电子电路实验教学资源建设研究

王革思

(哈尔滨工程大学 电工电子实验教学中心,黑龙江 哈尔滨 150001)

电子电路实验教学资源建设研究

王革思

(哈尔滨工程大学 电工电子实验教学中心,黑龙江 哈尔滨 150001)

分析了目前电子电路课程建设存在的问题,基于学生实践创新能力的培养,构建一种新的实验教学模式。精心设计了教学内容,创设虚拟仿真实验环境,按照从基础到创新的逐级发展,设计、开发了6种具有虚实结合特征的电子电路实验资源库。实践表明,这些做法可显著提高学生的实践创新能力,并促进了教师教学水平与科研能力的提升。

电子电路;实验教学模式;实验资源库;虚拟仿真

哈尔滨工程大学国家级电工电子实验教学示范中心承担的“模拟电子技术”与“数字电子技术”两门课程均为省级精品课程,面向电子信息工程、通信工程、电气工程及自动化等12个电类专业开设,每年有30余个班的实验教学任务，本科必修学生达1 000余人。近几年,中心以《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》为指导,将实践与创新能力培养[1]作为电子电路精品课程可持续发展方向,提出新的实验教学模式,全面推进教育信息化与实验教学的深度融合,设计、开发了多种类型的电子电路实验教学资源,使现有的精品课程实验教学更加完善、系统,实验方法及手段更加合理、科学、先进。

1 存在的问题

精品课程是具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程[2]。它的宗旨是实现高等教育人才培养质量和教学水平的全面提高,培养满足国家和地方发展需要的高素质人才。在教育部高等教育司《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出:“虚拟仿真实验教学是实验教学示范中心建设的重要内容”[3]。目前国内高校在电子电路精品课程建设中存在以下问题。

(1) 重申报,轻建设。申报精品课程时非常愿意投入人力、物力和财力,一旦申报成功则后续建设动力大减,很少或不再投入精力进行精品课程的维护及资源更新。

(2) 重理论,轻实践。虽然教学资源的数量和种类众多,但大多体现“以教师为中心、以理论学习为重点”的教学思想;而“以学生为中心、以能力培养为重点”的实验教学资源却相对匮乏,且无法实现交流和共享。这反映出实验教学在精品课程建设中地位和作用被低估,教师参与的积极性不高,从而造成理论与实验教学资源建设的不匹配和失衡。

(3) 重传统,轻个性。实验教学内容的展示和呈现仍以传授知识为主,看重实验结果而忽视学生的学习需求、个体特点及适应性,很少能引发他们对实验本身更深层的思考,使学用脱节。此外,实验题目少、内容简单、层次不清、工程性不强,缺乏探究式、协作式自主学习,不但会影响学生学习能力的提高,对实验教师理论水平的提高也极为不利。

(4) 重实物,轻仿真。仍以实物实验为主,体现培养动手能力和实践操作能力的教学思想。实物实验项目数量和类型相对较多,仪器、设备、材料及实验资源开发等资金投入也较大。相比之下,具有培养“综合能力和研究创新能力”优势的虚拟仿真实验却没有得到足够的重视,其数量和类型不仅很少,而且在软件、实验资源开发及网站建设等方面投入资金也较少。

2 “1+2+3+4”教学模式的构建

电子电路课程涉及的电子信息技术是当今科学技术发展最快的领域。电子信息技术的应用性、工程性很强,技术更新、发展很快,容易形成教学滞后于技术进步的局面。因此,我们提出电子电路课程实验教学的改革思路:

(1) 对传统实验教学模式进行补充和完善,以学生为中心、以能力培养为重点,建立一种新的实验教学模式,充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用;

(2) 引入先进的技术、设计理念和教育信息化手段,开展创新教育,致力于培养学生的创新理念、创新意识和创新能力;

(3) 重视基础理论技术的创新、开发与应用,将科研、工程实践、电子大赛及创新活动的成果精心提炼成教学内容,遵循“提出问题→电路设计→计算机仿真→硬件安装调试”的教学过程[4],开发具有虚-实结合特征的多种类型电子电路实验资源,使实验不再受内容、时间和空间的限制,实现资源共享。

我们采用了“1+2+3+4”的实验教学模式,其含义是:

1个中心——在实验教学中以培养学生实践能力和研究创新能力为中心;

2个途径——学生获取知识的途径,即除了教师外,还可通过探究式、协作式的学习自主获取知识;

3个层次——将学生综合素质培养分解为基本技能、理论知识应用能力和研究创新能力;

