“模擬電子技術”課程開放式實驗教學平臺的研究與實踐

王革思

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

“模擬電子技術”課程是電氣類、自控類和電子類等專業學生必修的一門重要的專業基礎課，具有很強的理論性、實踐性和工程性。隨著我國高等教育的快速發展和轉型升級，這門課程在培養人才方面發揮出的作用越來越明顯。傳統的依附于理論課程的模擬電子技術實驗課程是以課堂教學為主，內容單一，實驗數量少，更新緩慢，教學方法與手段滯后于現代教育技術發展。而現有的開放實驗教學大多強調時間和空間開放，不注重實驗內容上的開放，所以在一定程度上不利于學生自主性和創造力的發揮[1]。本文基于校園網設計開發出一種開放式實驗教學平臺——模擬電子線路虛擬實驗室，它既可以用于課堂實驗教學，又可以用于課外學生自主學習和自主實驗，在動態交互、情境創設、資源共享等方面具有明顯的優勢，并取得了較好的教學效果。

1 開放式多層次、模塊化實驗課程體系構建

實驗教學主要培養學生包括動手操作能力、知識應用能力、分析問題和解決問題能力在內的工程實踐能力及創新能力[2]，而開放式教學是指教學目標、教學內容、教學方法等幾個方面的開放。因此，一門好的實驗課程既要重視課堂教學和書本知識，還要將教學活動由課堂延伸到課外，由課本知識聯系到生產、生活、科研等實踐知識，引導學生自主參與實踐活動，靈活地選取探索途徑和方法，為學生提供發展創造性思維和實踐的機會，從而使學生獲得創新的能力和方法。

基于培養工程型、研究與創新型人才的考慮，我們按照“強基礎、重能力、抓創新”的教學特色，對模擬電子技術實驗課程體系進行改革，以培養學生的自主學習、自主實驗、自主創新能力為目標[3]，建立“模擬電子技術”開放式、多層次、模塊化實驗課程體系。這種實驗課程體系注重教學內容的整體優化和學科之間的相互交叉滲透[4]，遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程，為不同發展特點的學生創設開放的、多樣的、自主的實驗教學環境，結合學習過程的差異去調節學生個體的智力、能力、興趣和特長，讓學生以自己的方法去思考，拓寬思路，不斷提出問題和解決問題，并得到知識能力和實踐能力的迅速提高。

在開放式實驗課程體系中是這樣構思的：

第一層次是實訓基本技能，包括演示、驗證、儀器儀表操作等，針對初學者的知識背景，強化理論知識的理解和實驗基礎，著重培養學生實驗技能和科學的思維方式，使學生初步掌握科學實驗的方法和設計思想；

第二層次是提升理論知識應用能力，教師應特別注意啟發式教學方法的靈活運用，通過對一些簡單、有工程背景的問題分析和研究，使學生了解和掌握電子線路分析、設計、仿真、安裝與調試整個過程，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，培養學生實事求是的科學作風和認真嚴謹的科學態度；

第三層次是培養綜合與創新能力，實驗教學內容涉及多門學科理論知識，以學生為主體[5]，以教師指導為輔，內容安排上既要體現知識的綜合性與創新性，又要體現能力素質培養，使學生熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法，學生還可以自主提出具有一定水平和前瞻性的題目，倡導論文式的實驗報告，這樣可激發學生主動學習的熱情，有利于發揮學生的個性與特長[6]，培養學生創新思維和創新能力，實現自我超越。

2 開放式實驗教學平臺內涵建設

2.1 基本目標定位

以校園網為基礎構建“模擬電子技術”課程開放式實驗教學平臺，一方面是教師利用教學平臺制作網絡課程，進行課堂實驗教學活動，也可以通過平臺組織學生討論、輔導、答疑、批改實驗報告等形式，使課堂實驗教學在網絡上得到延伸，充分調動學生的學習積極性；另一方面是提供各種教育教學資源，在教師的指導下，學生可以利用這些資源有目的地開展自主學習與實驗。具體建設目標如下：

(1) 全方位開放。實驗不再受時間、地點、內容的限制，學生可以在自己認為合適的時間和地點，選擇適合自己的實驗項目進行實驗，也可以隨時上網討論，或得到教師的輔導、答疑。

