虛實結合的《模擬電子技術實驗》教學模式改革

盧娟，賈永興，許鳳慧，龔晶，倪雪

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京）

一 引言

當前教育部“新工科”背景下的人才培養給電類基礎實踐教學帶來新的要求，一是培養模式調整，對學生崗位任職、職業發展等提出了更高要求，具有支撐作用的電類基礎實踐教學體系迫切需要加強；二是教學模式改革的迫切需要，由于培訓規模增加和實踐教學時間、場地不足，利用信息技術打造線上線下虛實結合的實踐教學模式，拓展實踐教與學的時間和空間，成為實踐教學改革的必然趨勢[1]。

模擬電子技術課程是電子、通信等專業的一門重要的專業基礎課程，存在教學內容多、學時少的突出問題，尤其是隨著院校教育轉型的需要，專業基礎課程理論和實踐學時量都在不斷壓縮，如何在有限的學時量、有限的課堂實驗教學時間內，合理設置演示認知型、基礎驗證型、綜合設計型實驗比例，使學生快速掌握基本實踐技能，真正具有工程意識，有效培養實踐創新能力，保證人才質量的培養，一直是本課程實驗教學改革的重要內容。

虛擬實驗的引入使得《模擬電子技術實驗》教學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，最快速地幫助學生將自己的創新性設計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計出的電路，為最終的實物實驗真實可靠地驗證創新性設計做好充分準備[2]。但虛擬實驗無法真正代替實物實驗的客觀性和真實性，也不利于培養學生嚴謹踏實的工作作風，實物實驗又是重要的、必需的和不可替代的[3]。因此，為了解決現實問題，改善實驗教學效果，我們整合實驗教學內容，合理設置三性實驗比例，基于本校通信與電子信息國家級虛擬仿真實驗教學中心平臺，對《模擬電子技術實驗》課程進行了以虛促實，虛實結合的線上線下混合式實驗教學模式改革探索。

二 教學模式改革思路

傳統的《模擬電子技術實驗》課程全部是線下的實體實驗，以基礎驗證型為主，而綜合設計型實驗受元器件、實驗箱約束，無法隨意更改電路參數，或者脫離實驗箱完全自主搭建電路、焊接測試，實驗學時又嚴重不夠。因此，綜合設計型實驗在傳統實驗教學中受限于實驗箱，設計靈活性不夠，不足于滿足高階層次實驗需求。另一方面，隨著信息技術的不斷發展，優質在線實驗教學資源的推送又為學生更好地實踐演示認知型實驗提供條件，進而積極調動學生主動參與基礎驗證型實驗教學的過程。智能虛擬仿真實驗平臺的建設，能有效激發學生對綜合設計型實驗的興趣，提升實驗教學體驗和人才培養效果。

因此，改革的首要問題是對實驗教學內容進行優化重構。將傳統的純實體實驗進行拓展，構建“演示認知型- 線上資源自學，基礎驗證型- 實體實驗室操作，綜合設計型-線上虛擬仿真實驗”三個層次的實驗內容，打造由低階到高階、由簡單到復雜，線上線下虛實結合的實驗教學模式，實現教學對象、時間、空間和內容的拓展，以虛促實，虛實共濟。其次，實驗教學方式由傳統模式向課前延伸、向課后拓展，形成課前自學、課堂導學和課后拓展的“三階段”銜接式教學；再次，打造多層次、模塊化的實驗教學資源和開放共享的實踐環境，完善“虛擬類、實體類、半實物仿真類”等實踐教學資源建設。

三 教學模式改革方法

（一） 教學內容優化重構

我校模擬電子技術課程理論56 學時，實驗16學時，原有16 學時的八個實驗內容均在線下實體實驗室基于實驗箱完成，實驗內容偏重基礎驗證，受限于實驗箱和實驗時間，綜合設計型實驗的設計靈活度不夠。常用的虛擬仿真軟件Multisim 等可以隨意改變元器件及電路連接，但元件采用的是元器件符號，儀器儀表采用例化的符號，雖然界面方便整潔、易于調試，但是對于學生認知的能力幫助不大。而虛擬仿真實驗平臺依靠信息技術在計算機上最大程度地模擬出與硬件實驗相同的實驗環境，比采用虛擬仿真軟件的方式更加接近真實實驗環境，并且能提供實驗教學和管理一體化功能。

