論電路課程教學中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏中國民航大學 天津 300300

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論電路課程教學中引入虛擬實驗的重要性

范文茹 馬 敏
中國民航大學 天津 300300

摘 要：電路課程是電氣專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，對學生工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著關(guān)鍵作用。為改善傳統(tǒng)電路課堂教學模式，充分調(diào)動學生學習積極性，拓展實踐教學內(nèi)容，探討將虛擬實驗引入理論教學的重要意義。借助虛擬實驗有助于展示教師授課感染力，提高課堂教學效果。通過進一步開展研究型教學，促進學生理論分析與工程實踐兩方面能力的同步培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電路理論；教學改革；虛擬實驗

儀器設(shè)備是高校開展教學、科研和服務(wù)社會的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接制約著高等教育教學質(zhì)量和科研水平的提高，做好儀器設(shè)備管理工作，使其在人才培養(yǎng)與科學研究中發(fā)揮良好效能，是當前各高校普遍面臨的共同難題。電路課程作為電氣專業(yè)學生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容主體可分為教授線性電阻電路、非線性電阻電路、動態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析方法[1]，從而引出后續(xù)相關(guān)課程如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自控原理等所需的若干基本概念。因此，電路課程在激發(fā)、培養(yǎng)學生對本專業(yè)課程學習的興趣，提高學生專業(yè)素質(zhì)等方面具有舉足輕重的作用。

電路課程教授的主要分析方法和其構(gòu)建的經(jīng)典電路源于20世紀中葉，課程教學專注于分析理想模型構(gòu)成的電路，使得學生學習缺乏實際元件到電路模型的建模觀點，僅限于完成列方程求解電路習題，與實際應(yīng)用分析有較大脫節(jié)。而我國在建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略發(fā)展需求下，對高校人才培養(yǎng)質(zhì)量也提出更高的要求，提倡創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，比如“CDIO”教育模式、“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等[2]。與之對比，現(xiàn)行傳統(tǒng)電路課程教學現(xiàn)狀是內(nèi)容抽象，電路分析方法與實際電路存在嚴重脫節(jié)，教學手段和方法與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標相距甚遠[3]。如何提高電路的課堂教學效果，激發(fā)學生學習熱情和自主性，一直是任課教師不斷探索的工作。本文將對分析電路課程特點及教學中存在的普遍問題，提出在構(gòu)建主義教學理論指導(dǎo)下將虛擬實驗引入電路教學的設(shè)想，分析將仿真軟件應(yīng)用引入電路教學的必要性和可行性。

1 傳統(tǒng)電路教學的弊端與反思

隨著國家高質(zhì)量人才培養(yǎng)需求的提出，課程教學的宗旨是：在課堂教學中重點培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新意識，從根本上激發(fā)學習興趣，提高學生的工程素養(yǎng)和實踐能力，滿足未來行業(yè)要求。然而，目前我校電路教學還存在以下一些問題。

1.1 多理論灌輸 缺乏與實踐結(jié)合

電路課程作為電氣類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，其課程任務(wù)是講授電路的基本理論和分析、求解電路的基本方法，培養(yǎng)學生分析問題及解決問題的能力，為學生今后學習其他相關(guān)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)，最終為工程應(yīng)用設(shè)計研究服務(wù)。但在電路理論教學中，解題技巧被過分強化，而利用有效計算分析軟件工具被弱化；電路分析方法模式化，而電路的工程特性介紹淡化。如果教師過多推導(dǎo)復(fù)雜公式，驗算抽象習題，再加上教材枯燥乏味，初學者會逐漸喪失學習熱情，無法開闊視野、啟迪思維，更談不上應(yīng)用和創(chuàng)新。