(2) 教學資源共享。傳統實驗教學中，由于信息手段落后，優秀教學資源只能被少數人使用，資源不能充分發揮效益。網絡實驗教學使優秀的教學資源可以通過網絡傳播分配，彌補了教學資源稀缺的不足，全社會的每個受教育者都可以享受到這些教學資源，使其得到最優化使用，價值無限擴大。

(3) 教師多元化。網上實驗教學活動，學生與教師之間呈現一對一、一對多、多對一、多對多的互動教學模式，學生在實驗課程的學習過程中可以師從多位教師。

(4) 教學過程非線性化。學生不再受傳統的教學計劃和課本知識有序性的制約，可以根據自身的知識結構，進行跳躍式的學習。

(5) 實驗個性化。學生可根據自己的認知水平、知識結構層次自由選擇實驗內容，自行規劃、安排實驗進程，自主建構自己的知識結構，最大限度地發揮自己的主動性、積極性。

2.2 融合課程特點

“模擬電子技術”課程由理論教學、實驗教學和課程設計3個環節構成，主要特點體現在3方面：

一是內容多、覆蓋面廣、理論比較抽象，需要通過實驗演示、驗證來幫助學生理解；

二是應用性及工程性很強，如從分立電路到集成電路，從單元電路到系統電路，必須通過學生自己動手實踐才能掌握；

三是電子信息技術發展非常迅速，技術更新很快，容易造成教學滯后技術進步的局面。

傳統的教學方式理論教學與實驗教學分開，而且理論知識往往過分追求教學內容的系統性與完整性，忽視了其作為應用學科的實用價值，使學生缺乏明確的學習目標，難以理解課程的目的和意義，不但給學生的學習造成很大困難，也影響了教學質量的提高和人才的培養?！澳M電子技術”課程開放式實驗教學平臺將理論教學與實踐應用相互統一，全面體現“模擬電子技術”課程的特點，使學生能夠明確本課程學習的目的、意義及應用學科價值，給教學內容與方法帶來了新的發展空間。學生通過平臺能夠探究知識的發生過程，掌握科學的思維方式，培養自己的探究能力和科學研究能力，并為畢業后發展和終身學習打下堅實基礎。

2.3 創新實驗教學模式

傳統的“模擬電子技術”課程實驗教學是以教師為主體，學生處于被動接受知識的地位，創造性和積極性得不到有效激發。而實驗過程往往是學生根據教師的要求，按照教科書上的內容自我灌輸，進行單一的實驗設計，然后再進入實驗室完成整個實驗，這樣就會造成實驗資源缺乏、實驗方式單一、經驗交流不夠、知識難以掌握等弊端，學生也很難將自己的想法融入其中，大大降低主動參與實驗的興趣，在一定程度上制約了學生創新思維和創新能力的發展[7]。我們本著實驗教學與虛擬仿真相結合、自主實驗與啟發指導相結合、知識傳授與創新能力培養相結合的教學設計思想，運用多媒體、虛擬仿真、網絡等現代教育技術手段創建了一種新的開放式實驗教學模式。這種新模式既適合于課堂實驗教學，又適合于學生課外的自主學習、自主實驗，其發揮的作用是：

(1) 激發探究欲望，培養學生自主性實驗能力；

(2) 深化知識理解，提高學生實踐性技能；

(3) 模擬科學研究活動，培養學生科學素質；

(4) 創設開放式教學環境，培養學生創新能力。

2.4 研發優質教學資源

優質教學資源是“模擬電子技術”課程改革與創新之源泉。為了有重點地突出本課程的特色，促進理論教學與實驗教學相互統一，使教學資源能夠與培養創新型人才結合緊密，我們立足基礎理論技術的創新、開發與應用，進行優質資源開發：

一是將科研、工程實踐、電子大賽及創新活動成果精心提煉成教學內容，按照從基礎到創新的發展等級將模擬電路知識分成多組單元，集合成庫，并采用規范化、模塊化的設計，研發出技能實訓、基礎知識應用、電路分析、綜合與創新實驗共4類原創性實踐項目庫，其中包括21個實踐單元，124個實踐項目，而且每個實踐項目均具有典型性及工程背景，反映理論知識應用和創新能力培養；

