基于仿真技术的电类专业基础课教学改革研究与实践

谢水英, 韩承江

(浙江工业职业技术学院 电气电子工程学院, 浙江 绍兴 312000)

基于仿真技术的电类专业基础课教学改革研究与实践

谢水英, 韩承江

(浙江工业职业技术学院 电气电子工程学院, 浙江 绍兴 312000)

为克服高职电类专业基础课教学存在的抽象、枯燥、教材编写呆板、教学方法单一等问题,提出利用计算机仿真技术的仿真实性、预测性和可操作性,从师资建设、教学内容和教材建设、教学方法和教学手段、学生成绩考核方法等方面进行教学改革探索与实践。实践效果表明,将仿真技术运用到电类专业基础课教学中,可提高学生的学习兴趣、操作能力和理论结合实践的能力,提高教学质量。

电类专业基础课； 仿真技术； 教学改革

计算机仿真技术作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一个电子化实验技术,具有非常强的逼真仿照性、再现性和预测性,打破了时间、空间和实物实验条件的限制,具有方便、节时、节约成本、形象生动、可操作等许多优点。它不但用于科学研究,也大量用于实验教学中,成为现代教学技术不可或缺的一种教学手段[1]。

1 研究背景

电类专业基础课主要包括“电工基础”、“电工与电子”、“电机与拖动”、“模拟电子技术”、“自控原理”等课程。因课程内容、实验实训设施不足等原因,电类专业基础课常开设成理论课,而传统的理论课教学方式和教学手段较单一,存在理论性强、抽象等问题,教学效果不佳。

1.1 电类专业基础课教学问题分析

本课题组曾对学生学习机电类专业基础课的情况进行问卷调查,设置了“你喜欢哪门课”、“你对专业基础课教材的看法”、“你对目前学业成绩考核的看法”等20个项目,调查对象是我校2013机电一体化技术、自动化技术、电子信息技术等专业11个班的466名学生。调查结果显示：学生认为对电类专业基础课听不懂的原因是教学内容太抽象、太理论化的达61%,认为教师教学方法单一的达50%；认为电类专业基础课教材抽象、枯燥的也有26%。

分析电类专业基础课存在的问题,主要有[2]:

(1) 教学内容理论性强、抽象枯燥,高职学生不喜欢听,听了也不易理解；

(2) 教材大多没有特色,形式呆板,内容叙述深奥、复杂、抽象、枯燥,学生不喜欢看,也不容易看懂；

(3) 教学方法和教学手段较单一,“满堂灌”多,学生动手少,难以提高学生兴趣,教学效果不理想；

(4) 成绩考核方法侧重考查学生理论知识的记忆程度,一般是“平时分+期末笔试”,难以反映学生掌握知识技能的真实情况。

1.2 利用计算机仿真技术进行实验教学的可行性

电类专业基础课的教学内容具有理论性强、比较抽象的特点,又因实验条件不够等原因,在实际教学中常开设成理论课。在理论课教学中,教师讲得多、学生动手少,使学生感觉枯燥、乏味,教学效果不太理想。

仿真技术具有逼真仿照性、生动形象和可操作性强等优点,且设施非常简单,只要有一台电脑就可以进行操作,既可以进行课堂演示,也可以开设学生电子实验。仿真软件功能强大,几乎所有实物实验均可以开设成仿真实验[3]。将仿真技术运用到电类专业基础课教学中,可较好地改变电类专业基础课教学中抽象、枯燥的状况,提高学生的学习兴趣,提高学生的操作能力和理论结合实践的能力,提高教学质量。

2 基于仿真技术的电类专业基础课教学改革

本课题以“电工与电子”课程教学中应用Multisim软件为例,从师资培训、仿真实验和教材建设、教学方法和教学手段改革、学生成绩考核方法改进等方面进行了基于仿真技术的教学改革探索与实践[4]。

2.1 师资培训

目前高职电类专业基础课教师队伍中仍有部分教师不能很好地运用现代教学手段。要积极鼓励和支持这些教师参加专业培训、现代教学技能培训和网上下载软件自学互学等,要求他们掌握主讲课程的常用仿真软件,如电工电子类课程可用Multisim、Proteus软件,自动控制原理、电机与控制课程可以用Matlab/Simulink等软件。对于已经掌握仿真技术的教师,要积极引导和要求他们使用仿真软件辅助教学。

要形成普遍使用仿真技术辅助理论教学的良好氛围,使电类专业基础课教师不再只会进行理论的讲解,而应能够用现代教学技术进行仿真演示、仿真实验和辅导学生运用仿真软件,建设一支能利用1～3种仿真软件进行教学的电类专业基础课教师队伍[5]。

2.2 建设与教学内容配套的仿真实验和实验教材

开发与教学内容配套的仿真实验,研究能利用仿真技术的教学内容整合、呈成方式,加强利用仿真技术的电类专业基础课教材建设。

例如,“电工与电子”课程的直流稳压电源部分就可以设置“半波整流电容滤波(含半波整流)”、“全波整流电容滤波(含全波整流)”、“全波整流电容滤波稳压”等若干个Multisim仿真实验。“半波整流电容滤波”实验的仿真电路图与输出波形图如图1所示。

