工程設計能力培養目標下教學資源改進研究

朱建紅 吳曉

摘 要 作為元器件及教學場所需求量較大的電工電子實習對虛擬實驗室的需求迫在眉睫，把虛擬實驗室開發項目融入畢業設計團體課題內容，可實現高校人才工程設計能力的培養，節省教育經費投入。同時，在實習教學環節通過對虛實實習環境任務分解，學生可根據自己實際情況靈活自由分配實習時間，借助學習視頻，預先模擬操作，利用虛擬環境進行自主學習，完成部分實習任務，減少進入實體實驗室時間，緩解高校實驗室資源緊張問題。學生自學能力提高的同時也增強了教學效果。

關鍵詞 工程設計能力；電工電子實習；教學資源

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0063-03

Research on Improvement of Education Resources under Goal of Engineering Design Ability： A Case Study of Electrical and Electronic Practice//ZHU Jianhong， WU Xiao

Abstract It is imminent due to great demand for components and

teaching places in electrical and electronic practice teaching. Project

development of virtual laboratory can be integrated into the commu-

nity graduation project， realizing training in engineering design capabilities， saving education funding. Meanwhile， in the practice procession， task decomposition is done according actual situation and virtual environment. Students are free to allocate study time according to their actual situation. With the help of learning videos，

simulation operation is made in advance and self-learning is per-formed using the virtual environment， part of the task is completed，

reducing time of occupation on real experiment room， thereby cushioning problem of laboratory resource constraints， enhancing self-learning ability the same time improving the effectiveness of teaching.

Key words engineering design ability； electrical and electronic practice； teaching resources

1 前言

隨著實體教學資源的日漸緊缺，網上虛擬實驗室逐漸成為人們研究和應用的熱點。虛擬技術在教學中應用首先借助多媒體技術動畫演示；其次是仿真技術中引進電子線路設計；再后來開發建立虛擬實驗及虛擬實驗室，來緩沖教學中的硬件資源問題。因此，許多虛擬儀器及成熟軟件陸續出現。鑒于專業背景及應用領域差異對實驗仿真模型和工作運行環境及表現形式等要求不同，虛擬實驗設計和應用方面尚未出現完全通用、符合要求的虛擬實驗運行平臺，需要持續注入研究開發[1]。

電工電子實習教學環節面向專業廣，涉及電工方面與電子方面的元件及儀器儀表檢測設備繁多，虛擬環境開發既有動畫演示操作，又有電路的仿真與調試、故障的報錯，需要開發的測試儀器的技術含量及復雜程度參差不齊，開發過程跨多個軟件環境，加上電工電子技術領域的新技術、新元件不斷出現，電工電子虛擬實驗室的開發必將是一個長期積累、不斷完善的過程。虛擬實驗室的建成迎合少投入多產出、資源共享的全新辦學理念，是高校未來發展的必然。

2 電工電子類社會人才需求與高校教學環節設置

電工電子類社會人才能力需求 根據社會對電工電子類人才的職業能力需求，在專業能力方面必須具備計算機操作與應用能力、電氣識圖與繪圖能力、計算機繪圖能力、電工基本技能應用能力、電子基本技能應用能力、檢測技術與常用電工儀表應用能力、自動化設備與生產線安裝調試及操作能力、自動化設備與生產線故障排除與維護管理能力等；在社會能力方面必須具有較強的開拓發展的創新能力；在方法能力方面必須具有較好的對新的技能與知識的學習能力、解決問題的方法能力、制訂工作計劃的能力以及具備邏輯性、合理性的科學思維方法能力。

電工電子實習教學環節設置的內容與目標 電工電子實習為代表的整周實踐教學環節在高校多專業均有設置，實習的主要目的是將理論與實踐相結合，使學生加深對理論知識的理解和鞏固，激發學生創新意識，培養學生踏實認真的工作作風和嚴謹的治學態度。通過此環節，學生不僅能夠在理論上了解常用低壓電器的識別與使用方法、各種電子元器件的識別與測量方法、常用電子儀器的使用方法和原理，以及電子產品的制作流程，更能親自動手參與到電子產品的裝配、焊接與故障檢測、調試過程，為以后的課程設計、畢業設計積累必備的知識，達到理論知識與實踐動手能力的真正結合。

