軟硬件結合的開放式電類實驗教學模式

江霓 譚愛國

摘要：結合了近年來高校實驗教學的建設與改革實踐，分析了開放式實驗室建設的必要性和可行性，并對現有的電類實驗教學進行改革，把實驗項目分為驗證型、應用型、綜合型以及創新型實驗。并引入Multisim仿真軟件進行實驗，同時列舉了一個軟硬件結合的仿真實驗教學實例。實踐證明，這種教學方法可以較好地實現理論與實踐教學一體化，從而有效地提高學生的實踐創新能力。

關鍵詞：教學模式改革；開放創新實驗課程；電類實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）13-0261-02

引言

電類實驗一直在應用創新型人才的培養中作為不可或缺的環節而發光發熱，并且作為為企業輸送高端技能型人才的一種教育方式而受到矚目。實踐證明，與計算機仿真相結合的實驗教學，不僅能夠幫助學生深入理解電路原理，迅速地找到電路的核心器件從而進行分析學習，而且能夠有效地培養和訓練學生的創新性思維和電子線路開發能力。因此，我們將仿真軟件與電類實驗教學相結合，系統地設計了有利于提高學生創新意識和工程實戰能力的電類開放創新型實驗教學模式。

一、軟硬件結合的開放式實驗教學模式的優勢

實踐證明，這種實驗教學模式能夠較大程度地調動學生學習的主觀能動性，教學效果顯著，在教學時間和教學資源的利用上顯然具有更高的效益。而這種教學方式的更深層次的優勢和目的主要在于以下三個方面：

1.實現理論與實踐教學的一體化。傳統的封閉式實驗教學模式相比，可以較大程度上調動學生的主觀能動性和創造性。我們將借助軟硬件結合的教學模式來最大化地實現電類實驗的理論與實踐教學一體化。

2.充分發揮教學資源的效益。開放式教學可以最大化地提供給學生的自由且充足的實驗學習時間，能夠提高學生理論聯系實際的水平，鍛煉學生工程實踐和科研開發的能力，有助于充分發揮實驗教學資源的效益。

3.增強學生的創新能力。教學中，我們不僅把軟件仿真作為一種演示工具，還將對其仿真的結果進行深入的探討，使學生成為學習的主體。我們將通過研究性教學的方式，對學生進行系統化的實戰技能訓練，使得學生能夠在項目設計過程中增強系統化創新能力。

二、軟硬件結合的開放式實驗教學模式的設計

1.Multisim軟件介紹。電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）技術集計算機技術、電子技術、信號處理技術于一體，是近代電子信息領域發展起來的杰出成果，同時EDA技術的發展和推廣也極大地推動了電子工業的發展。在眾多的EDA仿真軟件中，由于Multisim軟件界面直觀、操作方便、仿真測試和分析功能強大，因此，我們將其作為電子技術實訓工具和電路分析手段而引用到電類實驗教學中。與其他仿真軟件相比，Multisim具有如下特點：

（1）Multisim是全功能電路仿真系統。元器件編輯、選取、放置；電路圖編輯繪制；電路工作狀態測試等無所不能。

（2）Multisim是一個完整的電子系同設計工具。專用于原理圖捕獲、交互式仿真、電路板設計和集成測試。

（3）具有強大的仿真分析功能。

（4）具有多種常用的虛擬儀表。

（5）與NI相關虛擬儀器軟件的完美結合，提高了模擬及測試性能。

它幾乎可以完成在實驗室進行的所有電子電路實驗，已被廣泛地應用于電子電路分析、設計、仿真等工作中。另外，Multisim具備對電路設置故障的功能，以觀察故障情況下電路的各種狀態，進而培養學生的綜合創新能力。

2.與Multisim仿真結合的實驗教學實例。以模擬電子實驗中的單管放大電路為例介紹Multisim10.0在電子線路實驗教學中的應用。

（1）創建仿真電路。打開Multisim10.0，建立一個新的工作界面，在窗口中添加示波器、萬用表、交流信號發生器等儀表并連接電路，如圖1所示。

（2）電路的瞬態分析。瞬態分析是電路的響應在交流信號激勵作用下時間域內的函數波形，圖2為示波器觀測到的單管放大電路的輸出信號圖像。在調好靜態工作點的基礎上，需要在電路輸入端加載一個1KHz、5mV的正弦交流信號。

