“虛實(shí)結(jié)合”電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

第第頁(yè)“虛實(shí)結(jié)合”電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究摘要：針對(duì)現(xiàn)階段各個(gè)高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高，儀器設(shè)備成本高，無(wú)法全面覆蓋全校所有學(xué)生，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低下等問(wèn)題，提出了在引入虛擬實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，努力發(fā)展實(shí)物實(shí)驗(yàn)，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的多種能力，為學(xué)生將來(lái)從事更高級(jí)別的科研技術(shù)工作打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電工電子實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0272-02

一、引言

電工電子是高等院校中非電專業(yè)開設(shè)的一門電類基礎(chǔ)課程，涉及到了電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基本知識(shí)，是所有理工類學(xué)生必須掌握的一門電方面的基礎(chǔ)課程，重要性不言而喻。但在高等院校開設(shè)電工電子課程的同時(shí)，電工電子的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程由于各種原因存在著很大的不足，很多學(xué)生學(xué)習(xí)之后僅僅停留在理論計(jì)算書本上一些簡(jiǎn)單電路參數(shù)的初級(jí)階段，對(duì)于動(dòng)手連接電路，對(duì)實(shí)際電路工作原理的理解，實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試都存在很大問(wèn)題。

二、目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題

1.理論與實(shí)驗(yàn)差距較大?，F(xiàn)在大多數(shù)理工科院校的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量少，所涉及的理論知識(shí)非常有限，造成了在理論教學(xué)中學(xué)習(xí)的很多理論知識(shí)，如元器件特性、電路原理、分析定理等，學(xué)生只能停留在照本宣科的階段，本來(lái)就很寶貴的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)卻只能選擇一些基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單的理論原理作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，無(wú)法讓學(xué)生充分、全面地理解電工電子中的所有知識(shí)和技能，有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間也無(wú)法讓學(xué)生通過(guò)充分的實(shí)驗(yàn)分析、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作、仔細(xì)的調(diào)試電路來(lái)深入理解所對(duì)應(yīng)的知識(shí)技能，使學(xué)生對(duì)電工電子的理解和掌握大打折扣。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低。由于普通高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備陳舊，數(shù)量有限，更新?lián)Q代遲緩，而電工電子實(shí)驗(yàn)過(guò)程中元器件損耗大，無(wú)法及時(shí)大量補(bǔ)充，造成了高校電工電子實(shí)驗(yàn)資源非常緊張，學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期較大，缺少連續(xù)性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到困難，必須要老師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后面對(duì)面地交流，實(shí)驗(yàn)報(bào)告還處于紙質(zhì)手寫階段，每次實(shí)驗(yàn)都需要經(jīng)過(guò)手寫報(bào)告、人工收取報(bào)告、上交報(bào)告、人工批改報(bào)告、下發(fā)報(bào)告這幾個(gè)階段，經(jīng)歷周期時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告問(wèn)題反饋遲緩，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的改進(jìn)和學(xué)習(xí)，極大地影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性。

3.創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)缺乏。由于高校學(xué)生較多，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件有限，造成了實(shí)驗(yàn)室只能滿足學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)需求，無(wú)法滿足日益增加的學(xué)生自主性實(shí)驗(yàn)的需求，有些高校正在大力建設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)室，但需要投入大量的人力物力，需要更大的更多的實(shí)驗(yàn)室，更新更快更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器，成本巨大。

因此，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏和學(xué)生的自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)需求正在成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要矛盾，如何能在有限的資源經(jīng)費(fèi)的情況下，最大地滿足學(xué)生日益增長(zhǎng)的自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)需求成為各個(gè)高校當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)的引入

針對(duì)上述各個(gè)高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的主要問(wèn)題，可以將采用虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

虛擬儀器，是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)融為一體，構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器一致，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)?！败浖磧x器”本質(zhì)地刻畫出了虛擬儀器的特征[1，2]。

虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了不可估量的影響，同時(shí)也給高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)帶來(lái)了曙光[3]。

1.成本低，適合大規(guī)模建設(shè)。虛擬實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是一種仿真軟件，價(jià)格成本遠(yuǎn)低于購(gòu)買實(shí)體儀器設(shè)備，尤其是大規(guī)模批量采購(gòu)時(shí)購(gòu)買軟件的價(jià)格成本更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連接線、接頭、焊錫等材料的損耗也是實(shí)物實(shí)驗(yàn)中居高不下的資金成本，更不用說(shuō)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中避免不了的儀器設(shè)備的維護(hù)維修，這些都是一筆龐大的開銷，而使用了虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真軟件之后，只是需要開始購(gòu)買時(shí)的一次性投資，在后期幾乎很少需要維護(hù)和維修，極大地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，十分適用于大規(guī)模電工電子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，符合電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

2.使用方便，使用率高。虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真軟件使用方便，只需要在計(jì)算機(jī)中安裝該仿真軟件即可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的元器件的選取更換，元器件之間的電氣連接、焊接，實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，在虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)僅僅只需要點(diǎn)擊幾次鼠標(biāo)即可完成，節(jié)省了學(xué)生大量時(shí)間。在虛擬實(shí)驗(yàn)電路運(yùn)行的過(guò)程中，甚至可以進(jìn)行中途的暫停，觀察瞬態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄瞬時(shí)多變的數(shù)據(jù)，不可謂不方便。虛擬元器件和連線等不僅可以隨取隨用，反復(fù)使用，數(shù)目不限，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更加不會(huì)有任何損壞和消耗，使用率高。