图1 半波整流电容滤波仿真实验

在这个实验中,可以分别仿真有滤波电容和无滤波电容2种半波整流电路,让学生比较2种情况下的输出电压波形差别,并由学生测量输出电压值。这种生动形象、通过学生自己动手操作获得知识的过程,能使学生较好地掌握半波整流与半波整流带滤波电容2种电路功能的区别、输出电压的区别和滤波电容的作用。改变电路中电容、电阻值,学生可以看到输出电压波形的变化、平均值的变化,从而掌握“时间常数”这个概念的含义及在这个电路中的作用[6]。在实际实验教学中,教师可以设置电路故障,让学生在实验中发现问题、解决问题,培养对电路故障的诊断与排除能力。

目前,电类专业基础课配有仿真实验的教材很少,凡以仿真辅助教学的教师基本上都需要自己课前准备,且由于资源不共享,存在精力、劳力的浪费现象。因此,建设含有仿真实验项目的电类专业基础课教材是非常必要的。本课题组编写的浙江省十一五重点规划教材《电工基础》(谢水英主编),其中有大量仿真实验内容,这些仿真实验与每章的教学内容配套,或是对电路规律、原理的探索与验证,或是对电路现象与工作过程的再现,均能对教学起到很好的辅助作用[7]。

2.3 基于仿真技术的教学方法、手段改革

仿真技术可以用于课堂演示、学生电子实验,也可以用于学生课后作业、复习、自学等方面,它可以丰富教学手段、改进教学方法、拓展知识技能。

(1) 在课堂教学中进行仿真演示,可以使抽象的知识变得直观、形象、生动和易理解[8]。例如进行交流电的三要素(周期、初相角、有效值)教学时,利用仿真软件Multisim,就可以很形象地将这些概念及相互间关系展示出来,如图2所示。

图2 简单的交流电路仿真实验

在图2(b)中,通过调节交流电源中的初相角,学生可以观察到波形起点的变化,测量起点电压值,理解初相角的含义；通过比较示波器测得的电压最大值(指针2读数14.14 V)和图2(a)中交流电压表读数(有效值10 V),说明了正弦交流电最大值与有效值的数值关系。周期也可以用仿真示波器的2个指针测量出来,与电源设置的频率进行比较,得出周期与频率的关系。

(2) 在课堂教学中进行仿真操作,可以将规律、原理由传统的教师叙述、灌输式教学,变成学生探索式、研究式学习[9]。例如集成运放电路的输出与输入关系,若以公式推导,则学生不易掌握。图3是反相比例运算放大仿真电路。

图3 仿真软件生成的反相比例运放电路图

改变Rf/R1的值,输出电压值也随之改变。通过Rf/R1值、输入电压Ui、输出电压Uo三者关系,可以方便得出反相比例运放公式Uo=(-Rf/R1)Ui,并且通过增大输入电压或Rf/R1的比值,增大输出电压的理论值。但实际测量值达到-12 V(该运放器的负饱和值)后绝对值不再变大,由此可以帮助学生较好地理解集成运放饱和值的含义。

这种探索式、研究式的教学方法,不但可以提高学生的学生兴趣,也有助于对难点知识的理解与掌握,加深记忆,起到较好的教学效果。

(3) 仿真实验与实物实验结合,可提高学生的操作能力和理论结合实际的能力。传统的电类专业基础课教学很少给学生实验实训的机会,而仿真技术可以很好地弥补这个不足，可开设纯仿真实验,也可以开设实物实验前的仿真预演实验[10]。

在教学计划安排上,可以根据教学内容插入仿真实验,让每个学生都可以在机房动手操作,或验证原理规律,或设计电路,或诊断排除电路故障。特别是电路设计与电路故障诊断排除的实验内容,用仿真技术非常方便、灵活、有效。例如,放大电路很容易出现输出失真,故障原因很多,在教学中可据此设计几个排除故障的仿真实验[11]。

图4为共射极单管放大电路仿真实验,可以看出输出信号产生了饱和失真。用Multisim仿真软件特有的探针可知是基极静态电流(38.5 μA)太大造成的。进一步测量分析可知是基极电阻R2有漏电流或阻值太小造成的。在具体仿真实验教学中,可以让学生先设置故障,然后让观察电路现象,观察不同故障的不同电路现象。通过多次练习,可以提高学生根据电路现象诊断故障的能力,提高排除故障的能力[12]。

图4 共射极单管放大电路仿真实验

实物实验的立体感、空间感、物理结构等都是仿真软件中平面化虚拟元器件无法做到的,因此在电类专业基础实验课中适当安排实物实验是必要的。有了仿真技术,可在实物实验前先仿真一下,使学生对实验步骤、实验结果和注意事项等先有个总体了解,这样做实物实验时就能减少盲目性,提高成功率和效率、减少故障率和元器件损毁。特别是电路设计类实验,学生先用仿真软件对电路结构、元件选择、元件参数设置等方面进行设计和反复调试,直到得到最佳方案,然后再用此方案进行实物实验,可以大大提高实物实验的成功率。由此也能提高学生的操作技能、理论结合实际的能力,甚至能提高创新能力[13]。

