基于ELVIS II的虛實(shí)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h1>
2020-07-14 17:51:03吳蘇胡秋月馬知遠(yuǎn)
科教導(dǎo)刊 2020年14期 關(guān)鍵詞：教學(xué)改革
吳蘇 胡秋月 馬知遠(yuǎn)
摘 要 本文基于以學(xué)員為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，利用ELVIS 多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了虛實(shí)互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑O(shè)計(jì)了教學(xué)案例，驗(yàn)證了其可行性，在節(jié)約教育投資、共享教育資源等方面具有重要的意義。
關(guān)鍵詞 教學(xué)改革 虛實(shí)結(jié)合 口袋實(shí)驗(yàn) 理實(shí)一體
中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.015
Abstract Based on the concept of student-centered teaching， this paper cultivates students' ability of independent learning， improves their practical ability， and realizes the sharing of teaching resources. Using Elvis multi-functional teaching experiment platform， this paper puts forward the experiment mode of virtual reality interaction， designs teaching cases， and verifies its feasibility， which is of great significance in saving educational investment and sharing educational resources.
Keywords teaching reform; selective focus; pocket experiment; integration of theory and Practice
0 引言
近年來(lái)，伴隨著科技的突飛猛進(jìn)，社會(huì)對(duì)于人才的要求不再是單純知識(shí)型，而是從知識(shí)、技能、素質(zhì)三個(gè)方面提出要求，不僅要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。關(guān)于大學(xué)課堂教學(xué)方法和模式的研究已成為現(xiàn)代教育教學(xué)改革的核心問(wèn)題，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿(mǎn)足現(xiàn)在信息化時(shí)代的要求，現(xiàn)階段高教工作模式正進(jìn)入一個(gè)數(shù)字化、信息化的時(shí)代。
電子技術(shù)系列課程作為學(xué)科基礎(chǔ)必修課，是一類(lèi)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，在課下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，而傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配合，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如果開(kāi)課班級(jí)較多，則實(shí)驗(yàn)室的容納人數(shù)有限，使得實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，不利于學(xué)員隨時(shí)隨地開(kāi)展自主探索，影響學(xué)員對(duì)知識(shí)的理解程度，導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié) 。
本課題針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種“虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”，其核心是基于NI ELVIS多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建，通過(guò)在面板上搭建電路，利用ELlVIS II 上的數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試信號(hào)，通過(guò)平臺(tái)上集成的虛擬儀器分析處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并顯示輸出。對(duì)于教師，能夠及時(shí)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輔助知識(shí)的遷移，對(duì)于學(xué)生可以利用該便攜的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
1.1 硬件環(huán)境
ELVIS II是NI公司推出的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化的功能。該教學(xué)平臺(tái)插入一塊原型實(shí)驗(yàn)面板，并集成了包括萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)源、直流電壓源、波特儀等12種實(shí)驗(yàn)室常用儀器。ELVIS非常適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)和電子電路原型設(shè)計(jì)與測(cè)試，為電子技術(shù)類(lèi)課程提供了動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)。
1.2 軟件環(huán)境
ELVIS II是基于圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW與原型創(chuàng)建環(huán)境，該平臺(tái)嵌入Multisim 仿真軟件，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，通過(guò)先仿真后實(shí)現(xiàn)的工程設(shè)計(jì)思路，所見(jiàn)即所得，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力，提升了電路設(shè)計(jì)的效率，教學(xué)效果明顯提高。具體在有個(gè)電路設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行Multisim電路仿真，利用虛擬仿真環(huán)境搭建3D電路，并嘗試不同布線(xiàn)，以便實(shí)物連接時(shí)選擇最優(yōu)方案;用LabVIEW 軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)與NI ELVIS II 教學(xué)平臺(tái)聯(lián)接，通過(guò)軟件編程測(cè)試環(huán)境，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，便于學(xué)生可視化理解頻帶、頻譜、I-V曲線(xiàn)等各種電路特性。
2虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式
