運用虛擬仿真改革以CDIO工程教育理念為基礎的電子實習教學

龍英文+王敬華+章偉+余粟

摘 要 針對以CDIO工程教育理念為基礎的電子實踐環節中的不足，通過引入虛擬仿真環節，對電子實習教學模式和考核方法進行改革，注重學生對基礎知識的理解和靈活運用，并在此基礎上引導學生培養創新能力，教學實踐證明效果良好。

關鍵詞 電子技術；CDIO；虛擬仿真；教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0053-03

Abstract According to the defects of conventional electronic prac-tice teaching on the basis of CDIO Engineering Education Idea，refor-mation and practice of teaching way and evaluation method were made by introducing virtual computer simulation， which focusing on better understanding and skillful using of basic knowledge. Further-more， innovation spirit and innovation ability of individual student can be aroused better. Satisfactory teaching results have been provedby practice.

Key words electronic practice； CDIO； virtual simulation； teaching reformation

1 引言

電子技術是上海工程技術大學非電類專業學生的一門公共基礎實踐課程。電子技術實驗課程不僅可以鞏固學生課堂所學的部分基礎知識，而且有利于培養學生工程實踐和創新能力。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）模式，即“構思—設計—實施—運作”模式，其在電子實習教學中得到廣泛應用[1-6]。上海工程技術大學工程實訓中心也通過開展CDIO模式的電子實習實踐，不僅強調學生對電子技術、電工技術等課程基礎知識的復習和掌握，也注重在基本技能訓練過程中培養學生團隊協作和創新精神[2]。它通過項目的構思設計和實施運作，將學生的整個課程體系有機地結合起來，從而達到知識的系統學習和工程實踐能力的全面提升。

2 電子實習教學改革前存在的問題

學生在課前預習率不高，導致自學能力提升不足 實習學生在實習上課前都會分到電子實習教材，大多數學生沒有對教材進行課前預習。在電子實習期間，教師在實訓教室對實習教學進行講解，學生基本上被動聽課。在實習過程中，學生完全聽從教師的安排，不少學生缺乏主動性和積極性。如果學生課前進行課前預習，會帶著些疑問進行聽課和動手實驗，這樣課堂收獲會更大，并在此過程中培養自學能力。

教學內容陳舊，教材和實習內容很多年沒有發生變化，不能很好地適應社會需求 電子實習項目內容只包括直流穩壓電源的焊接和調試，該實習內容應該屬于20世紀90年代的直流穩壓電源的做法，屬于市電不控整流AC/DC變換，功率因數很低，該架構在實際應用中已經很少采用。實習的內容陳舊，不能有效涵蓋電子技術、電工技術等教材的知識點。如核心的負反饋電路、運算放大器等其他重要的知識點，沒有涵蓋實驗項目。

教學過程中理論和創新方面互動環節偏少 目前在實習過程中，學生和實習教師互動環節很多，但涉及理論和創新方面的很少。在實習過程中，不少學生對電路原理不是很理解，關心的重點就是要如何把實驗結果給做出來，對電路工作原理是什么，如何對其進行改進，他們很少關心，造成實踐教學效果有欠缺。

學生考核內容不科學，不能很好地反映學生對知識點的掌握、運用和創新能力 目前學生實習成績包括考勤、實驗完成情況和實習報告三大塊，不能客觀體現學生對知識點的理解能力和創新能力。由于實驗是分組進行，學生人數較多，實習教師工作量大，不可能正確評價每個學生在實習中的表現，可能會存在濫竽充數的問題，出現不努力的學生通過一份好的實驗報告，就有可能獲得好的成績等不合理現象。

3 教學改革與實踐教學模式介紹

根據之前電子實習環節出現的問題，立足學校實際情況，通過引入虛擬仿真環節，對以CDIO工程教育理念為指導的電子實習教學環節進行教學模式的補充與完善，加強學生主動性，增加知識點運用及創新互動環節，培養適應新時期社會需要的創新型人才。具體的教學改革措施與實踐情況如下。