2.4 学生学业成绩考核方法改革

传统的电类专业基础课考核成绩是由平时成绩和期末笔试成绩2部分组成的。平时成绩由平时课堂表现、完成作业情况决定,期末笔试内容大多是记忆性的知识原理的考查。这种考核方法会造成只要平时出勤率高、作业抄得全,期末阶段突击一下、死记硬背几天就能得到高分的现象,影响学生平时学习的积极性、误导学风,影响人才培养目标的实现[14-15]。

本课题对2013机电一体化技术专业7个班的“电工与电子”课程考核方法进行了较大改革:平时成绩注重学习过程和能力的考核,期末考核添加操作技能测试,期末笔试内容添加灵活运用知识解决实际问题的题型。

(1) 平时成绩权重35%，含平时理论课堂表现、完成作业情况、电子实验和实物实验情况。特别是对电子实验和实物实验的完成质量、时间等进行随堂打分,很好地调动了学生的积极性,且这个打分较前面2部分更能真实地反映学生平时的学习能力、对知识技能的掌握情况,也体现了重学习过程的考核创新[16]。

(2) 期末仿真操作考试权重15%。共准备了9个应用仿真软件Multisim进行电路设计、测量和排除故障的操作大题目,上机考试时每人任抽一题进行考试。由于是开卷考试,具体题目较灵活,内容覆盖了重要知识、技能点,能反映学生的操作能力和理论结合实际的能力。考试结果表明，绝大多数学生都能考出80分以上的好成绩,且此类型考试也非常受欢迎。

(3) 期末闭卷笔试,权重50%。卷面分仍为100分,但减少了记忆类理论知识考查比例(占55分),加大了运用知识解决问题的应用型题目(占45分)。例如某试卷最后一大题为:要求负载电压30 V、电流150 mA,采用单相桥式整流、电容滤波电路,电源频率为50 Hz，要求设计电路图,且选用二极管型号和滤波电容(15分)。此题考查了学生对桥式整流和电容滤波两部分知识的掌握情况,也考查了依据功能进行电路设计的能力。在考试时提供元器件型号参数表,供学生选择。选择元器件型号参数是从事电路设计与维修工作必备的一种实践能力。

这样的闭卷笔试卷面分不是很高,大多数只考出60～80分的成绩,但信度高、区分度好、成绩呈正态分布,卷面分高的学生的确是知识掌握得较好的学生。

3 结束语

由于有了功能强大的仿真电子实验平台,使教师从疲于讲解、窘于解惑的困境中解放出来,使学生从被动接受知识转向主动探索知识，并提高了操作技能。

本课题组就“电工与电子”(机电专业)和“电工基础”(自动化、电信专业)2门课的教改实践,对学生进行了无记名问卷调查。调查表明:在机电类专业基础课中,机电专业7个班318名学生中,有55.3%人更喜欢“电工与电子”课；在自动化专业2个班70名学生中,有44.3%人更喜欢“电工基础”；对于课堂教学法,机电、自动化、电信3个专业466名学生中,有48.3%的人赞成在理论课中增加一些实物展示、仿真演示和视频动画播放,多做一些实验。从调查可知,课题组试点进行教改的课程是很受学生欢迎的,改进的教学方法和教学形式也是学生所希望的。

经过一年多教改实践,本课题组教师基本上均能用1～2种仿真软件辅助电类专业基础课教学,学生提高了学习兴趣,拓展了知识面,增强了操作技能,提高了理论结合实际的能力和创新能力,电类专业基础课教学质量明显提高。教改课程“电工与电子”(谢水英主持)成为校级精品课程,基于仿真技术的“教、学、做”浙江省“十一五”重点规划教材《电工基础》(谢水英主编)已由机械工业出版社出版且投入使用。

References)

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A study of basic course teaching reform and its practice for electronics/electricity specialty based on simulation technology： In the “electrical and electronic” course as an example

Xie Shuiying, Han Chengjiang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

An exploration and application of teaching reform were conducted on multiple aspects such as teacher training, course content, textbook, teaching method, and students’ evaluation by taking advantage of reality, predictability and operability of computer simulation technology, in order to overcome problems existed in current basic course teaching for electronics/electricity specialty in colleges. The exploration reveals that application of simulation technology in basic course teaching for electronics/electricity specialty improves motivation, capability of theory and operability of students, which consequently enhances teaching quality.

basic course of electronics/electricity specialty; simulation technology; teaching reform

2015- 06- 17

浙江省2013年省级教改项目“教、学、做融合高职机电类专业基础课教学改革研究”(jg2013330)

谢水英(1965—),女,浙江绍兴,硕士,副教授,主要研究方向为电类课程教学改革和电气控制技术.

E-mail：lbyzxsy@163.com

G642

A

1002-4956(2015)12- 0166- 04