

0? 引言

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，檢測技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息產(chǎn)業(yè)支柱之一，它的地位日益凸顯[1]。測控電路是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門學(xué)位專業(yè)必修課，同時是該專業(yè)的核心課程[2]。傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)是以檢測為基礎(chǔ)、傳輸為途徑、處理為手段、控制為目的的閉環(huán)系統(tǒng)。學(xué)生通過對測控電路的學(xué)習(xí)，可以把傳感器原理、單片機(jī)控制、智能儀器等相關(guān)課程連接起來，從而形成一個完整的智能測控系統(tǒng)體系[3]。該課程不是對電子學(xué)或電子技術(shù)課程的一般深化與提高，而是在測量和控制應(yīng)用與電子技術(shù)之間架起一座橋梁[4]。因此，學(xué)好測控電路對于測控專業(yè)的學(xué)生具有重要意義。

本課程具有很強(qiáng)的專業(yè)特性，需要有較好的先修課程的支持[5]。因此，測控電路的學(xué)習(xí)對學(xué)生的知識儲備要求較高，學(xué)生需要具備電工技術(shù)、數(shù)模電、信號處理等課程知識。學(xué)生上課若不認(rèn)真學(xué)習(xí)，課后復(fù)習(xí)又存在許多疑問且沒有興趣去解決，一環(huán)扣一環(huán)，會導(dǎo)致問題不斷積累但又無法解決的惡性循環(huán)，以致無法掌握該課程。

雖然測控電路對學(xué)生要求較高，但它并不是一門晦澀難懂的課程，而是由一個個真實(shí)的器件結(jié)合理論形成的電路，是有靈魂的，只要學(xué)生能對它產(chǎn)生興趣、投入精力，就可能學(xué)好這門課，同時帶動相關(guān)課程的復(fù)習(xí)與進(jìn)步。結(jié)合這幾年測控電路課程教學(xué)及競賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)與科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者進(jìn)行總結(jié)、探索，提出基于Proteus仿真及競賽驅(qū)動的測控電路教學(xué)改革新思路。實(shí)踐表明：該方法教學(xué)效果好，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，吸引學(xué)生投入更多的精力去獨(dú)立思考、交流，提升學(xué)生的動手能力，在課程設(shè)計(jì)、競賽中都能有不錯的實(shí)踐應(yīng)用。

1? 教學(xué)理念與平臺介紹

在多年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，工科的許多課程，如測控電路、電子電路、數(shù)模電等，課堂教學(xué)側(cè)重理論，不能在實(shí)踐環(huán)節(jié)及時跟進(jìn)，會讓學(xué)生感到枯燥、晦澀難懂，并且會打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，一些學(xué)生的電路知識基礎(chǔ)較差，對電路認(rèn)知比較抽象，更加難以理解和掌握測控電路的內(nèi)容。因此，教師需要找到一種模式方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)并能夠?qū)W以致用。學(xué)校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室由于設(shè)備和空間有限，不能滿足學(xué)生每次課后都及時做實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)上課的電路知識。本模式結(jié)合Proteus仿真軟件平臺，讓學(xué)生能夠及時通過虛擬實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)所學(xué)電路內(nèi)容，在一次次成功的實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)中一步步地獲得成就感，以此提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動手能力。Proteus是英國Labcen-ter公司開發(fā)的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真等功能[6]。運(yùn)用Proteus，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)器材老化和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目不完整性等缺陷[7]。

Proteus豐富的電子元器件庫、清晰易懂的布線方式、簡潔明了的操作界面，不僅能讓測控電路直觀地操作演示，學(xué)生還能夠快速上手，親手搭建電路、觀察現(xiàn)象。在Proteus中，可以很清晰地觀察電平的變化，直觀的感性認(rèn)識可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握[8-9]，因此，Proteus是非常適合本模式的一個工具。同時，近幾年，很多競賽、項(xiàng)目的出現(xiàn)，許多學(xué)生也很感興趣。若要參加這些競賽或項(xiàng)目，學(xué)生需要掌握比較過硬的電路知識，比如電子設(shè)計(jì)大賽。于是，結(jié)合實(shí)際，提出一種基于競賽驅(qū)動的教學(xué)模式探索。結(jié)合Proteus仿真軟件平臺與測控電路理論知識，學(xué)生在課后能夠及時復(fù)習(xí)鞏固課堂內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)習(xí)知識，養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣和能力，并能在競賽中學(xué)以致用，取得較好的成績。學(xué)生積極學(xué)習(xí)的興致，可以帶動身邊的同學(xué)，在專業(yè)中形成一種良性的正循環(huán)。不僅是學(xué)好測控電路這一門課，通過良好的學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)與學(xué)以致用的樂趣，也可以帶動其他課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)能力，成為合格的、專業(yè)素質(zhì)過硬的工科生。

2? Proteus仿真項(xiàng)目教學(xué)改革方法

理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是兩種典型的本科教學(xué)方式，是教學(xué)體系的有機(jī)組成部分，任何一種缺失或存在缺陷，都會導(dǎo)致教學(xué)體系不完整，并對教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。本文從四個方面來講述實(shí)踐教學(xué)改革方法，分別是內(nèi)容設(shè)計(jì)、平臺構(gòu)建、課堂教學(xué)與比賽實(shí)例。

