基于虛擬仿真的電路實驗教學改革方案探索

胡維++張方櫻

摘 要： 文章根據廣州大學現有電路實驗教學的實際情況，提出了虛擬仿真電路實驗教學改革的探索，提出了虛擬仿真實驗平臺的搭建方案，以及逐步應用于實踐教學的方法，并對教材的編寫和團隊建設進行了探討，為虛擬仿真電路實驗教學提供了改革的總體框架。

關鍵詞： 虛擬仿真 電路實驗 立體化 實驗教學改革

1.引言

電路實驗系列課程（以下統稱為電路實驗）包括：電路實驗、電工與電子技術、電路基礎實驗、電工電子學實驗，是高等學校電類、非電類各專業的技術基礎課程。目前國內大中專院校絕大部分仍然延續傳統的實驗方式，即在教授理論知識的同時，根據課程設置，延后一段時間進行實驗的驗證。顯然，這種實驗安排方法造成了實驗驗證落后于理論教學的進度，特別是工科專業較多的學校，由于實驗時間安排的限制，甚至出現實驗課提前于理論知識的情況。學生在實驗過程中無法獲得實驗的感性知識，理論—實驗—認知這一傳統的教學模式被割裂的同時，也不利于知識的吸收、轉化。

虛擬仿真實驗允許學生在網絡虛擬環境中進行實驗，不依賴于具體的實驗室和實驗儀器，克服了以前實驗教學中受到實驗時間、場地、器材限制等弊端。同時由于學生操作具有不可預知性，教師在開發和指導實驗時都需要預知可能出現的問題，這對教師教學方式的變化和教學能力的提高都有著積極的作用。

虛擬仿真技術的發展，為現存的理論與實驗教學的矛盾提供了很好的解決方案。國內部分高校的電路實驗課程加入了軟件仿真實驗項目，有利于學生對電路基礎理論和實驗驗證的理解吸收。為此，本項目旨在探索將虛擬仿真技術引入電路實驗的教學，將“課程+實驗”的理念引向深入，創建“理論授課—虛擬實驗—實驗室教學”融合的高校實驗教學新模式，最大限度地共享實驗資源，降低實驗成本，提高實驗的使用效率，并在此基礎上，進行實驗教學方案的初步推廣試行。

2.存在的問題

據2012年全校本科專業人才培養計劃，廣州大學校內現有三個學院八個專業四門課，年均292個學時，共14000人機時數電路實驗。可以說電工學基礎實驗是培養相關專業人才的基石，但由于歷史及其他各方面原因，我校目前電類實驗存在以下幾方面的問題：

（1）由于經費有限，加上近幾年專業的擴招，部分班級的學生人數甚至超過50人，導致實驗室的硬件跟不上，儀器設備陳舊老化且數量不足（影響了正常實驗教學的開展，進而影響了實驗教學質量）。

（2）傳統的實驗教學模式，受到實驗時間的限制，造成學生動手實驗的時間不夠，雖然可在課后預約開放實驗，但受到實驗場地的限制，無法完成。因此，部分學生為了在正常教學時間內完成實驗數據，抄襲他人實驗結果。

（3）傳統實驗教學受到實驗器材的限制，嚴重落后于理論教學和科研的發展。

（4）在學校擴招這一大環境下，功能實驗室的設備數量無法滿足教學大綱所要求的一人一套設備等條件，使得部分實驗必須將一個自然班分成幾個組進行排課，大大影響了教學效果，也不利于教務部門的教學管理與監督。

（5）綜合設計性實驗，受到實驗器材、實驗設備的限制，無法達到教學大綱規定的實驗教學質量。

基于以上考慮，本章旨在探索將虛擬仿真技術引入電路實驗的教學，一方面，最大限度地共享實驗資源，降低實驗成本，提高實驗的使用效率，有利于實驗設備的更新，另一方面，學生可以突破時空的限制在計算機上完成各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。