二是統籌啟發、探究、觀察等多元化教學方法，運用現代教育技術及一體化設計方法，編寫制作《元器件知識》、《虛擬儀器使用》、《模擬電子線路分析 設計與仿真》、《EDA技術基礎教程》等12部電子版教材(課件)。這些優質資源尊重并符合學生的個體差異，內容豐富、形式多樣化，以學生自主學習、自主實驗及合作研究為主，教師的啟發、指導為輔，平時掛在教學平臺上，學生可以根據自身的基礎、興趣來選擇最適合自己的學習與實驗內容，調整不同的進度、時間、地點，進行自主學習、自主實驗及開展科技創新活動。

3 開放式實驗教學平臺設計

3.1 虛擬仿真實驗系統

虛擬仿真實驗系統作為“模擬電子技術”課程開放式實驗教學平臺的核心，包括4個子系統：

(1) 單元電路實驗子系統。該子系統包括二極管電路、晶體管基本放大電路、功率放大電路、信號運算電路等10個實踐單元，可調用66個實驗電路，與理論教學內容同步，突出設計性教學環節，幫助學生加深模擬電子技術基礎理論的理解和靈活運用，掌握先進的設計技術及方法，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力。

(2) 電路分析實驗子系統。該子系統包括1個實踐單元，可調用直流工作點分析、噪聲分析、失真分析等17個實驗電路，可使學生初步掌握如何檢測電路的電性能，評估元器件參數變化(包括故障)對電路造成的影響，以及分析一些較難測量的電路特性。

(3) 綜合創新實驗子系統。該子系統包括傳感器、控制器、測量儀器、信號檢測、音頻信號放大電路等8個實踐單元，可調用26個實驗電路，實驗項目大多取材于工程應用、電子競賽、業余科技制作及科研等開發成功的實際項目，主要訓練學生綜合分析問題和解決問題的能力，培養學生創新意識和創新能力。

(4) 其他實驗子系統。該類子系統包括虛擬儀器使用、半導體元件測試2個實踐單元，可調用15個實驗電路，主要針對學生的操作技能實訓，包括元器件正確選用、測試，虛擬儀器熟練操作及電路的“調”、“測”、“修”、“換”等。

3.2 多媒體課件展示系統

該系統著重自主型教學設計，不再受傳統的教學計劃和課本知識的有序性的制約，立足于促進學生學習方式的轉變和知識的建構，開展自主學習、任務驅動學習、問題解決學習、主題探究學習、協作學習等[8]。通過多媒體課件展示系統促進教學資源對良好認知環境的創建[9]，學生能夠瀏覽與自學《元器件知識》、《虛擬儀器使用》、《模擬電子線路分析 設計與仿真》、《EDA技術基礎教程》等多種網絡版教材(課件)。

3.3 師生交流系統

通過網絡，教師與學生開展互動交流，學生之間也可以在網上討論，變被動學習為主動學習，使學生“既想得到，又做得到”，進而培養學習興趣，激發創新思想。教師制作的電子版教材、多媒體課件、視頻教學案例及數字化資料等均掛在網站上，學生可以通過網絡瀏覽、自學、預習及下載。

3.4 平臺管理系統

平臺管理系統分為前臺網站和后臺管理2個部分。前臺網站實時地從服務器的數據庫中獲取相關的內容，并通過瀏覽器以網頁方式呈現。前臺網頁內容的維護由后臺管理來實現。其中，信息管理主要包括添加或更改學生信息、修改密碼、更新留言板及信息公告等；內容管理可對網站各欄目進行增添、刪除、修改等操作，完成網站內容編輯后，系統自動完成排版，生成用戶可瀏覽的Web頁面；節點管理采用樹型方式管理課程資源節點[10]，很直觀地呈現各種教學資源節點的拓撲結構，從而提高使用方便性，并且通過遞歸算法，很容易地實現前臺的導航。

3.5 教學網站設計

(1) 開發環境與開發工具。采用Windows server 2003操作系統作為Web平臺運行的環境。在服務器端，使用ASP.NET體系結構中的3層結構來構建Web平臺?；谙到y需求分析，選擇微軟公司的SQL Server 2005作為后臺服務器的數據庫。