1）建立以服務學生、引導學生創新為目標的教學模式，通過在實習前讓學生使用MATLAB、Saber、PSIM等計算機虛擬仿真工具進行仿真模擬，提前模擬做技術工作所需要的工作步驟，加強學生對基礎知識的理解，并在此基礎上引導學生獨立思考，培養他們進行自主學習的能力，適應社會需要。

首先要求實習教師樹立服務引導學生的教育理念，改變填鴨教學模式，在實習前依據CDIO工程教育理論，注重對學生電子實習課前的預習任務進行安排，增加課前仿真預習環節作業。指導教師教授學生使用合適的仿真軟件，學生通過使用MATLAB、Saber、PSIM等虛擬仿真工具進行電子原理圖仿真模擬。這樣一來，學生通過計算機虛擬仿真環節，對實驗中需要手動搭建的原理圖已經有了很好的認知。教師在實驗過程中可以幫助學生有針對性地提出問題，幫助他們掌握電子實習原理圖的工作原理。

2）電子實習過程中采用學習、仿真、實驗、創新實踐教學模式，幫助學生有效理解和運用知識，進而產生知識創新的能力。將電子實驗教學模式進行改革與創新，實施過程分解為學習、仿真、實驗和創新四個主要階段。endprint

學習主要包括課本知識的學習與理解以及介紹仿真的作用，在這個階段包括教師課堂講授和學生課前課后學習等。實習教師需要給學生講述電子技術的應用范圍及發展趨勢，并帶領學生參觀之前學生進行電子實習的優秀仿真及作品，激發學生對電子知識的興趣。

仿真主要是在搭建仿真電路及仿真調試的過程中幫助學生更好地理解和消化知識點。這個階段要求學生分組進行仿真練習，實習教師主要引導學生逐步掌握電路模塊的調試和診斷能力，在學生仿真過程中引導和啟發他們在元器件損壞、線路連接不良等條件下，對可能會出現的問題進行仿真分析和分組討論，增加互動環節，幫助學生對常見電路故障進行分析，在實驗時遇到問題和困難都可以很快解決。該階段有助于培養學生分析和解決問題的能力。

實驗主要是通過實際操作環節完成上機實驗，并獲取正確的實驗結果。在這個階段，實習教師要引導學生結合仿真和實驗結果進行比較，對于仿真和實驗結果可能會出現的偏差進行分析，這樣有助于增強學生工程實踐的概念。

創新主要培養學生創新知識的能力。實習教師通過提出一系列創新項目，對學生進行項目引導，學生自由組隊、分工合作，共同完成創新項目的原理圖設計、仿真驗證及優化、電路焊接和性能調試，達到或超過項目目標。這個階段注重發揮學生的創造性，學生根據項目的任務要求，自擬方案、自主設計、獨立調試，實習教師只是啟發和引導他們，同時在小組碰到難題時提供必要的幫助與支持。

3）利用虛擬仿真拓展實驗不具備的項目內容，引導學生對關鍵知識點進行仿真，強化學生知識點的掌握和理解能力，并在電子實習教學課程完成后增加創新設計環節。在電子技術、電工技術等課程中核心知識點很多，對于在電子實習中沒有涉及的知識點，引導學生對其進行仿真，并同時提供一些已經完成的仿真程序，可以讓學生更直觀地了解電路工作原理，拓寬、加深對知識點的理解，避免出現以往死記硬背、考完試就忘記的現象。對于沒有納入電子技術實驗又非常重要的知識點，如運算放大電路比例積分負反饋、一階暫態電路瞬態分析等內容，也要求學生進行虛擬在線仿真，加強對知識點的理解。并在此基礎上讓學生進行難度較大的仿真，增強他們掌握運用知識點的本領，進一步提升創新能力。

4）建立大學生創新工作室，為學生繼續開展項目研究提供硬件保障和技術支持。在完成電子仿真及實驗后，不少優秀學生的創造力被激發，他們表達了類似的愿望，希望對電子實習內容進行進一步的項目拓寬及技術探索。為此，工程實訓中心建立大學生創新工作室，聘請有經驗的教師作為學生導師，為學生在課外項目方案確定、仿真評估、實驗驗證過程中提供必要的技術指導和幫助。同時，工程實訓中心全力支持大學生創新項目的實施。

