模擬電子技術基礎實驗教學的改進

韓超 房建東 張曉東

摘? 要? 針對模擬電子技術實驗課程傳統教學存在的不足，提出使用虛擬軟件的方式來輔助理論計算和進行實驗操作，在虛擬仿真軟件和達標測試的共同輔助下，完成對模擬電子技術實驗教學的改進。

關鍵詞? 模擬電子技術實驗；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）21-0144-04

*項目來源：內蒙古工業大學教育教學改革重點項目“面向工程教育專業認證的應用電子技術創新實驗教學模式研究”（項目編號：2019102）

作者：韓超，內蒙古工業大學信息工程學院研究生，研究方向為電子與通信工程；房建東，內蒙古工業大學信息工程學院，教授，研究方向為信息感知與控制；張曉東，內蒙古工業大學信息工程學院，實驗師，研究方向為應用電子技術（010080）。

0? 引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確指出：高等教育承擔著培養信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才的重大任務[1]。《教育部辦公廳關于做好深化創新創業教育改革示范高校2019年度建設工作的通知》強調：要把創新創業教育貫穿人才培養全過程[2]。

模擬電子技術實驗課程的目的是使學生獲得硬件的相關知識，幫助學生提高實踐能力。因此，在實驗教學過程中，通過實際操作培養學生獨立操作能力，即依靠自身完成簡單實驗；培養學生獨立分析能力，根據實驗設置和步驟教學，在知其然的前提下達到知其所以然的轉變；培養學生獨立思考能力，在實驗過程中出現問題，可以在大部分情況下完成對當前問題的判斷，并可以在實驗結束后通過對實驗報告的撰寫，完成對實驗進行總結和提高。

1? 傳統實驗體系的不足

模擬電子技術實驗包含基礎理論和基礎實驗兩個環節，其中理論是模擬電子技術的基本原理和基本分析方法，而實驗是在理論教學的基礎上，完成對模擬電子技術的安裝、調試和測量的任務。這種實驗教學模式的好處是不僅可以幫助學生更快地記住基本知識和相關結論，而且可以提高教師對實驗過程的把控能力；但由于這種教學模式過分強調相同的實驗過程和驗證性的實驗內容，造成在實驗中教學的知識完全依靠理論教學[3]。這種傳統的教學模式使得不同實驗任務變得相對獨立，不能很好地聯系起來，不利于開展體現學生創新性的綜合實驗。在這種教學模式下，學生學什么、怎么學全部由教師決定，使得學生學習的主觀能動性被忽略，甚至被壓抑，造成的結果是學生的思維被局限于對應的理論課程，不利于培養學生的獨立思維能力和專業綜合素質[4]。

傳統的模擬電子技術實驗課程是由教師教學、學生學習教師傳授的知識的單一方式來完成教學，具體方式是“教師講解實驗的基本原理→學生根據指導完成實驗→學生整理實驗數據并規范地完成實驗報告”，流程如圖1所示。傳統實驗課主要是學生在教師幫助下完成實驗，所用的實驗器材和方法都相對落后，這導致學生很難展示出自己的創造能力。傳統的實驗課程中含有大量的驗證性實驗，嚴重缺乏創新性實驗，導致學生的學習主動性不強 [5]。

傳統的實驗教學通常分為以下三部分：

1）在正式實驗開始前，讓學生進行相應實驗的預習，復習在理論課上學習的知識點，完成對本次實驗中的理論計算并記錄數據；

2）在實驗課上完成基本的實驗流程教學后，讓學生直接使用實驗箱來完成實驗，記錄實測值與理論計算值并進行對比；

3）在完成實驗后，讓學生整理實驗報告并提交。

這種常見的教學體系通常可以滿足一般的教學需要，但是有以下缺點：

1）教師難以查驗學生是否在課前預習，而且學生在實驗前準備的理論計算值可能出現錯誤；

2）學生在實驗過程中由于操作不當以及實驗器材的老化均可能造成實驗失敗，且難以找到造成實驗失敗的原因；

3）如果單純使用實驗報告進行成績的賦予，難以直觀體現學生的真實水平，且僅使用實驗報告的方式難以確定學生在脫離書本和實驗指導書后，是否可以完全掌握模擬電子技術實驗的操作流程和規范。

2? 改進方法

針對以上種種缺陷，提出以下措施來完成對模擬電子技術實驗教學的改進。

1）在實驗正式開始前，學生在預習過程中不僅使用理論計算值作為參考依據，同時利用Multisim和Cadence等電路仿真軟件搭建實驗指導書提供的電路，完成對理論計算值的檢驗，即可在實驗開始前就發現一部分問題，同時減少在實驗過程中遇到問題的可能性。

2）在出現問題時，學生可通過對實驗指導書中的電路圖、仿真軟件中自行連接的電路圖的結果和實物圖對比，找到出現問題的地方，并可通過利用萬用表檢測器件兩端電壓等方式來判斷是否出現導線斷裂或者器件老化損毀等情況。