因此，為實現工程能力和創新能力人才培養目標，我們對《模擬電子技術實驗》的教學內容進行重構，減少全部無需高階設計而是在現成實驗板或實驗箱上進行基礎驗證的驗證型實驗，增加線上自主學習的演示認知型實驗，精心設計和開發了兩個綜合設計型實驗，優化調整后，課上實驗教學內容為六個線下基礎驗證型實驗（基于實驗箱完成）和兩個線上綜合設計型實驗（基于虛擬仿真平臺完成），側重培養學生的自主學習能力、實踐動手能力和實踐創新能力。其中，線下基礎驗證型實驗為：常用電子元器件的識別與檢測、單級阻容耦合放大器、集成功率放大器、集成運放在信號運算方面的應用、整流濾波和集成穩壓電路、555 定時器及其應用。線上綜合設計型實驗為：負反饋放大電路的設計、波形產生電路的設計。課下演示認知型實驗作為理論教學的補充和線下實驗教學的預習要求，側重培養學生的自主學習能力，學生采用線上自主學習，通過觀看實驗操作視頻，利用多媒體教學資源，沉浸式體驗相關內容，對基本器件、基本電路原理、儀器儀表建立感性認識。優化設計“演示認知型（0 學時）→基礎驗證型（12 學時）→綜合設計型（4 學時）”三個層次的實驗，打造由低階到高階、由簡單到復雜，線上線下虛實結合的實驗教學模式，實現教學對象、時間、空間和內容的拓展，以虛促實，虛實共濟，從而有效提升教與學的效果。

（二） 教學方式方法更新

教學方式方法上，采用以學生為中心的“線上自主預習→線下實體操作”“線下電路設計→線上引導調試”的線上線下集中教學和自主實驗預習相結合的探究式實驗教學模式，以及基于虛擬現實與人機交互的互動式教學方法。針對任務和重難點內容驅動虛擬仿真實驗平臺，從而實現從目標到方法，再到手段的完整教學過程。

實驗教學方式由傳統模式向課前延伸、向課后拓展，形成了課前自學、課堂導學和課后拓展的“三階段”銜接式教學，實現學生學習知識由被動接受向主動學習、主動探究轉變，教師傳授知識由灌輸向設計、引導、協助學生學習轉變。實驗教學方式如圖1 所示。

圖1 實驗教學方式

演示認知型實驗：采用線上自主學習，學生通過觀看實驗操作視頻，利用自制多媒體教學資源，沉浸式體驗相關內容，對基本器件、基本電路、儀器儀表建立感性認識。

基礎驗證型實驗：采用線下實體實驗，教師實時指導，學生在實驗室操作實驗設備，開展電路調試測試，通過動手實踐，讓學生增加對理論知識的感性認識、加深對理論知識的理解，培養學生的工程實踐能力，激發學生的創新思維。

綜合設計型實驗：采用線上虛擬仿真實驗，利用虛擬仿真平臺，教師線上引導學生完成高階次的綜合設計型實驗電路的設計及調試，培養學生具備工程實踐能力和科技創新能力。

（三） 教學資源建設

教學資源建設方面包括自制多媒體教學資源“模擬電子技術虛擬實驗室”單機版軟件和自制大量實驗操作視頻資源。

課題組成員2014 年初著手策劃、設計、制作 “模擬電子技術虛擬實驗室”多媒體教學資源，將教師們手中分散的圖像、視頻、動畫、文檔等資源結合flash、VB 等軟件整合成一個單機版的軟件。由于學生在實驗過程中存在許多共性問題，因此，可以將這些常見問題和常見現象歸納整理，填充到多媒體教學資源中，將基本元器件識別與檢測、基本儀器儀表使用及維護、基礎驗證性實驗操作、調試與排故、常見問題及提示等制作成多媒體教學資源，并在教學過程中不斷更新[4]。