由于傳統(tǒng)的教學模式主要以教師為中心的單向知識傳播模式，學生常常是被動接受知識，在課堂上交互性較差。而電路涉及的知識點及例題較多，使得課堂呈現(xiàn)的解題過程較長，注重解題技巧，而忽視實際電路建模分析過程。這種教學方式未能實現(xiàn)基礎(chǔ)理論知識和實際電路分析操作相結(jié)合，無法激發(fā)學生利用理論知識展開工程實踐的熱情。

1.2 實驗教學模式老化

現(xiàn)行電路實驗教學多由實驗指導(dǎo)中心統(tǒng)一安排，其教學模式一般由教師事先安排好實驗題目，先講解示范或者學生按照實驗講義進行操作、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)。大多數(shù)的實驗內(nèi)容為驗證性實驗，實驗教材或手冊含有具體實驗步驟，一些模塊化的實驗電路只需按標記進行連線，缺少實驗的探索性和研究性。這種實驗過程往往使得學生沒有自己獨立的理解、開發(fā)及創(chuàng)新運用，一定程度上束縛了其主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。而實驗場地、實驗設(shè)備、實驗經(jīng)費及指導(dǎo)教師數(shù)量的短缺，也限制了學生獨立自主地開展實驗。此外，由于實驗設(shè)置獨立于課堂理論教學，實驗項目不能很好地配合課堂教學進度，導(dǎo)致學生不能很好地運用所學理論知識分析理解電路實驗內(nèi)容，難以做到學以致用。

為了提高電路理論的課堂教學效果，教師一直不斷探索新的教學方法和手段，比如采用PPT課件或進行實物演示等。但由于PPT存在難以即興進行人機互動的缺點，實物演示又受諸多客觀因素限制，視覺效果不理想。因此，如何利用有限的課堂教學時間，充分調(diào)動學生學習電路理論的熱情，同時搭建理論聯(lián)系工程實踐的橋梁，是改進教學手段和方法的關(guān)鍵。

1.3 考核方式簡單 缺少形成性評價

電路理論課堂教學為82學時，完成電阻電路、動態(tài)電路、正弦和非正弦電路三部分內(nèi)容，學習任務(wù)較重，限制了課堂實驗教學的延展。而現(xiàn)在廣泛采用的教學評價方式多體現(xiàn)在重理論輕實踐、重再現(xiàn)輕創(chuàng)造的卷面試題上。這就使得教師講課注重理論及解題分析，學生為應(yīng)付考試臨時突擊過關(guān)，結(jié)果導(dǎo)致學生對思維過程的輕視，不能形成對知識的逐步認知、理解、運用的習慣，進而限制學生由理論到實踐展開發(fā)散思維的能力，抑制其解決問題的靈活性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的課堂教學模式和評價方法，使得大部分學生一味地為獲取優(yōu)秀的理論考試成績而努力掌握電路理論及其解題技巧，從而使得電路知識與工程實踐應(yīng)用脫節(jié)。因此，需要一種更加合理的形成性評價方式來激勵學生，使其重視學習過程，善于發(fā)現(xiàn)實際工程問題與電路模型之間的關(guān)系，進而實現(xiàn)理論知識的綜合運用。

實驗教學是培養(yǎng)學生興趣及創(chuàng)新能力的重要途徑，是未來電路理論課程教學改革的重點。電路理論課程由于理論和公式繁多，學生學習興趣較小，而且傳統(tǒng)實驗教學無法起到啟發(fā)學生自主學習、積極創(chuàng)新的意識。因此，如何在教學中創(chuàng)造條件，將理論知識有效結(jié)合實驗資源，增強教學過程實踐能力的培養(yǎng)，是教師不斷探索的目標。基于仿真技術(shù)引入課堂虛擬實驗可作為一種新的教學輔助手段，充分發(fā)揮教師的教學想象力，這將有利于激發(fā)學生主動思維、增強課堂教學效果，下面將進一步展開論述。