3.開放度高，教學(xué)效果好。由于虛擬實(shí)驗(yàn)只需要一臺(tái)運(yùn)行仿真軟件的計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)室只需要配備充足的計(jì)算機(jī)數(shù)量即可，不需要一些昂貴、復(fù)雜、笨重的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，所以可以讓學(xué)生根據(jù)自己的計(jì)劃安排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，不需要教師過(guò)多的管理，在自由靈活的環(huán)境下，在學(xué)生狀態(tài)最好最適合學(xué)習(xí)研究的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果達(dá)到最好。

4.種類齊全，滿足學(xué)生創(chuàng)新性要求。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種仿真軟件，因此元器件、設(shè)備儀器的數(shù)量、功能等不會(huì)過(guò)多的受到購(gòu)買成本的影響，可以將虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真軟件中設(shè)計(jì)制作足夠多、足夠全的元器件和儀器設(shè)備等。在學(xué)生有了一些自己的設(shè)想時(shí)，完全可以隨時(shí)隨地的根據(jù)自己的感興趣想法進(jìn)行自由、自主的實(shí)驗(yàn)，不再受到元器件數(shù)量不足、種類不全、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備性能較差的限制，可以隨心所欲地嘗試著自己的新想法新創(chuàng)意，極大地滿足了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求。

四、實(shí)物實(shí)驗(yàn)的必要性

有些高校已經(jīng)看到了基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)巨大優(yōu)勢(shì)，開始逐漸建設(shè)發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)，但往往卻忽略了實(shí)物實(shí)驗(yàn)的必要性，舍棄了實(shí)物實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展。

1.實(shí)物實(shí)驗(yàn)特殊性。實(shí)物實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)的物理環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，溫度、濕度、風(fēng)向、灰塵、速度等參數(shù)都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，不可忽視；實(shí)物實(shí)驗(yàn)中元件與元件之間除了宏觀上會(huì)起作用，微觀領(lǐng)域也在發(fā)生著微妙的變化，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)其作用的因素、條件可能在已知領(lǐng)域，也可能發(fā)生在未知領(lǐng)域，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人為設(shè)定出來(lái)的仿真軟件虛擬器件所能代替，而這些都是實(shí)物實(shí)驗(yàn)所必須經(jīng)歷的過(guò)程和條件。

2.實(shí)物實(shí)驗(yàn)的重要性。實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證理論的正確性，而理論是對(duì)現(xiàn)實(shí)事物規(guī)律的一種抽象，是實(shí)實(shí)在在現(xiàn)實(shí)的東西，仿真軟件中的虛擬器件和用虛擬器件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，都是在忽略了某些物理參數(shù)，理想化某些物理?xiàng)l件下的相對(duì)真實(shí)的器件和實(shí)驗(yàn)，雖然仿真可以在一定程度上和實(shí)際情況相符，但無(wú)法真正代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的客觀性和真實(shí)性，如果學(xué)生長(zhǎng)期習(xí)慣于仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，其對(duì)于真實(shí)事物的理解，真實(shí)定理理論的研究不可避免的將帶有局限性，甚至是錯(cuò)誤。而每次理論的驗(yàn)證和猜想的證明只是通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，更加不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的工作作風(fēng)，不利于學(xué)生進(jìn)一步的發(fā)展。因此實(shí)物實(shí)驗(yàn)是重要的、必須的和不可替代的。

五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“虛實(shí)結(jié)合”

1.虛擬實(shí)驗(yàn)是催化劑。虛擬實(shí)驗(yàn)具有的低成本、模塊化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，特別適合高校大規(guī)模的配置和使用，其強(qiáng)大的功能，完整齊全的元件設(shè)備，簡(jiǎn)單便捷的操作，靈活多樣的實(shí)驗(yàn)方法，創(chuàng)新開放的本質(zhì)，為學(xué)生深刻理解理論知識(shí)，掌握實(shí)踐技能提供了一個(gè)非常方便的途徑，幾乎可以使在校學(xué)生每人單獨(dú)一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以按照自己的興趣、想象和創(chuàng)造進(jìn)行最具創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的引入使得電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以覆蓋全校每一位學(xué)生，以最直觀的方式讓學(xué)生見到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生以最有效率的方式理解課程學(xué)習(xí)中遇到的各種理論知識(shí)。最快的速度幫助學(xué)生將自己的創(chuàng)新性想法和推論從想法階段過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)階段，以最接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程驗(yàn)證學(xué)生設(shè)想出來(lái)的種種推論和猜想，為最終的實(shí)物實(shí)驗(yàn)真實(shí)可靠的驗(yàn)證創(chuàng)新性推論或猜想做好充分準(zhǔn)備。

2.實(shí)物實(shí)驗(yàn)是根本。為了培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的作風(fēng)，為了確實(shí)證明學(xué)生自己的推論或猜想的真實(shí)性和正確性，在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真完成后，最終必須經(jīng)過(guò)實(shí)實(shí)在在的實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)物實(shí)驗(yàn)是不可替代的一個(gè)必要過(guò)程，無(wú)論虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果多么正確，都必須要進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，只有在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)才能將現(xiàn)實(shí)世界中各種已知和未知因素融入實(shí)驗(yàn)之中，也只有在通過(guò)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，創(chuàng)新的想法和推論才能得到最具說(shuō)服力的證明，也只有這樣才能最終證明理論的正確與否，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能讓人信服。

六、結(jié)論

通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生更加嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的作風(fēng)，為學(xué)生將來(lái)更好的發(fā)展和更高級(jí)別的科學(xué)技術(shù)研究工作打下了堅(jiān)