實習的主要內容是在充分熟悉和掌握低壓電器、電子元器件以及相關操作方法的基礎上裝配一個低壓電氣設備（如收音機、萬用表或其他電氣裝置），主要由元器件識別、焊接方法和技巧訓練、設備工作原理解析及裝配與調試等幾個環節組成。其中裝配與調試是該實踐較重要的環節，有助于提高學生動手能力、綜合分析能力和解決實際問題的能力，有助于學生問題分析與解決工程師素質的培養。

3 實習環節教學資源需求現狀分析

實體教學資源環境供應緊張，設備更新需求強烈 電工電子實習環節傳統教學手段基本為全程實體教學、設計與制作，此種教學辦法必須首先以實體教學資源環境及師資數量給予保障。高校的招生規模逐年擴大，實驗室場地早已超過容限，設備臺套數也遠不能滿足逐年遞增的生源需求，烙鐵每批次的損壞率極高，調試設備不足，很多都是過時陳舊的設備，教學設備運行保障機制不夠完善，維護工作量大，不能滿足社會日新月異的變化。另外，由于用于該環節的實驗室未全配置多媒體設備，教師只能借用教室統一講解，學生無法邊聽邊操作。這些都暴露了硬件配置同步問題。

元件供應及設備管理難度增加，影響教學效果 在實習過程中，由于每位學生的元器件都是預先向廠家定制，許多雜散細小的元器件易損、丟失不便保管，整個過程持續有學生索要元器件，部分元器件本地又難以購買，影響實習進度和產品的裝配，結合烙鐵的管理問題，無形中加大了實驗室管理難度。另一方面，為便于教學統一管理，實現成績評分公正公平，實習內容基本固定，元件材料統一預定，這基本能保證對所學課程知識的鞏固，但要滿足學生興趣的多樣性及創新性的拓展實習，元件備用需求方面有一定難度。部分自我提高要求較高的學生完成實習任務過程中，本想設計性能更好的電路，也由于缺乏其他類型的元器件及先進的器件而不得不放棄自己的想法。

實習指導教師工作量明顯增加，現有師資力量顯露不足 學生裝配實體對象，如收音機，由于整個過程不熟悉原理，靠元器件外形“依葫蘆畫瓢”，加上粗心、焊接基礎差等原因，直接制造了許多故障，須在教師幫助下解決問題，往往出現排隊等候教師幫助的情況，這對實習指導教師的能力及工作強度也提出很高的要求。另外，鑒于收音機類調試設備較昂貴，實驗室設備投入無法實現人手一套，因此調試環節一直采用實驗室全天開放的形式。這樣雖然可提高設備利用率，節省費用，便于學生充分利用課余時間進行調試，避免了固定調試時間學生搶占調試設備及調試效果不好的情況，但同時也加大了教師的指導工作量與管理強度[2]。

4 虛擬教學資源在電工電子實習教學環節改進

基于虛擬教學資源實習實施計劃再制訂，促進自學潛能培養，緩解實驗資源壓力 電工電子實習的任務包括電子電路的設計、元件的選擇及認識、電路的裝配及調試、問題的分析及故障排除。其中電路的裝配及調試可安排實體實驗室進行，其他環節可借助現代化教學手段，引進虛擬實驗室。部分實習任務可在網絡上實現，通過虛擬網絡首先設計電路、模擬元件裝配，學會調試。實體實驗室配置只是為了檢驗鍛煉學生的電子電路實體裝配及焊接技術，故障的排除也可借助仿真技術解決。因此，在此實習環節，教學環節的內容實施安排及計劃中，可針對學生專業的差異，改革同模式、固定實習項目內容、定時間、定要求、定步驟的批量培養方式，努力解決新器件、新設備、新技術的短缺問題，從有利于創新型人才培養的角度，研究新的實習教學手段，促進實踐教學水平提高，緩解實驗室資源、資金及用地壓力。