2 虛擬實驗及其電路教學應(yīng)用特點

虛擬實驗向?qū)嶒炚咛峁┮粋€基于計算機多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的軟件窗口，學習者可以操作、觀察、實驗。目前，教學版實驗工具主要有Pspice，Multisim和PSIM等，教師可靈活選擇構(gòu)建友好操作界面和類似真是的測試儀器，實時改變元件參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)，滿足課程內(nèi)容需要。引入虛擬實驗改革教學方法，對于改善現(xiàn)階段電路多理論灌輸、缺乏與實踐結(jié)合的缺點，具有以下幾點好處。

2.1 有助于突破課堂教學難點

虛擬實驗的引入有利于提高課堂教學效果。在電路課堂教學過程中，由于大部分學生是第一次接觸工程相關(guān)知識，理解抽象的理論知識比較困難。比如，三相電路部分一直都是學生學習的難點，直接影響后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)知識的學習。實際三相電路這部分內(nèi)容與實際生活息息相關(guān)，但單憑講解理論、分析典型電路模型，學生依然覺得過于抽象難以理解。而借助虛擬實驗，教師可以設(shè)計電路實現(xiàn)三相四線制、三相三線制電路的對稱和非對稱情況，模擬不同工作狀態(tài)，同時獲取不同變量的變化信息。這樣將復(fù)雜問題形象化，擺脫以往列方程求解的單一學習模式，使學生一目了然，對概念理解更加直觀。教師將仿真技術(shù)運用到電路或元件分析中，在講解電路原理的同時，運行虛擬實驗平臺，模擬電路仿真結(jié)果對比方程分析計算結(jié)果，更能幫助學生理解學習電路分析計算方法的意義，從而提高課堂教學的質(zhì)量。

2.2 有助于提高學生學習興趣

電路作為電氣專業(yè)的入門課，其學習效果直接影響后續(xù)課程的學習。傳統(tǒng)教學注重傳授理論知識，強調(diào)電路模型的分析計算方法，使學生困頓在煩瑣的公式推導(dǎo)和抽象的例證分析，卻忽視了讓學生感受電路的真實性及其工程意義，缺乏直觀性和生動性。理論與實際脫節(jié)，導(dǎo)致學生產(chǎn)生“難學、抽象、厭學”的思想，從而對該課程學習喪失興趣和信心。在教學過程中的具體表現(xiàn)就是學生學習感到枯燥乏味，教師講課費時費力，難以產(chǎn)生教學互動。而仿真軟件的引入，教授可以利用庫元件搭建各種電路模型，結(jié)合理論分析展開仿真演示。生動、直觀的模擬演示，可以加深學生的感性認識，消除學習抽象概念和求解復(fù)雜習題的疲倦感，活躍課堂氛圍，增加學習興趣。

2.3 有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

實踐教學的目的是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。而虛擬仿真技術(shù)的引入，在幫助學生理解理論難點的同時，也加強了學生邏輯性的思維訓練。伴隨學生學習興趣的增長和知識的積累，仿真實驗可以延伸到課堂以外，學生隨時可以利用計算機模擬各種相關(guān)實驗課題，從而幫助其實現(xiàn)對電路理論從感性認識到抽象認識的飛躍。仿真實驗還可以滲透至畢業(yè)設(shè)計、科技制作、電子競賽等各個方面，通過仿真電路設(shè)計合理的電路方案，既培養(yǎng)了學生電子電路分析、設(shè)計和制作的能力，又提供了學生自我工程素質(zhì)鍛煉和自主創(chuàng)新意識培養(yǎng)的條件，從而實現(xiàn)教學改革的目的。

3 基于虛擬實驗的課堂教學模式

借助仿真虛擬實驗，教師在設(shè)置教學策略時，可提供學生更豐富的電路學習直觀素材，使抽象問題形象化，進而對傳統(tǒng)電路實驗形式進行課堂拓展，通過觀測仿真電路發(fā)現(xiàn)電路本質(zhì)，充分理解電路定理含義，有利于學生直覺思維的培養(yǎng)。相應(yīng)教學模式也應(yīng)做適當調(diào)整，充分發(fā)揮虛擬實驗輔助教學的潛能，開發(fā)學生自主學習及創(chuàng)新思維能力。