5）針對優秀的學生，鼓勵他們參與教師科研項目，進一步提升技術能力。對于在電子實習中表現優秀的學生，工程實訓中心教師根據每個學生的特長，讓他們分工合作，共同承擔一部分教師的科研任務，主要包括資料查閱、原理圖繪制、電子元器件封裝制作、仿真模型搭建、電路調試、數據測量等內容。這樣可以更好地開闊學生的視野，較好地培養學生的團隊意識，拓寬學生的知識面，激發他們的潛力和創造力。

4 教學效果

通過學生仿真和實驗報告、調查問卷、師生座談和大學生創新項目等形式，了解到進行電子技術實習教學改革嘗試之后，廣大學生普遍感覺受益匪淺，主要表現在以下幾個方面。

個人自學能力明顯提高，對知識點的理解更加透徹 之前在課堂上學到的理論知識，到了電子實習階段，不少學生已經忘記很多。為了完成電子實習仿真作業，團隊成員前期必須翻看之前課本教材，查閱仿真技術資料，搭建仿真模型及進行仿真分析，通過虛擬仿真可以幫助他們有效理解、掌握相關知識點，掌握技術研究仿真模擬算法，提高運用電子知識的能力。

采用仿真技術有效提高電子實習效率 前期仿真學生花費的時間雖然較長，但主要是占用他們的課前課后時間，學生在自己搭建仿真電路并進行仿真調試的過程中，已經對電路工作原理有了比較清晰的認識，后期手動焊接電路調試階段的時間大大縮短，提高了電子實習效率。

增強學生創新能力 不少學生在實習報告心得體會一欄寫到實習的最大體會，就是學習了如何掌握電子知識的正確的學習方法。仿真對電子實習幫助很大，通過增加虛擬仿真等環節，使得學生可以更好地理解目前實驗室不具備的實驗項目，使得他們采用虛擬仿真等手段對感興趣的項目進行仿真分析，這也激發了他們的創新能力。不少學生在實驗報告后續項目中列出不少新穎的提案，也有不少學生建議把仿真提前應用于之前的電子技術和電工技術的教學中去。

培養學生團隊合作精神及溝通能力 電子技術實習過程中由于任務繁重，學生需要進行分組實驗。在實習過程中如何搭建仿真模型，如何進行參數調整及模擬異常情況，以及后續的動手實操環節等，都需要組內學生共通討論、分工合作，一榮俱榮，一損俱損。每個學生要發揮自己的作用，做好自己的工作內容，其中任何一個環節出現失誤，都會影響到小組成績。為了保證實習的正常進行，需要學生發揮主動性，除了完成自己的工作，對于組內其他學生在工作中出現的問題都要及時提供幫助，在這個過程中也無形地培養了學生的合作精神和溝通能力。

5 結語

通過引入虛擬仿真環節，應用在以CDIO工程教育理念為基礎的電子實習教學中，對電子實習教學模式和考核方法進行改革，增加課前預習仿真作業，重視仿真對實習過程的理論指導作用，通過仿真加強學生對基礎知識的理解和靈活運用，并在此基礎上拓寬學生的仿真范圍，進而引導學生培養創新能力，有效提高了電子實習教學的質量，增強了教學效果。

參考文獻

[1]任喜偉，張震強，閆紅超.基于CDIO理念的電子實習實踐教學改革探究[J].黑龍江教育：高教研究與評估版，2016（4）：16-17.

[2]汪敬華，趙春鋒，等.引入CDIO工程教育理念的電子實習教學改革與實踐[J].中國教育技術裝備，2012（30）：132-134.

[3]孫立輝，王海彪.CDIO教學模式下電子實習教學改革與實踐[J].教育與職業，2014（35）：132-133.

[4]劉美華，李建明，屈喜龍.基于CDIO項目教學法的電工電子實習改革與實踐：以湖南工程學院為例[J].湖南工程學院學報：社會科學版，2014（4）：103-106.

[5]陳新兵，謝斌盛，龍曉莉，等.CDIO理念下的電工電子實習教學設計[J].中國電力教育，2014（36）：195-196.

[6]施向軍.CDIO模式下的實習產品開發：以電子技術應用專業為例[J].科學大眾：科學教育，2014（6）：99.endprint