4个转变——理论教学与实验教学一体化的转变,从规定实验教学内容向自主选择的转变,从单一教学模式向多元化、立体化、数字化教学模式转变,从硬件为主向虚-实结合转变。

3 教学内容的设计

3.1 多渠道获取教学资源

电子电路课程内容丰富、应用领域广泛,其涵盖的实验教学内容要适合多个电类专业。我们主要通过4种途径来获取实验教学资源:一是按照虚-实结合的原则对现有实验项目进行整合、创新;二是将教师在教学、科研中遇到的问题,经过筛选后应用在教学中;三是精简、提炼企业、科研单位的产品或项目,这些产品或项目具有应用性、技术性和系统性特征，经过精简、提炼和二次加工后用于教学;四是鼓励学生参加课外学习或各类科技创新活动并完成作品,将这些作品筛选、改进后作为实验教学资源。

3.2 实验项目的设计原则

电子电路课程实验教学内容丰富,涉及专业多,实践性和工程性强。针对这些特点,我们提出以下实验项目的设计原则。

(1) 结合专业,具有典型性。我校电类专业较多,包括电子信息工程、通信工程、电气工程及其自动化等12个专业,因此,要求实验项目涉及能涵盖这些专业,内容要广、交叉性要强,既要符合学生认知规律,有一定的应用价值,还要真实且具有典型性。

(2) 难易程度适中,具有层次性。实验项目要贴近生活、工程应用及科研,使学生在实验前有欲望,在实验中有兴趣[5]。要让学生在基本的实验条件和环境下,通过探究式、协作式的自主学习,完成实验任务。设计低层次项目,主要是培养学生的实验兴趣、探索精神、科学思维和实践能力[6],提升学生的综合素质;设计高层次项目,以课程的重点知识及关键技术为重点,主要是培养学生良好的科学作风和研究创新能力。

(3) 成果明确,具有可呈现性。项目成果要能以具体的形式来展示,如样机、实验箱等,或将学生熟悉的一些项目产品的功能呈现出来,容易让学生产生成就感。

3.3 创设虚拟仿真实验环境

NI Multisim 10是美国NI公司推出的以 Windows 为基础的电子线路仿真软件。Multisim用软件的方法虚拟电子与电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表,实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。

Quartus II是 Altera 公司的综合性PLD/FPGA开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输入形式,内嵌综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

我们分别利用这两种EDA工具软件建立了电子电路虚拟仿真实验教学环境,同时增强各种电路原理的演示、设计、波形观察、功能测试及故障分析等实验学习环节。这样做既有利于学生进行自主实验,也有利于学生提高实验技能、设计能力和创新能力,也为其职业生涯的发展和终身学习打下坚实基础。

4 实验资源库的建设

设计、开发电子电路精品实验资源库,可以源源不断地增加实验教学资源的数量和种类,完善虚-实结合的实验教学内容,开阔学生的眼界和思路,提高学生实践与创新能力[7]。首先,我们将电子电路课程涵盖的实验教学内容按照特点和教学需要进行分类、重组及设计;然后借助Multisim和Quartus II软件平台,采用规范化、模块化的设计方法,从基础实验到创新实验分级开发;最后集合成“模电基础知识应用库”等6种实验资源库。每个实验资源库中的应用电路具有开放性、探索性、创新性及共享性[8],各库之间起到承上启下的作用。学生可以找寻到最适合自己的实验内容,选择不同的进度、时间、地点,进行自主实验、协作研究及开展科技创新活动[9]。

4.1 模电基本技能实训库

基本技能实训着重培养学生规范的实验基本技能和思维方式。我们针对学生操作仪器生疏、对仪器原理掌握不好及因条件限制不能强化练习等问题,设计了电压表、示波器、函数信号发生器等常用仪器操作仿真训练电路。通过虚拟仿真训练,可使学生熟练掌握各种仪器使用方法。相比实物操作,虚拟仿真实训可达到更好的实训效果。

此外,技能实训还包括元器件测试与选型、电路布局与焊接、印刷电路板设计与制作[10]、EDA软件使用等内容。目前该库已经开发出仪器操作和元器件测试2个实验单元、15个应用电路。

4.2 模电基础知识应用库

该库的内容与理论教材匹配,加强设计性虚拟仿真实验教学环节,使基础理论与实践结合紧密、灵活运用,巩固基本原理和概念,掌握先进的设计技术及方法,提高电路基本设计能力。按照工程设计原则,我们选用二极管、三极管及模拟集成电路等常用元器件,设计了各实验单元所包含的应用电路,全部电路均通过了仿真验证。该库目前已经开发了基本放大电路、运算电路、信号产生电路等10个实验单元、66个应用电路。

4.3 模电电路分析库

对现代电子工程师的要求不仅仅是设计电路,还要能熟练运用先进的EAD技术[11]分析电子电路。利用该库,可以对电路的元件参数、工作点、噪声、失真等进行分析[12],让学生更好地掌握电路的技术性能及可靠性,实现优化电路设计。此类实验与实际工作符合,可有效提高学生分析电路的能力,对提高学生设计电路的水平也大有较大帮助。该库目前已经开发了1个实验单元,17个应用电路。