“模擬電子技術(shù)”課程普遍被學(xué)生反映較難學(xué)習(xí)，被稱(chēng)為“魔電”，其魔性主要因?yàn)槠渲R(shí)點(diǎn)較多、內(nèi)容比較抽象、工程實(shí)踐性強(qiáng)，通過(guò)與學(xué)生的調(diào)查和交往發(fā)現(xiàn)，他們的厭學(xué)情緒主要來(lái)源于理論教學(xué)過(guò)程中的理論授課模式，各種理論知識(shí)抽象，學(xué)習(xí)成績(jī)一般的學(xué)生難以快速理解，進(jìn)而越來(lái)越難跟上課程的進(jìn)度。
虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式極大活躍了課堂氣氛，教師在課上根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)NI ELVIS II教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了模擬實(shí)際的環(huán)境模型，采用虛實(shí)結(jié)合的形式使學(xué)生加深對(duì)基本概念和基礎(chǔ)原理的理解，較快建立起模擬電子技術(shù)的基本理論構(gòu)架，在課下，通過(guò)布置課堂DIY實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解到本節(jié)課程知識(shí)的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教與學(xué)之間的交互性。
2.1課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
“濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用”是工程上常用的電路，同樣也是模擬電路課程教學(xué)中的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過(guò)多媒體課件展示直流濾波電路的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)于電路性能指標(biāo)、幅頻響應(yīng)等工程實(shí)際應(yīng)用卻無(wú)法在課堂中即學(xué)即現(xiàn)地展示出來(lái)。利用NI ELVIS II 教學(xué)平臺(tái)和各種基本半導(dǎo)體元器件，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“低通濾波器電路”，實(shí)驗(yàn)包括硬件電路和軟件仿真兩個(gè)部分。
（1）按照?qǐng)D1、圖2對(duì)濾波電路的信號(hào)源和電源電壓進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)過(guò)Multisim仿真，觀(guān)察輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。進(jìn)一步調(diào)整信號(hào)源的輸入信號(hào)頻率，電源的電壓值，觀(guān)察電路輸出有無(wú)變化，與理論結(jié)果是否一致。
（2）進(jìn)入3D ELVIS II，學(xué)生可嘗試不同的布局布線(xiàn)，比如圖3所示。
2.2課下實(shí)驗(yàn)探究
為幫助學(xué)員能夠即時(shí)觀(guān)察復(fù)雜理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)展示效果，并且親自動(dòng)手實(shí)踐，鞏固理論知識(shí)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了濾波電路測(cè)試系統(tǒng)，可變電源輸出電壓12V～0V，通過(guò)實(shí)際調(diào)整輸入信號(hào)頻率、電路參數(shù)，觀(guān)察濾波電路輸出信號(hào)波形，F(xiàn)FT頻譜，鞏固和理解濾波器截止頻率、帶寬和波形失真等理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試界面如圖4所示。
3結(jié)語(yǔ)
本文采用的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，大大改善傳統(tǒng)的純理論傳授教學(xué)模式的弊端， 讓學(xué)生所見(jiàn)即所學(xué)，另一方面，基于虛實(shí)結(jié)合硬件環(huán)境的高集成性，易測(cè)量性，不僅可以緩解實(shí)驗(yàn)室資源的緊張情況，以便學(xué)生課下隨時(shí)隨地自主實(shí)踐，從而使學(xué)生較快的將知識(shí)的理解內(nèi)化遷移為技能的掌握，使學(xué)員被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)， 將句號(hào)課堂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱?wèn)號(hào)課堂，大大提高教與學(xué)之間的交互性。
參考文獻(xiàn)
[1] 汪源，王連勝，梁志勇.NI ELVIS在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：35-37.
[2] 柳征，姜文利.電子工程本科專(zhuān)業(yè)課教學(xué)方法改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：80-81.
[3] 李?lèi)傷悾瑥垵h華.電路課程教學(xué)中的實(shí)例教學(xué)法探討[J].中國(guó)電子教育，2013（2）：54-56.
[4] 榮海林，姚福安.基于MyDAQ 的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017（12）：133-136.
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吳蘇 胡秋月 馬知遠(yuǎn)
摘 要 本文基于以學(xué)員為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，利用ELVIS 多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了虛實(shí)互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑O(shè)計(jì)了教學(xué)案例，驗(yàn)證了其可行性，在節(jié)約教育投資、共享教育資源等方面具有重要的意義。
關(guān)鍵詞 教學(xué)改革 虛實(shí)結(jié)合 口袋實(shí)驗(yàn) 理實(shí)一體
中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.015
Abstract Based on the concept of student-centered teaching， this paper cultivates students' ability of independent learning， improves their practical ability， and realizes the sharing of teaching resources. Using Elvis multi-functional teaching experiment platform， this paper puts forward the experiment mode of virtual reality interaction， designs teaching cases， and verifies its feasibility， which is of great significance in saving educational investment and sharing educational resources.