實習虛擬環境功能靈活多變，資源與時俱進，滿足部分實習任務需求 基于虛擬聯網的開發平臺的新型實驗場所可擺脫傳統面對面的實體實驗室授課模式約束，給學生提供一個含有各類虛擬儀器設備的逼真實驗環境。其中的儀器設備有別于商用軟件中預先已經定義好的儀器設備，可根據現實技術發展重新“生成”新的儀器設備，保證教學內容的不斷更新需求，使實習課題制作及訓練能及時跟上測試技術的發展。虛擬實驗框架靈活可變，指導教師可以結合電工電子新技術發展持續完善備用元件庫及檢測儀器設備數據分析功能，實習者可以依據大綱，根據自己的需要和興趣，利用虛擬實驗室的實驗模型庫，自由搭接、組合、拆裝實驗框架，自行設計實驗步驟和實驗方法，自主學習[3]。在此基礎上，進行實習內容模塊任務分析，預先進行電路設計與調試，完成部分實習任務。

循環開發與教學效果檢驗，以學生工程設計能力提升引領虛擬實驗室建設 虛擬實驗室開發建設應為長期漸進過程，為減少儀器設備經費的投入，解決高校實驗室經費不足問題，其中的建設模塊可劃分為若干子課題，利用畢業設計環節鼓勵指導高年級學生利用多媒體技術、仿真技術與虛擬技術相結合的方法，開發設計有別于傳統實驗室的現代化實習平臺。設計成果在低年級學生實習環節中進行應用檢驗，檢驗發現的不足可作為下一年度學生畢業設計課題的立項來源，如此循環建設開發與檢驗、信息反饋與再設計，持續推動虛擬實驗室建設的更新完善，解決資源陳舊問題。通過此類項目的過程鍛煉，學生在校期間的工程綜合設計能力明顯得到提高，為順利走向社會打下扎實基礎。

建設成果聯網，實現資源共享，營造自學環境 為解決實習用地問題，借助互聯網，將授課實驗室延伸到因特網所覆蓋的任何一個場所，處于不同地理位置的學習者可以同時對一個實習項目進行操作，接觸最新的儀器[4]。實習者可以在儀器庫中提取所需要的實習器材，自由進出實驗系統，拓寬實習的時空觀，提高實習效率。避免設備的重復購置，減少重復投資，提高辦學效益，比傳統實習模式更容易挖掘教學潛能[5]。同時，不斷設計增加具有高新技術的實習項目，引導學生接觸電工電子新知識及新技術，開發學生的潛能，培養學生跨學科自主學習研究的意識。對學生的成果進行分析完善與改進，將制作優秀的作品加入到虛擬實驗室中，以達到資源共享。

5 小結

電工電子實習虛擬環境建設作為資源共享平臺，在該平臺上學生能遠程接受多媒體授課，自主學習電工電子電路設計步驟及工作原理，認識元件的外形及功能，初步實現實體項目電路焊接實驗之前線路設計測試仿真及調試功能。平臺承擔整個實習環節的部分任務，減少實體實驗室占用時間，緩解了實驗室的壓力。同時在虛擬環境開發項目工作中融入高年級工程設計能力培養部分元素，總任務拆分成若干子項目，作為畢業設計課題，引導學生進行工程設計開發，熟悉開發步驟，鍛煉發現問題與解決問題能力，迎合社會對高校人才培養的需求，增強教學效果。

參考文獻

[1]王青.微機接口網上虛擬實驗室的研究設計[D].山東：中國海洋大學，2004.

[2]何圣雄，陳曉暉.電工電子實習運行模式初探[J].電氣電子教學學報，2002（1）：66-67，70.

[3]劉靜.基于X3D的虛擬實驗平臺研究與實現[D].濟南：山東理工大學，2008.

[4]蘇丹，穆肅.英國開放大學遠程學習工具的應用分析和建議[J].遠程教育雜志，2007（6）：32-36.

[5]肖俊.遠程教育中的虛擬實驗室研究[D].武漢：華中師范大學，2002.