(2) 網頁設計。采用完全符合HTML及DHTML的網頁技術以及優化頁面代碼和圖片技術，由純樹型目錄結構建立網站文件目錄，利用TCP/IP傳輸及ASCII編碼的文件命名。在技術手段上，充分運用多媒體、虛擬仿真、網絡等技術，強調網站的交互性。學生既可以利用網站強大的交互功能進行實驗教學內容的組織及自主學習和做實驗，又可以通過交流系統向教師提問，由教師進行在線答疑，形成人機互動、師生互動。網站地址為gslab.hrbeu.edu.cn。

(3) 虛擬實驗技術。Multisim是美國國家儀器公司(NI，National Instruments)推出的一種EDA工具軟件，它提供所見即所得的設計環境，互動式的仿真界面，功能分析與圖形顯示窗口，種類齊全的虛擬儀表及數千種電路元件等。利用Multisim創造虛擬實驗環境，這種虛擬實驗環境近乎真實情境，與實際工作相似。每個學生都能親自動手接觸電路，邊學習、邊設計、邊實踐[11]，完全沉浸在現實的學習、工作情境中。在激發學生實驗興趣的同時，大大提高了課堂實驗教學效率[12]。

4 教學應用情況

本項目研究歷時4年，按照邊研究、邊應用的思路，研究成果相繼投入教學中。從2010年起，已經在我校2008級—2011級本科生“模擬電子技術”課程教學中使用。課堂上教師可以通過典型電路的仿真演示，分析、講解工程應用電路設計教學案例，讓學生掌握先進的設計思想及技術，加深對理論知識的認識和理解，提高知識綜合應用能力，取得比較明顯的教學效果；課下學生可以利用豐富、多樣化的教學資源進行自主學習、自主實驗及科技創新活動，擴展視野，提高實踐能力，培養創新思維和創新能力。部分成果現已作為大學生電子設計競賽的重點培訓內容之一。研究成果還獲得第十二屆全國多媒體課件大賽高教工科組二等獎。此外，根據相關信息統計，模擬電子線路虛擬實驗室用戶目前已經遍及全國各省、直轄市和自治區，以及英國、美國及我國香港、臺灣等14個國家和地區，國內幾十所大學用戶瀏覽過虛擬實驗室資源。

5 結束語

這種基于計算機技術、虛擬仿真技術和網絡技術設計、開發的開放式實驗教學模式，必將給實驗教學改革注入新的內涵，帶來新的發展生機，具有廣闊的應用前景。

[1] 胡總，徐建東，李希合.自主型開放實驗教學管理平臺的設計與實現[J].實驗技術與管理，2008,25(6):36-39.

[2] 蔡曉艷,肜瑤,王照平.模擬電子技術實驗教學改革的研究與探索[J].實驗室科學，2013,16(3):51-53.

[3] 陸源,厲旭云,葉治國,等.自主學習、自主實驗、自主創新教學的研究[J].實驗技術與管理,2012,29(6):11-16.

[4] 高翔.在實驗教學中加強通識教育[J].中國大學教學,2012(11):84-86.

[5] 王革思,趙旦峰,張朝柱,等.《模擬電子技術》實驗課程體系的研究與實踐[J].實驗科學與技術,2012,10(6):99-102.

[6] 楊穎.以學生為本 創新電子技術實驗課教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):80-83.

[7] 張娟,鐘清華.電子技術實驗個性化教學的探索和實踐[J].實驗技術與管理，2011,28(6):170-172.

[8] 李克東,謝幼如.高校網絡課程建設與應用的質性研究[J].開放教育研究,2011,17(1):15-21.

[9] 陳桄,龔朝花,黃榮懷.電子教材：概念、功能與關鍵技術問題[J].開放教育研究,2012,18(2):28-31.

[10] 周仲文,張景韶,馮立.基于Web2.0的精品課程網站設計與實現[J].實驗科學與技術,2010,8(1):77-79.

[11] 韋化,唐紀良.以科研促進實驗教學改革 培養學生的創新精神[J].中國大學教學,2008(3):81-83.

[12] 儲開斌,楊長春,朱正偉,等.虛擬項目教學法在模擬電子技術教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2011,14(3):109-112.