以《高頻電子技術》為例開展互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術的研究與實踐

徐金榮

（太原工業(yè)學院 電子工程系，山西 太原 030008）

0 引言

自新冠病毒爆發(fā)以來，遵循教育部的“停課不停學”的指導思想，部分地區(qū)學校陸續(xù)進行線上教學。教師不斷研究和探索如何進行線上教學，保證學生的學業(yè)不耽誤。中小學教師大部分通過“釘釘”“騰訊會議”等多種軟件進行直播教學。這種教學方式雖可以設置回放功能，但對于高等學校專業(yè)課程的學習，需要探索一種系統(tǒng)的、資源豐富的課程建設將更有利于學生系統(tǒng)地學習一門專業(yè)課。高校學生的自由支配的時間較多，如何利用業(yè)余時間、碎片化時間進行學習，對傳統(tǒng)教學課上的知識點能及時快速地復習和消化，需要這樣的課程資源提供一個渠道，根據(jù)自己知識點的掌握程度進行查缺補漏。此外，對于應用型本科，不僅僅是理論知識的掌握，更強調(diào)知識點的應用和實踐，如何改變傳統(tǒng)的實驗箱進行驗證性實驗的不足、開拓學生的創(chuàng)新性實踐能力的開展，需要改變傳統(tǒng)實驗教學[1]。本文基于以上兩點進行教學改革。

高等教育應堅持以人為本，把“培養(yǎng)人”作為根本任務。在以往的傳統(tǒng)教學中，大多以理論知識教授和教師口述為主，學生自學為輔，存在的問題較為明顯，以《高頻電子技術》為例，主要體現(xiàn)在以下幾個方面[2]：（1）課程內(nèi)容相對抽象，對學生前期學習的基礎比較依賴，課堂實效性差，對實驗的依賴性較強；（2）實驗教學多為驗證性實驗，缺少設計性、創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)，學生綜合開發(fā)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)缺乏相應的環(huán)境和條件；（3）教學內(nèi)容與實際脫節(jié)，涉及工程應用內(nèi)容不多，加之內(nèi)容較抽象，學生學完之后不知道該內(nèi)容有什么應用，能用在哪里，學生的工程素質(zhì)和實踐能力得不到有效培養(yǎng)；（4）缺乏一個高素質(zhì)的理論和實踐教學團隊，理論實踐教學隊伍和管理隊伍建設有待完善。

綜上，單純的“幻燈片”教學模式已不適應新時代的人才培養(yǎng)，無法充分調(diào)動學生的學習興趣和發(fā)揮學生學習的主觀能動性，難以突出學生在學習過程中的主體地位，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。本文基于以上內(nèi)容，以互聯(lián)網(wǎng)及虛擬仿真技術輔助教育教學，最大程度按照信息時代高等教育辦學發(fā)展需求，為學生開展探究性學習、自主學習和創(chuàng)新實踐提供了先進手段和優(yōu)質(zhì)資源，并根據(jù)社會發(fā)展變化給學生提供與社會接觸和應用的條件，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力。

1 研究內(nèi)容

本文根據(jù)高頻電子技術課程教學改革過程中的經(jīng)驗和體會，提出“精選線上課程-實驗室教學-線上仿真”相結合的教學方式，力求通過開展互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術的驗證與實踐，培養(yǎng)學生掌握扎實專業(yè)理論知識，使其能適應現(xiàn)代信息社會需要，開展多樣化工程實踐，具備較強的分析和解決實際問題能力[3]。

《高頻電子技術》課程的選取難度偏高，在融合授課時是否會偏離教學大綱或在提升學生學習樂趣的同時降低學生的認知深度，是本次教改實施階段應盡力避免的問題，也是本教改的難點。

1.1 理論教學改革

《高頻電子技術》課程是我校電子信息工程、通信工程等專業(yè)開設的專業(yè)基礎課，該課程多次被學生評為最難學、被教師評為最難教的一門課程。本校電子工程系主講《高頻電子技術》課程的教師7人，其中教授2人、副教授3人、講師2人和博士3人。經(jīng)課程組多次探討和驗證，課程的資源建設設定如下：總學時為56學時，其中線上（或精品課程）24學時、實驗室12學時、線上試驗拓展20學時。

