电工电子实验立体化教学模式的探索

廖红梅

（中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州221008）

0 引言

实验教学是高等教育的重要环节，是培养学生综合科研能力和实践能力的需要。“电工技术与电子技术”课程作为我校面向非电类工科专业开设的一门必修专业基础课，其基本教学目的是使学生获得电工电子技术必要的基本设计能力和实际操作能力，培养学生独立分析和解决实际同题的能力［1］。该课程具有较强的实践性，因而其实践环节——电工技术与电子技术实验，对加强学生巩固理论知识，培养电工电子技术能力起着重要作用。结合多学时专业特点，我校从1996年开始，将“电工技术与电子技术实验”在机械、选矿、热能等专业采取独立设课、单独考核。为提高实验教学质量、培养学生实践技能、促进学生创新，我们在实验教学过程中创新教学方式，充分利用现代教学手段，探索构建多角度、立体开放式的电工实验教育。

1 用计算机仿真软件加强理论学习

学生动手实验会促进课程理论知识的掌握，坚实的理论基础则是做好实验的保证。做实验如果没有坚实的理论基础，不能透过实验现象看到问题本质，遇到问题也往往不知从何下手。计算机仿真软件的出现，对于深入学习课程理论知识、开展相关设计研究提供了便利和可能。计算机仿真具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统尤其是复杂系统的重要工具。因而，应用先进的电子电路仿真软件，学生可以完成相关电路的搭建、设计，进行电路分析、时序测试等仿真，这可以帮助学生加深对概念、原理的理解，更好地掌握课程教学内容，更加有效地完成实验预习、实验分析和实验结果估计，特别是可以弥补实验仪器和元件少的不足及避免设备的损坏。针对设计型实验学生还可以使用仿真软件设计电路结构、确定元器件参数，选择出性能最好、所需器件最少的最佳方案，这样在实验室动手完成时可以少走弯路、节省时间、提高设计质量。这既有利于培养了学生的分析、应用和创新能力，也掌握了一些先进的电路设计方法，培养复合型人才。

目前，可以进行电路电子仿真的软件主要有E－lectronics Workbench （EWB）、OrCAD／Capture CIS、Protel99／Pspice、Matlab软件等，目前课程主要采用EWB软件进行计算机仿真。EWB软件是加拿大Interactive Image Technology公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作台软件［2］。它可以对模拟、数字或混合电路进行仿真。该软件的特点是采用直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，用屏幕抓取的方式选用元器件，创建电路，连接测量仪器。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。

2 开发虚拟实验促进实验预习效果

电工电子技术课程是一门理论性和实践性都很强的课程，实验是其重要的教学环节，但是由于一些主客观的原因造成实验无法达到理想效果，如实验大多要在实验室进行，在时间、空间上受限制；实验设备不能保证学生人手一台，无法保证每个学生对实验独立操作；经费受限制、实验设备更新不及时，无法适应新实验项目的要求；实验设备、元器件在误操作时容易损坏，维护工作量大；一些高电压电路较危险，教师学生有心理压力等，这些问题不是简单增加设备投资就能解决的。

开发虚拟实验可以较好地解决以上的问题，虚拟实验室的概念是美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授于1989年首次提出的［3］。在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响，尤其在科技研究、虚拟仿真校园，虚拟教学、虚拟实验、教育娱乐等方面的应用更为广泛。根据电工电子技术实验的特点，我们开发的电工电子技术虚拟实验软件，具有非常接近真实实验操作设备的界面，学生可以利用个人计算机来实现模拟各种仪器仪表的操作使用及模拟部分电路实验。例如，利用开发的虚拟示波器软件，计算机显示器上显示的就是一个示波器的前面板，可以通过鼠标操作在上面进行波形测试、旋钮调节等操作；利用开发的虚拟异步电动机控制实验软件，可以方便地实现电动机的启动、停止等控制操作，并可利用仪表测量其工作特性。虚拟实验的使用，一方面可以提高学生的实验预习效果，掌握实验的重点和难点；另一方面，可以帮助学生在动手实验完成后复习实验操作过程、观察实验现象。虚拟实验软件的应用大大提高了实验教学效果，同时由于学生准备充分，实验设备的维护工作量及实验成本大为降低，特别是虚拟实验软件只需一台电脑即可，成为打造全方位“开放实验室”的一个重要手段。