虛擬仿真實驗可以直觀地判斷實驗是否成功，可以有效地激發學生的積極性，讓學生在任何時間、任意地點完成實驗的預習工作，學習相應知識并完成相關仿真實驗，有助于學生在學習的過程中充分發揮主觀能動性，從而改變學生被動學習、教師被動教學的狀況[6]。

學生在課余時間通過仿真軟件學習儀器使用以及完成對實驗過程的預習，避免每次做實驗都要學習實驗儀器的使用方法。而且在做過實驗仿真后再進行實驗，學生可以更深刻地理解實驗內容。這一點在綜合性的課程設計中體現得更加明顯，學生通過先完成仿真實驗后再去實驗室完成實驗，使得在實驗課上的實驗成功率與過去相比顯著提升，從一個班級中只有幾組學生能完成實驗，到現在幾乎每組都可以完成實驗[7]。

3）在實驗都完成后，不僅通過實驗報告進行成績評定，而且使用達標測試的方法完成對學生在脫離實驗指導書的情況下對實驗知識掌握程度的判斷。

3? 結果分析

模擬電子技術實驗的分值分布如表1所示，具體實驗和試題的分值分布如表2所示。通過對2020級通信工程的兩個班級的得分情況進行分析，得到該方法帶來的效果。

3.1? 總成績分析

由圖2可以看出：總成績分數多集中于中和良，只有少數人處于優和及格，極少數人不及格，大體呈正態分布的趨勢。

3.2? 課程目標達成度分析

課程目標一：能夠針對設計任務和目標，熟練使用現代工具設計可行的電子信息系統實驗方案。

由圖3可以看出：學生能夠在實驗過程中較為熟練地使用實驗箱完成實驗設計，但在考試過程中仍有所欠缺。

課程目標二：了解電子信息工程專業常用的現代儀器、信息技術工具、工程工具和仿真軟件的工作原理與使用方法，并理解其局限性。

由圖4可以看出：學生對工程工具和仿真軟件的工作原理與使用方法較為了解，實驗和測試的分數均在8分以上。

課程目標三：能夠對實驗結果進行分析和解釋，通過信息綜合得到合理有效的結論。

由圖5可以得出：學生對實驗結果的分析和解釋的掌握情況一般，在做實驗的過程中掌握較為良好，但在考試中仍需進一步提高。

由圖6可以得出：2020級通信學生在模擬電子技術實驗中，課程目標一的達成度達到80%，基本可以通過現代工具設計可行的電子信息系統實驗方案；課程目標二的達成度在87%，說明學生能夠了解仿真軟件和工程工具并理解它們的局限性；課程目標三的達成度在77%，說明學生分析解決問題的能力仍稍顯不足。而各個課程目標的分析結果說明學生在實驗中出現的問題較少，應進一步提高考試的成績。

通過對通信2020級學生的成績進行分析，可以看出：學生實驗能力較強，而應試能力較弱。這一方面反映出有的學生在脫離實驗指導書后，沒有掌握模擬電子技術實驗的基本知識；另一方面可以看出添加仿真實驗后，可以明顯地提升學生學習的積極性。

4? 結束語

使用仿真軟件進行實驗可以打破空間界限，為學生進行獨立學習和實驗創造條件。在虛擬仿真實驗模擬操作中，實驗操作錯誤便無法進行下一步操作。而且由于是學生自己完成，在遭遇問題時，學生會通過查閱資料以及和其他學生討論完成問題。借助虛擬仿真實驗，不僅提升了學生分析問題和解決問題的能力，也提高了學生的實踐能力。通過模擬電子技術實驗達標測試這樣的閉卷考核，會促使學生更多復習實驗相關知識并記入腦海，而不是單純依賴實驗指導書和參考資料進行實驗。

在以后的模擬電子技術基礎實驗課中可以加入更多的學生自主選擇部分，例如：在單管放大電路中，通過前期的仿真實驗，讓學生自行選擇負載電阻的阻值大小，以使其工作在放大區；在基礎實驗后加入一些讓學生自行完成參數設置的實驗，提升學生的積極性和創新能力。通過這些辦法來提高模擬電子技術基礎實驗的教學質量，使學生收獲更多的知識。

參考文獻

[1] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年） [A/OL].（2010-07-29）[2021-09-29].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201008/t20100802_93704.html.

[2] 教育部辦公廳關于做好深化創新創業教育改革示范高校2019年度建設工作的通知[A/OL].（2019-04-09）[2022-03-28].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s5672/201904/t20190408_377040.html.

[3] 劉銀萍，彭端，蔣力立.創新實驗教學與傳統實驗教學的比較[J].廣東工業大學學報（社會科學版），2010（5）：27-30.

[4] 楊建良.電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建[J].實驗室研究與探索，2014（7）：101-104，280.

[5] 戚茜.面向電類培養的高校實驗教學模式實踐探索[J].中國多媒體與網絡教學學報，2020（12）：107-109.

[6] 王建華，段建東，姬軍鵬，等.新工科背景下虛擬仿真實驗研究與實踐[J].中國教育信息化，2021（22）：33-37.

[7] 矯德強，韓順杰，龐麗莉.電類基礎課程教學改革研究[J].中國現代教育裝備，2021（21）：120-121，134.