自制大量實驗操作視頻資源包括常用實驗儀表使用、驗證型實驗示范操作、EDA 仿真軟件學習、電子技術虛擬仿真實驗平臺操作等，供學生自主學習參看，同時配合電子技術虛擬仿真實驗室，以點播實驗操作錄像、虛擬實驗與實物實驗相結合的模式，先虛擬仿真后實體實驗，激發學生的興趣。這樣一方面可以逐步培養學生自主實驗的意識；另一方面可以使教師從繁瑣和重復的實驗答疑中解脫出來，投入更多的精力進行原理性和方法性的實驗指導。

（四） 線上虛擬實驗

《模擬電子技術實驗》中的兩個綜合設計型——負反饋放大電路的設計、波形產生電路的設計實驗基于電子技術虛擬仿真實驗平臺完成，如圖2 所示。該平臺基于B/S 架構，可實現校內外甚至更廣范圍內的電子技術實驗教學資源共享，滿足1000 人同時做實驗，能提供全方位的電子技術虛擬仿真實驗教學輔助功能，包括：實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗課的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績的統計查詢、在線答疑、實驗教學效果評估等功能。教師在電子技術虛擬仿真實驗平臺上發布新實驗后，學生登錄后即可看到，可在線遠程調用平臺上的仿真環境，對在線下提前設計好的實驗電路進行仿真和參數優化，教師線上適時引導調試，學生在完成電路的仿真測試后，可在線提交實驗報告，教師登錄平臺后在線批改學生提交的實驗報告，并及時將評價反饋給學生。

圖2 電子技術虛擬仿真實驗教學平臺主頁

（五） 考核模式改革

傳統實驗成績= 操作部分（占80%）+ 實驗報告（占20%），不區分實驗類型，而基礎驗證型和綜合設計型實驗由于其內容性質的不同，在考核側重點上應該區分考察。虛實結合的實驗教學模式改革中，我們將考核分為“基礎驗證型實驗考核”和“綜合設計型實驗考核”。

“基礎驗證型實驗考核”：采用過程考核，注重過程兼顧結果。每次實驗成績（百分制）=知識預習評分×10% +100×速度系數 ×模式難度系數×完成度×70% + 實驗報告×20%，其中，速度系數按班級總人數（一般20 人）從最快1.0 逐次遞減0.01，模式難度系數分為基本模式和挑戰模式，基本模式的難度系數是 0.9， 挑戰模式難度系數是1.0。

“綜合設計型實驗考核”：考核從對知識點的理解，功能的完成情況，電路設計報告的提交，報告編寫規范性等方面進行評價，每次實驗成績具體如下：

創新實驗考核評價方式，改變傳統實驗考核不區分實驗類型，按等級評價的模式。改革為區分實驗類型考核，線下基礎驗證型實驗量化各項指標，考慮實驗完成的速度系數和難度系數；線上綜合設計型實驗根據在線虛擬系統的“過程記錄，實驗復盤”等功能，按照評分細則，客觀公正地給出考核評價。

四 結語

虛實結合的理念既避免了學生接觸不到實物，缺少實際動手能力的缺陷，又實現了隨時隨地可以進行實驗的要求。通過線上線下虛實結合的實驗教學模式，將實踐教學貫穿于學生學習的始終，解決了培養模式改變、教學改革驅動的現實需求，提升了實驗項目的靈活性，利于實施個性化、綜合性和創新性實驗，拓展實驗教學的高階性，使學生的模擬電子技術綜合應用和創新能力有較大提高，為學生將來更好的發展和更高層次的科學技術研究工作打下了堅實的基礎[5]。