2.1? 實(shí)驗(yàn)仿真的內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真的內(nèi)容設(shè)計(jì)是本模式至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，只有科學(xué)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，才能夠引導(dǎo)學(xué)生一步步地掌握課程知識，形成一套完整的測控電路體系。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠深刻理解多課程之間的聯(lián)系與在實(shí)際中的應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加直觀清晰地接受上課所學(xué)的內(nèi)容，才有可能學(xué)以致用，應(yīng)用在競賽、項(xiàng)目之中。表1是測控電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)的內(nèi)容與目的。

2.2? 教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)多為PPT口述，缺乏實(shí)際的工程應(yīng)用，枯燥無趣。一個良好的課堂氛圍應(yīng)該是教師多板書，結(jié)合一些有趣的電路動畫、模擬仿真，生動形象地展示電路的功能，這樣才能給學(xué)生講透徹。由于實(shí)驗(yàn)室不能及時滿足學(xué)生的需求，本模式選擇Proteus仿真軟件作為實(shí)驗(yàn)平臺，該軟件對電腦要求配置不高，操作簡單，界面互動性強(qiáng)，專業(yè)能力強(qiáng)，可以滿足測控電路課程的所有電路仿真，適合學(xué)生隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，是一個不可多得的實(shí)驗(yàn)平臺。同時，根據(jù)表1的項(xiàng)目內(nèi)容，編寫一本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生有疑問的時候能夠及時獲得幫助，從而培養(yǎng)課程專業(yè)能力。

2.3? 課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

在上課前先講述一個工程項(xiàng)目或者競賽典型應(yīng)用，引發(fā)學(xué)生興趣；然后引入電路理論分析，循循善誘，講述原理；再給學(xué)生示范一遍Proteus的仿真結(jié)果，引起學(xué)生對電路的好奇心，激發(fā)對原理的學(xué)習(xí)欲望；同時講述幾個關(guān)鍵測量點(diǎn)，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)思考時有跡可循，有目標(biāo)、有方向地引導(dǎo)學(xué)生成功完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對課程的熱愛。要引導(dǎo)對競賽、項(xiàng)目有興趣的學(xué)生積極參與，架起課程與競賽的橋梁，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，并讓此類學(xué)生帶動身邊同學(xué)積極學(xué)習(xí)，形成良性循環(huán)。

2.4? 比賽實(shí)例

測控電路在比賽中應(yīng)用的實(shí)例有很多，本模式對學(xué)生的學(xué)習(xí)具有促進(jìn)性。例如，一位本科學(xué)生參加某機(jī)器人語音播報比賽，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)播報的語音一直存在較為刺耳的嘯叫雜音，檢查電路時也一直沒有發(fā)現(xiàn)問題。指導(dǎo)教師給他的指導(dǎo)建議是查閱測控電路中濾波的知識，在翻看兩天相關(guān)知識及仿真與實(shí)驗(yàn)后，這名學(xué)生成功解決了播報中的雜音問題。之后通過努力，他在比賽中取得較為理想的成績，極大地激發(fā)了對測控電路的學(xué)習(xí)興趣，通過結(jié)合Proteus軟件、實(shí)際應(yīng)用等，很好地掌握了這門課程。

3? 教學(xué)改革探索效果分析

測控電路競賽驅(qū)動法打破了傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之間的壁壘，書本理論知識與仿真實(shí)踐的良性結(jié)合，不僅有利于教師課程教學(xué)的開展，而且有利于學(xué)生課后實(shí)踐的開展，在驗(yàn)證理論的同時，激發(fā)學(xué)生對課程的熱愛，進(jìn)而激發(fā)應(yīng)用的興趣。受此影響，想要報名競賽的學(xué)生人數(shù)越來越多，學(xué)以致用的教學(xué)理念得到體現(xiàn)。從近幾年的期末考評來看，總體優(yōu)秀成績較前幾年有很大提升，幾乎無人掛科，因?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)興趣已經(jīng)形成。同時，測控學(xué)生在電子設(shè)計(jì)大賽等許多比賽中取得優(yōu)異成績，可證明本模式的探索取得一定的成功。

4? 結(jié)束語

測控電路的教學(xué)是需要師生互動的，教師授業(yè)解惑，學(xué)生獨(dú)立思考。針對傳統(tǒng)課堂教學(xué)中存在的問題，本文提出基于Proteus仿真及競賽驅(qū)動的測控電路教學(xué)改革思路，實(shí)踐證明：改革能夠提高學(xué)生對課程的熱愛，學(xué)生通過一次次獨(dú)立思考，成功仿真出結(jié)果，看到漂亮的波形，獲得成就感，這對于培養(yǎng)信心有很大益處。在積累知識的同時，學(xué)生結(jié)合課程設(shè)計(jì)、競賽、科研項(xiàng)目等，學(xué)以致用，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)價值，有助于在之后的學(xué)習(xí)與工作中培養(yǎng)良好的思考習(xí)慣與動手能力，培養(yǎng)工科思維，同時有助于教師實(shí)現(xiàn)“授之以漁”的理想。此模式還需在實(shí)踐中不斷進(jìn)行改進(jìn)，探索最優(yōu)的測控電路課程教學(xué)方案。

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