3.虛擬實驗改革的實施方案

廣州大學實驗中心電子信息實驗室在《電路實驗》平臺課程的基礎上，提出了虛擬仿真電路實驗的改革方案。首先選取了“基爾霍夫定律的驗證”、“一階電路過渡過程的研究”兩個典型的電路實驗，在大學一年級電類專業學生試運行，得到了第一手資料，在此基礎上，根據原有電工實驗臺的參數，編寫了與之對應的虛擬仿真實驗指導書和電子課件教案，對一些關鍵項目提供了DV視頻。隨后在學校電工平臺課程的教學大綱中，將原有“電路仿真軟件入門”實驗調整為虛擬仿真相關實驗，并最終將虛擬仿真實驗推廣至所有電類、非電類專業，直至電類選修課。

（1）虛擬仿真實驗平臺的應用。跟相關公司合作，提出了適合本校電路實驗仿真的典型案例，并將所搭建的虛擬仿真實驗平臺逐步在低年級學生中推廣。首先挑選了基爾霍夫定律的驗證、一階電路過渡過程的研究兩個實驗，在14級電信專業大學一年級下學期的《電路實驗》中進行測試。廣州大學電信專業14級有四個班，共計180余人，其中參與了《電路實驗》虛擬仿真實驗的約120余人。在進行對應的實物實驗之前，實驗教師安排了學生進行實驗內容的預習，并提前一個星期進行虛擬仿真實驗的學習和試做。在實物實驗的前兩天，實驗教師查看虛擬仿真實驗結果并進行分析，了解了學生在實驗內容方面的難點和錯誤之處，并有針對性地講解。在實物實驗過程中，實驗教師普遍反映，學生對實驗內容的掌握程度較之以前更好，進行實驗的速度更快，實驗糾錯能力也有一定的提高。

在本學期，廣州大學將購置《電路實驗》虛擬仿真平臺，并在15級電信專業、電子專業中全面展開，為基礎實驗提供新的思路和方法。

（2）立體化實驗教材的編制。為了加強虛擬仿真實驗與實物實驗的相互結合與促進，作者致力于進行虛擬仿真實驗教學教材編制，編寫了與原有實驗臺和元器件參數相關的虛擬仿真實驗教材，并在虛擬仿真實驗的學生中進行了適用，對虛擬仿真實驗的推廣起到了一定的作用。

新編寫的虛擬仿真實驗教材力爭內容和形式的立體化，具體包括以下內容：

內容立體化：研究已學課程和后續課程內容和定位，融入進階提高和未來課外創新等需求，激發學生學習興趣，編入了部分在實驗課程中無法進行的提高實驗，比如對二階電路動態響應特性實驗，加入了RLC串聯、并聯，并觀察電感電流的暫態響應的實驗；

形式立體化：充分利用信息化技術和現代教育技術，編制了包括紙質教材、PPT、典型環節演示的DV視頻、PC操作演示屏幕錄像，網絡課程等各類教學資源，方便學生自主學習。

（3）虛擬仿真實驗教學團隊建設。考慮到核心教學團隊的建設和相關培訓問題，在此基礎上形成定期培訓、交流參訪的機制，確保團隊建設穩中有升；定期舉辦教研會議，邀請專家或廠家專題講座，鼓勵相關老師外出培訓和進修，持續改善教學內容、教學設計與教學組織方式，為教學改革的推行提供了可靠保障。

4.結語

本文章針對目前電路實驗教學亟待解決的問題，提出了利用虛擬仿真實驗平臺，高效管理實驗教學資源，實現校內電路實驗教學資源共享的方案，并在14級電信專業學生中試行了《電路實驗》虛擬仿真實驗。基于這些初步的探索，探討了電路這一系列實驗教學改革的路徑。

研究表明，可在建立虛擬仿真實驗平臺的基礎上，根據高校電路實驗教學實際情況，逐步在電類專業推行虛擬仿真實驗與實際電路實驗相結合的教學模式，并且編寫立體化實驗教材，指導學生課后、課外的預習、復習及創新實踐。由此提高了學生對實驗內容的掌握程度、實驗糾錯能力，加快了實驗進行的速度，實現了“理論—仿真—實物實驗—驗證理論”的良性循環，增強了實驗教學的效果，有利于促進學生提高實驗興趣，強化科研創新能力。

本文提出的改革方案具有實用性、可行性和可操作性，適用于各大中專院校，特別是工科專業較多學校的實驗教學改革。

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資金項目：廣州大學2014年教研項目（JY201431），廣州市教育科學“十二五”規劃第三批課題（2013A038，2013A060），廣州市市屬高校科研項目（1201420679，1201420871）