4.4 模电综合创新库

模电综合创新性实验要在完成基础性实验和设计性实验基础上进行。我们安排的综合创新性实验项目充分考虑到学生的个体差异和目标层次,将学生学习掌握的知识、经验及兴趣与探究内容联系起来。学生通过尝试解决一些工程、科研方面的问题,熟悉掌握科学研究的基本过程,提高综合实践能力,增强创新意识和创新能力。该库目前已经开发了传感器、测量仪器、控制器等8个实验单元,26个应用电路。

4.5 数电基础知识应用库

该库的内容与理论教材相匹配,而实验项目更多地体现了知识性、灵活性、趣味性和新颖性,难易程度符合大多数学生的知识水平,并特别注意启发式教学方法的运用。按照工程设计原则,我们选用中小规模数字集成电路及可编程逻辑器件,设计了实验单元所包含的应用电路,全部电路均通过了仿真验证。该库目前已经开发了组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲产生和整形电路、A/D和D/A转换电路共4个实验单元、30个应用电路。

4.6 数字应用系统库

数字应用系统涉及多门学科的理论知识,重点培养电子信息工程、通信工程、电气工程及其自动化等12个电类专业本科生的创新能力。数字应用系统理论偏深、内容抽象、工程性强、难以掌握,单靠学生自身的能力不易完全理解、掌握和实现。我们采用的方法是:部分内容仍以教师传授为主,部分内容则通过探究式、研究式教学以学生自主设计、协作研究为主,通过这两者的有机结合来完成教学任务。该库目前已经开发了常用数字系统、数字式控制系统、数字式电子仪器、接口与数据通信共4个实验单元、18个数字应用系统。

5 结束语

几年来,我校电工电子实验教学中心坚持实践与创新能力培养方向,以学生受益最大化为己任,全面推进教育信息化与实验教学的深度融合,促进教师的教学水平与科研能力提升,使我校电子电路精品课程得到可持续发展。“1+2+3+4”实验教学模式行之有效,符合目前社会对本科生人才培养的要求。所开发的电子电路实验资源已投入教学中,还上传到中心的教学网站上,实现资源共享。这些优质实验教学资源内容完整、衔接性好、操作性强、可及时更新,弥补了硬件实验的不足,使学生在实践与创新中获益。

References)

[1] 陈以,杨青,王改运.自动化学科专业人才培养实践创新体系的建设[J].实验技术与管理,2014,31(4):16-19.

[2] 教育部.教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知[EB/OL].(2003-04-08)[2014-08-08]．http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3843/201010/109658.html.

[3] 教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2014-08-08]．http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[4] 梁丽.构建分层次实验教学体系培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2014,33(1):217-219.

[5] 余新平,余士求,余厚全.《数字电子技术》课程实验教学改革探索[J].实验科学与技术,2012,10(5):67-69.

[6] 刘梦琴,邝代治,冯泳兰,等.以创新能力培养为核心构建多元化实践教学体系[J].实验室研究与探索,2014,33(3):189-193.

[7] 李亮亮,赵玉珍,李正操,等.材料科学与工程虚拟仿真实验中心的建设[J].实验技术与管理,2014,31(2):5-8.

[8] 元泽怀,陈晓明.任务驱动型实验教学模式的实践与探索[J].实验技术与管理,2014,31(1):169-171.

[9] 王革思.精英教育理念下大学生课外科技创新的研究与实践[J].实验技术与管理,2014,31(4):20-24.

[10] 王志秀,张吉月,蓝波.电类专业电学基础技术课程改革与实践[J].实验室研究与探索,2014,33(5):179-183.

[11] 任兆香,谷海青,张倩,等.仿真实验在“电路”课程理论教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(5):112-114,126.

[12] 王革思,赵旦峰,张朝柱,等.《模拟电子技术》实验课程体系的研究与实践[J].实验科学与技术,2012,10(5):99-102.

Research on construction of teaching resources of Electronic Circuit experiments

Wang Gesi

(Electrotechnics and Electronics Experimental Teaching Center,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

This article analyses the existing problems in the current construction of Electronic Circuit course. Based on to cultivate students’ ability of practice and innovation,this article puts forward to construct a new experimental teaching mode. The experimental teaching content is elaborately designed and the virtual simulation experiment environment is also set up. Six electronic circuit experimental resource libraries with the character of virtual-actual combination are designed and developed,according to the development from the base to innovation. Practice shows that these practices can not only significantly improve the students’ practical and innovative ability,but also promote the teachers’ teaching level and scientific research ability.

electronic circuit; experimental teaching mode; experimental resource library; virtual simulation

2014- 08- 21

黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2012010115);黑龙江省高等教育学会“十二五”重点规划课题(HGJXHB1110346)

王革思(1960—),男,黑龙江哈尔滨,本科,高级工程师,硕士生导师,研究方向为现代通信技术及其实验教学.

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2015)1- 0167- 04