線上教學采用本校具有豐富教學能力的教學團隊創(chuàng)建的《高頻電子技術》課程，采用“視頻、課件、發(fā)布討論、課后測驗、章節(jié)作業(yè)”等形式進行線上開放式教學。該課程資源包括分章節(jié)各個知識點的視頻資源，針對每個章節(jié)的討論、課后測驗、章節(jié)作業(yè)等資源，通過練習來鞏固學生對知識點的理解和記憶。相關的輔助資料例如電子課件、課后習題、相關的實驗配備系統(tǒng)、實驗指導說明等資源均在課程資源中陳列。部分課程資源截圖如圖1所示。

圖1 課程資源部分截圖

1.2 實驗教學改革

虛擬仿真實驗建設是傳統(tǒng)實驗室基地建設的延伸和有效補充，它能夠豐富實踐教學的內(nèi)涵，帶動專業(yè)建設與改革[4]。實驗教學環(huán)節(jié)改革利用網(wǎng)絡教學實驗平臺，在線搭建實驗設備和仿真過程，利用EWB、Matlab等虛擬仿真技術實現(xiàn)實驗教學環(huán)節(jié)的改革。《高頻電子技術》實驗環(huán)節(jié)分為基本理論驗證實驗、應用提升實驗和自由拓展類實驗。其中，基本理論驗證實驗主要完成基礎教學目的，深化基本理論和基本分析方法；應用提升實驗項目以培養(yǎng)學生設計應用能力為主，綜合運用本課程及關聯(lián)的知識結構設計；自由拓展類實驗是以課程所學內(nèi)容為基礎的各項應用實踐，更偏向帶命題的電子競賽或畢業(yè)設計等。

經(jīng)過教研組探討和論證，通過EWB、MATLAB等軟件開發(fā)高頻電子技術的仿真實驗，學生可以利用這個仿真平臺熟悉模擬通信系統(tǒng)的各個模塊的工作原理，實現(xiàn)實驗設計、仿真調(diào)試、實驗結果的可視化等功能，并且以這個平臺為基礎完成更高指標性能的設計創(chuàng)新性實驗仿真，避免傳統(tǒng)高頻實驗箱進行驗證的單一功能。《高頻電子技術》課程的基礎性實驗內(nèi)容包括LC振蕩器、高頻小信號放大器、功率放大器、振蕩器、調(diào)幅、調(diào)頻、檢波、鑒頻等內(nèi)容，并對每個功能電路采用多種方法實現(xiàn)，并應用拓展類實驗針對各種指標開發(fā)設計來模擬通信系統(tǒng)收發(fā)設備的仿真和焊接實現(xiàn)[5]。圖2展示了采用EWB軟件進行的仿真實驗。

圖2 MC1596 模擬相乘器AM 調(diào)幅

圖3為學生完成應用拓展類實驗后，針對各種指標開發(fā)設計出的模擬通信系統(tǒng)的收發(fā)設備的仿真和焊接實現(xiàn)。

圖3 學生制作的調(diào)頻收發(fā)機

2 研究成果

針對電子信息、通信工程專業(yè)的學生試點運行此次教改實踐，學生的期末平均成績有大幅提升，學生掛科率不到5%。學生實驗參與度、動手能力得到大幅提高，大部分學生完成基礎性實驗和綜合性實驗，部分學生以小組形式完成創(chuàng)新性實驗，達到教學大綱要求。此外，對學生放發(fā)放問卷調(diào)查，95%學生喜歡這種教學方式，學生對該課程的評教結果均為A，學生認為通過學習通上的課程資源查缺補漏，還可以補回因上課瞌睡、走神等沒聽懂的知識點，且可利用業(yè)余時間對相應資源進行系統(tǒng)、針對性的復習。同時，學生也對課程資源提出了一些建議，并希望學校將這些教學模式推廣到更多類似的“專業(yè)基礎理論+實驗”的課程。學生是主體，得到學生認可是對教學改革的成果最大肯定。

3 結論

互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真等信息技術是教育信息化發(fā)展和實踐教學改革相結合的產(chǎn)物，它彌補了傳統(tǒng)理論實踐教學不能實現(xiàn)的教學功能，更加符合當下學生學習特征和就業(yè)市場需求。

（1）積極融入在線教育社會發(fā)展方向，不再受限于學習時間和學習場所，學生可以在規(guī)定時間內(nèi)靈活自主地安排學習和實踐時間。

（2）充分利用網(wǎng)絡教學平臺軟件，提高線下課堂的教學效率和效果；利用平臺統(tǒng)計結果，創(chuàng)新成績評價方式，激發(fā)學生的學習興趣。

（3）降低實驗教學成本，有效解決了傳統(tǒng)實驗平臺建設周期長、投入大、設備老化、更新補充不到位等問題，保障教學的正常開展。