3 用多媒体课件改进实验教学手段

在高等学校的课程教学中，多媒体教学已经得到了广泛的应用，也取得了较好的教学效果。而在实验教学中，过去一般是采用黑板演示讲解，或者是将实验内容做成胶片采用幻灯机来辅助教学。显然，黑板演示讲解内容有限，特别是介绍仪器仪表的操作时，只能在仪器仪表上操作，在学生人数较多的情况下，学生看不清楚，听不明白；而采用幻灯机投影教学，需要制作大量幻灯胶片、维护保养以及操作都很麻烦，要投入较多的时间、精力及费用。特别是我校电工实验室每年要向全校30多个专业数千人开设实验，其工作量可想而知。为此，实验室配置了多媒体电教设备，通过实验教师和理论教师的努力工作，精心制作了“电工技术与电子技术”实验多媒体课件，将实验内容、仪器仪表面板图片、实验原理动画、操作视频等内容科学组合，实验前通过大屏幕投影清晰、直观地向学生展示，学生可以在较短的时间内，增强感性认识，更好的掌握实验内容、目的、难点和要点，提高实验教学质量。

4 用计算机处理实验数据科学规范

为使学生提高计算机应用能力，掌握科学的实验数据处理方法，避免实验数据处理的不规范现象，在实验要求中提倡学生用计算机进行实验数据处理和分析。一般情况下学生可以采用Matlab、Mathmetic、Graphtool等计算软件完成绘制曲线、曲线函数拟合、误差处理计算等数据处理任务。另外学生也可以采用电工实验中心研制开发的“电工技术与电子技术实验数据处理软件”完成实验数据处理。采用计算机进行实验数据处理，培养了学生科学处理实验数据的意识，提高了学生的计算机应用水平，也提高了实验教学效率和质量及学生的实验积极性。

5 利用网络教学平台加强师生交流

互联网络的出现带来了信息的革新，也带来了全新的教育理念。利用网络教育这一现代化教学平台，可以打破传统实践教学在时间和空间上的限制，实现学生在任何时间、任何地点都可以通过网络进行自学、讨论以及开展创新设计，实现师生之间的互动、沟通、交流。为了充分发挥网络作用，中心实验室实行开放式教学，学生可以通过我们开发的网络选课系统进行实验的预约，学生可以自主确定实验时间，避免了时间冲突；将电工与电子技术实验指导教程、虚拟实验软件、实验数据处理软件、模拟试卷以及创新实验指导教程等教学辅助资料上传到网络教学平台，成为学生进行预习和学习“电工与电子技术实验”的有力助手；通过网络互动论坛，学生可以就学习疑问、教学方法等发表意见建议，每天都会有实验教师负责回复答疑，实现了师生的多角度互动交流，对掌握学生动态、改进实验建设都起到了有益作用。

6 设计创新实验锻炼学生创新能力

创新已经成为一个国家国力进步、经济发展的推动力的关键因素，建设创新型国家，培养德才兼备的创新型人才已成为全社会的共识，因而培养创新型人才是当今教学改革的新目标。电工实验除了安排传统的实验项目外，各位教师又协同合作设计了多项创新实验课题，如多功能数字钟、篮球比赛24秒计时器、触摸开关、交通信号灯等结合实践、有趣、能锻炼学生综合设计能力的课题，要求学生独立查找资料、设计绘制电路、先仿真后实践，通过这种方式使学生掌握独立解决问题从开始到结束的整个过程，培养学生独立分析问题解决问题的能力。

7 结语

通过多角度立体开放式实验教学，使学生对电工电子技术课程从理论掌握—实验预习—动手实践—数据处理—创新设计环环紧扣，将理论与实践紧密相连，互补促进，取得了很好的教学效果。近年来，实验中心经过全体教职工的不断努力探索与实践，在实验室建设、实验教学改革、多媒体教学、创新人才培养等方面都取得了突出的成绩，2007年被批准为国家级实验教学示范中心建设单位。电工电子教学实验中心将以此次入选“国家级实验教学中心建设单位”为新的起点，进一步加强建设，加大经费投入，完善运行管理机制，加快实验教学改革，探索创新性实验教学模式，凝练优质实验教学资源，开展培训、交流和合作，增强示范辐射能力，不断开拓创新，为全国高等学校实验教学提供示范。

［1］ 王香婷，刘涛主编，电工技术与电子技术实验，北京：高等教育出版社，2009.3

［2］ 朱新芬，EWB在数字电子技术实验教学中的应用，实验技术与管理，2008.25（8）：99－102

［3］ H.Goldberg.What is virtual instrument［J］.IEEE Instrumentation ＆ Measurement Magazine，2000，3（4）：10－13