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0 引言
近年來(lái)，伴隨著科技的突飛猛進(jìn)，社會(huì)對(duì)于人才的要求不再是單純知識(shí)型，而是從知識(shí)、技能、素質(zhì)三個(gè)方面提出要求，不僅要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。關(guān)于大學(xué)課堂教學(xué)方法和模式的研究已成為現(xiàn)代教育教學(xué)改革的核心問(wèn)題，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿(mǎn)足現(xiàn)在信息化時(shí)代的要求，現(xiàn)階段高教工作模式正進(jìn)入一個(gè)數(shù)字化、信息化的時(shí)代。
電子技術(shù)系列課程作為學(xué)科基礎(chǔ)必修課，是一類(lèi)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，在課下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，而傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配合，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如果開(kāi)課班級(jí)較多，則實(shí)驗(yàn)室的容納人數(shù)有限，使得實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，不利于學(xué)員隨時(shí)隨地開(kāi)展自主探索，影響學(xué)員對(duì)知識(shí)的理解程度，導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié) 。
本課題針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種“虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”，其核心是基于NI ELVIS多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建，通過(guò)在面板上搭建電路，利用ELlVIS II 上的數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試信號(hào)，通過(guò)平臺(tái)上集成的虛擬儀器分析處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并顯示輸出。對(duì)于教師，能夠及時(shí)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輔助知識(shí)的遷移，對(duì)于學(xué)生可以利用該便攜的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
1.1 硬件環(huán)境
ELVIS II是NI公司推出的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化的功能。該教學(xué)平臺(tái)插入一塊原型實(shí)驗(yàn)面板，并集成了包括萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)源、直流電壓源、波特儀等12種實(shí)驗(yàn)室常用儀器。ELVIS非常適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)和電子電路原型設(shè)計(jì)與測(cè)試，為電子技術(shù)類(lèi)課程提供了動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)。
1.2 軟件環(huán)境
ELVIS II是基于圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW與原型創(chuàng)建環(huán)境，該平臺(tái)嵌入Multisim 仿真軟件，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，通過(guò)先仿真后實(shí)現(xiàn)的工程設(shè)計(jì)思路，所見(jiàn)即所得，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力，提升了電路設(shè)計(jì)的效率，教學(xué)效果明顯提高。具體在有個(gè)電路設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行Multisim電路仿真，利用虛擬仿真環(huán)境搭建3D電路，并嘗試不同布線(xiàn)，以便實(shí)物連接時(shí)選擇最優(yōu)方案;用LabVIEW 軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)與NI ELVIS II 教學(xué)平臺(tái)聯(lián)接，通過(guò)軟件編程測(cè)試環(huán)境，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，便于學(xué)生可視化理解頻帶、頻譜、I-V曲線(xiàn)等各種電路特性。
2虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式
“模擬電子技術(shù)”課程普遍被學(xué)生反映較難學(xué)習(xí)，被稱(chēng)為“魔電”，其魔性主要因?yàn)槠渲R(shí)點(diǎn)較多、內(nèi)容比較抽象、工程實(shí)踐性強(qiáng)，通過(guò)與學(xué)生的調(diào)查和交往發(fā)現(xiàn)，他們的厭學(xué)情緒主要來(lái)源于理論教學(xué)過(guò)程中的理論授課模式，各種理論知識(shí)抽象，學(xué)習(xí)成績(jī)一般的學(xué)生難以快速理解，進(jìn)而越來(lái)越難跟上課程的進(jìn)度。
虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式極大活躍了課堂氣氛，教師在課上根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)NI ELVIS II教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了模擬實(shí)際的環(huán)境模型，采用虛實(shí)結(jié)合的形式使學(xué)生加深對(duì)基本概念和基礎(chǔ)原理的理解，較快建立起模擬電子技術(shù)的基本理論構(gòu)架，在課下，通過(guò)布置課堂DIY實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解到本節(jié)課程知識(shí)的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教與學(xué)之間的交互性。
2.1課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
“濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用”是工程上常用的電路，同樣也是模擬電路課程教學(xué)中的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過(guò)多媒體課件展示直流濾波電路的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)于電路性能指標(biāo)、幅頻響應(yīng)等工程實(shí)際應(yīng)用卻無(wú)法在課堂中即學(xué)即現(xiàn)地展示出來(lái)。利用NI ELVIS II 教學(xué)平臺(tái)和各種基本半導(dǎo)體元器件，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“低通濾波器電路”，實(shí)驗(yàn)包括硬件電路和軟件仿真兩個(gè)部分。
（1）按照?qǐng)D1、圖2對(duì)濾波電路的信號(hào)源和電源電壓進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)過(guò)Multisim仿真，觀(guān)察輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。進(jìn)一步調(diào)整信號(hào)源的輸入信號(hào)頻率，電源的電壓值，觀(guān)察電路輸出有無(wú)變化，與理論結(jié)果是否一致。
（2）進(jìn)入3D ELVIS II，學(xué)生可嘗試不同的布局布線(xiàn)，比如圖3所示。
2.2課下實(shí)驗(yàn)探究
為幫助學(xué)員能夠即時(shí)觀(guān)察復(fù)雜理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)展示效果，并且親自動(dòng)手實(shí)踐，鞏固理論知識(shí)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了濾波電路測(cè)試系統(tǒng)，可變電源輸出電壓12V～0V，通過(guò)實(shí)際調(diào)整輸入信號(hào)頻率、電路參數(shù)，觀(guān)察濾波電路輸出信號(hào)波形，F(xiàn)FT頻譜，鞏固和理解濾波器截止頻率、帶寬和波形失真等理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試界面如圖4所示。
3結(jié)語(yǔ)
本文采用的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，大大改善傳統(tǒng)的純理論傳授教學(xué)模式的弊端， 讓學(xué)生所見(jiàn)即所學(xué)，另一方面，基于虛實(shí)結(jié)合硬件環(huán)境的高集成性，易測(cè)量性，不僅可以緩解實(shí)驗(yàn)室資源的緊張情況，以便學(xué)生課下隨時(shí)隨地自主實(shí)踐，從而使學(xué)生較快的將知識(shí)的理解內(nèi)化遷移為技能的掌握，使學(xué)員被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)， 將句號(hào)課堂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱?wèn)號(hào)課堂，大大提高教與學(xué)之間的交互性。
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