研究性教學[4]強調(diào)教學過程中培養(yǎng)學生的研究興趣和工程創(chuàng)新的觀點。教師依據(jù)教學情境利用虛擬仿真軟件設(shè)計實驗電路，引出問題啟發(fā)學生思考并鼓勵學生回答，進行啟發(fā)式教學。同時，圍繞問題開展交互討論，加深對基本概念的理解和對基本分析方法的掌握。研究性教學是一種模擬性的科學研究活動，學生在教師所創(chuàng)設(shè)的教學情境下，通過實驗、觀察、思考、表達與交流等探究活動獲取知識；是以解決問題為重點，充分調(diào)動學生學習主動性為前提，發(fā)展學生獨立思考和創(chuàng)造能力為目的的教學模式。在教師的有效引導(dǎo)下，虛擬仿真軟件構(gòu)建了理論知識與工程實際問題的橋梁，使學生初嘗電路原理工程應(yīng)用的魅力，同時激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，掌握一定的實驗技能，加深對課堂和科研所學知識的理解和應(yīng)用，最終培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

4 考核內(nèi)容多樣化

電路課程考試形式內(nèi)容也應(yīng)在教學改革過程中做相應(yīng)調(diào)整，真正實現(xiàn)教、學、考三者和諧統(tǒng)一。考試內(nèi)容方面，在考查學生基本理論知識掌握情況基礎(chǔ)上，增加知識實際運用能力的考查，力求提高學生獨立分析問題和解決問題的能力。考核方式方面，為了培養(yǎng)學生自主學習能力，激發(fā)工程創(chuàng)造性，兼顧學有余力學生的能力發(fā)展，可采用多元化的考核方式對學生的知識掌握與運用、工程和創(chuàng)新能力進行綜合評價。在以往評價指標，如課堂表現(xiàn)、階段測試、期末考試、平時作業(yè)等基礎(chǔ)上，增加基于虛擬實驗的綜合項目設(shè)計，由此進一步激發(fā)學生自主學習熱情。

5 結(jié)束語

仿真教學通過教學資源的優(yōu)化配置，創(chuàng)建新型的課堂教學模式。理論知識的發(fā)展，不僅是建立在數(shù)學推演中，也需要工程實踐的不斷證明。教學過程離不開實驗，枯燥的理論推導(dǎo)無法激起學生的學習熱情，各種仿真軟件為改進理論教學提供了條件。通過教師設(shè)立的各種驗證性、設(shè)計性、綜合性虛擬實驗，使學生將難以理解的抽象概念與實際工程問題融會貫通，大幅改善教學效果。同時，在虛擬實驗教學過程中也培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力，有利于其創(chuàng)新型工程素養(yǎng)的提升。因此，電路基礎(chǔ)理論的教學過程中適宜地加入虛擬實驗環(huán)節(jié)，有助于高質(zhì)量工程人才的培養(yǎng)。

參考文獻

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The Importance of Virtual Experiments in the Classroom Teaching of Circuit Theory

Fan Wenru, Ma Min
School of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin, 300300, China

Abstract:Circuit theory is a main basic technical course in the major of electrical engineering. And it plays a key role in training engineering and innovation ability for the students. In order to improve the effectiveness of classroom teaching, fully mobilize the enthusiasm of students and expand the contents of practical teaching, this paper discusses the importance of introducing virtual experiments into theory teaching. With the help of virtual experiments shown in class, the teachers can show their own teaching charm and improve the effectiveness of class teaching. Finally, the ability of theoretical analysis and engineering practice can be trained synchronously through research-based teaching.

Key words:circuit theory; teaching reform; virtual experiment

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：范文茹，博士，講師。馬敏，博士，教授。

基金項目：中國民航大學教研項目(編號：C A U CETRN-2015-63)。