通過實踐，仿真出來的輸出波形是一個穩定且不失真的正弦波。由此，我們推斷出，若按照這個電路圖來進行實驗，則可以較好地完成單管放大電路的增益測試、輸入電阻和輸出電阻的測量等要求。

（3）實驗教學中調試的結果。通過軟件的仿真使我們對單管放大電路有了較全面和深入的理解，在此基礎上在實驗室進行實物實驗則可以取得事半功倍的效果。實驗室里配備了專門的單管放大電路實驗模塊，學生可以通過在電路板上進行連線，并借助函數信號發生器、交流毫伏表以及示波器等測量工具進行單管放大電路增益的研究。

圖中可以看出，實際實驗中給單管放大電路的輸入了1KHz、5mV有效值的正弦波信號，輸出端的波形是通過示波器（DG1022）來進行觀查和記錄的，正如圖2所示。

通過實驗，我們可以看出增益的測試值與理論計算值雖有誤差，但仍在接受范圍之內，較成功地驗證了該實驗。

三、電類實驗教學的改革思路

1.開放式實驗教學模式的必要性。所謂“開放共享實驗室”，就是以學生為本，使學生不再局限于課堂上有限的時間以及固定的實驗內容，而可以根據自己的實際需要在相對較為自由的時間段內出入實驗室，實驗內容自然也可以根據學習或者研究的需要而自行決定。

實行開放式實驗教學的必要性，個人認為主要體現在兩點：（1）培養學生綜合能力的需要。（2）實驗室自身發展和提高的需要。這種教學方式，不僅可以提高實驗室的使用效率，極大程度上開發了實驗室資源，對于培養學生的綜合創新能力和科研精神也是不可或缺的力量。

2.具體的改革思路。本科教學中的電類基礎實驗大多是理論驗證型實驗和簡單設計型實驗，與實際的技術研發存在一定的差距。以模擬電子實驗為例，現有的實驗項目由如下幾個部分組成：常用電子儀器的使用、單管放大電路的研究、負反饋放大器、差動放大電路性能測試的研究、運算放大器的基本運算、積分器與三角波發生器特性的研究以及正弦波發生器的設計，這八部分內容組成。這當中，80%都是驗證性實驗，實踐證明，這樣無法很好地鍛煉學生的動手實踐和創新能力，培養出企業以及科研單位需要的高端技能型人才。

因此，我們將電類實驗教學內容進行改革，實驗內容調整為四類：驗證型、應用型、綜合型以及創新型實驗，比例分別為3∶4∶2∶2。其中課堂授課的實驗項目主要還是以驗證型和應用型實驗為主，綜合型以及創新型實驗鼓勵學生在開放實驗教學時段來進行動手實踐。并且，實驗室在每個實驗桌上都配備了一臺裝有Multisim軟件的電腦，便于同學們進行仿真研究，真正意義上做到理論與實踐教學一體化。

學生可以多次在計算機仿真環境下進行測試，并同時在實物實驗平臺上構建電路，最后比較兩種測試的結果進行分析。實踐證明，通過這種實驗方式，學生能夠熟練的掌握常見電路問題的解決方法，提高了學生分析復雜電路問題的能力，開發電子線路的能力以及綜合創新能力。

四、結束語

本文針對高校相對封閉的實驗教學模式和理論與實踐易脫節的教學方法，結合電類實驗課程的特點，提出了行之有效的解決方案：即在教學過程中引入仿真軟件Multisim，并且增加了實驗室的開放時段，解決了電路、數字電路、模擬電路等多門課程的大部分實驗教學問題。

本文所提出的“軟硬件結合的開放式電類實驗教學模式”，主要有如下兩個特點：（1）有助于培養理論分析與動手實踐能力較強的復合型人才，以適應企業與市場的用人需求。（2）結合上海理工大學的“精品本科課程建設”，與電子設計大獎賽的預熱，做到了教學、實驗、科研3個過程的有機結合。

以上方法已在本實驗室的電類實驗課程中運行了一段時間，并取得了較好的成果。為適應社會的多元化，從培養創新型人才的角度出發，我們將結合實際不斷探索新的教學方法，使電工電子基礎實驗系列課程成為培養電類學生實踐與創新能力的敲門磚。

參考文獻：

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