虛實(shí)結(jié)合的《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)模式改革

盧娟，賈永興，許鳳慧，龔晶，倪雪

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京）

一 引言

當(dāng)前教育部“新工科”背景下的人才培養(yǎng)給電類基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)帶來新的要求，一是培養(yǎng)模式調(diào)整，對(duì)學(xué)生崗位任職、職業(yè)發(fā)展等提出了更高要求，具有支撐作用的電類基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)體系迫切需要加強(qiáng)；二是教學(xué)模式改革的迫切需要，由于培訓(xùn)規(guī)模增加和實(shí)踐教學(xué)時(shí)間、場地不足，利用信息技術(shù)打造線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，拓展實(shí)踐教與學(xué)的時(shí)間和空間，成為實(shí)踐教學(xué)改革的必然趨勢[1]。

模擬電子技術(shù)課程是電子、通信等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，存在教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的突出問題，尤其是隨著院校教育轉(zhuǎn)型的需要，專業(yè)基礎(chǔ)課程理論和實(shí)踐學(xué)時(shí)量都在不斷壓縮，如何在有限的學(xué)時(shí)量、有限的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)，合理設(shè)置演示認(rèn)知型、基礎(chǔ)驗(yàn)證型、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)比例，使學(xué)生快速掌握基本實(shí)踐技能，真正具有工程意識(shí)，有效培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，保證人才質(zhì)量的培養(yǎng)，一直是本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

虛擬實(shí)驗(yàn)的引入使得《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)以最直觀的方式讓學(xué)生見到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生以最有效率的方式理解課程學(xué)習(xí)中遇到的各種理論知識(shí)，最快速地幫助學(xué)生將自己的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)從想法階段過渡到實(shí)驗(yàn)階段，以最接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程驗(yàn)證學(xué)生設(shè)計(jì)出的電路，為最終的實(shí)物實(shí)驗(yàn)真實(shí)可靠地驗(yàn)證創(chuàng)新性設(shè)計(jì)做好充分準(zhǔn)備[2]。但虛擬實(shí)驗(yàn)無法真正代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的客觀性和真實(shí)性，也不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的工作作風(fēng)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)又是重要的、必需的和不可替代的[3]。因此，為了解決現(xiàn)實(shí)問題，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，我們整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)置三性實(shí)驗(yàn)比例，基于本校通信與電子信息國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，對(duì)《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程進(jìn)行了以虛促實(shí)，虛實(shí)結(jié)合的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探索。

二 教學(xué)模式改革思路

傳統(tǒng)的《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程全部是線下的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，以基礎(chǔ)驗(yàn)證型為主，而綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)受元器件、實(shí)驗(yàn)箱約束，無法隨意更改電路參數(shù)，或者脫離實(shí)驗(yàn)箱完全自主搭建電路、焊接測試，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)又嚴(yán)重不夠。因此，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受限于實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計(jì)靈活性不夠，不足于滿足高階層次實(shí)驗(yàn)需求。另一方面，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的推送又為學(xué)生更好地實(shí)踐演示認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)提供條件，進(jìn)而積極調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程。智能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的興趣，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)和人才培養(yǎng)效果。

因此，改革的首要問題是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)。將傳統(tǒng)的純實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，構(gòu)建“演示認(rèn)知型- 線上資源自學(xué)，基礎(chǔ)驗(yàn)證型- 實(shí)體實(shí)驗(yàn)室操作，綜合設(shè)計(jì)型-線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，打造由低階到高階、由簡單到復(fù)雜，線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)對(duì)象、時(shí)間、空間和內(nèi)容的拓展，以虛促實(shí)，虛實(shí)共濟(jì)。其次，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式由傳統(tǒng)模式向課前延伸、向課后拓展，形成課前自學(xué)、課堂導(dǎo)學(xué)和課后拓展的“三階段”銜接式教學(xué)；再次，打造多層次、模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和開放共享的實(shí)踐環(huán)境，完善“虛擬類、實(shí)體類、半實(shí)物仿真類”等實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)。

三 教學(xué)模式改革方法

（一） 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化重構(gòu)

我校模擬電子技術(shù)課程理論56 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，原有16 學(xué)時(shí)的八個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均在線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)室基于實(shí)驗(yàn)箱完成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏重基礎(chǔ)驗(yàn)證，受限于實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)靈活度不夠。常用的虛擬仿真軟件Multisim 等可以隨意改變?cè)骷半娐愤B接，但元件采用的是元器件符號(hào)，儀器儀表采用例化的符號(hào)，雖然界面方便整潔、易于調(diào)試，但是對(duì)于學(xué)生認(rèn)知的能力幫助不大。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依靠信息技術(shù)在計(jì)算機(jī)上最大程度地模擬出與硬件實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，比采用虛擬仿真軟件的方式更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且能提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理一體化功能。

因此，為實(shí)現(xiàn)工程能力和創(chuàng)新能力人才培養(yǎng)目標(biāo)，我們對(duì)《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，減少全部無需高階設(shè)計(jì)而是在現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)板或?qū)嶒?yàn)箱上進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，增加線上自主學(xué)習(xí)的演示認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)和開發(fā)了兩個(gè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化調(diào)整后，課上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為六個(gè)線下基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)（基于實(shí)驗(yàn)箱完成）和兩個(gè)線上綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)（基于虛擬仿真平臺(tái)完成），側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。其中，線下基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為：常用電子元器件的識(shí)別與檢測、單級(jí)阻容耦合放大器、集成功率放大器、集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用、整流濾波和集成穩(wěn)壓電路、555 定時(shí)器及其應(yīng)用。線上綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為：負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)、波形產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)。課下演示認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)的補(bǔ)充和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)要求，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)生采用線上自主學(xué)習(xí)，通過觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻，利用多媒體教學(xué)資源，沉浸式體驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容，對(duì)基本器件、基本電路原理、儀器儀表建立感性認(rèn)識(shí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)“演示認(rèn)知型（0 學(xué)時(shí)）→基礎(chǔ)驗(yàn)證型（12 學(xué)時(shí)）→綜合設(shè)計(jì)型（4 學(xué)時(shí)）”三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，打造由低階到高階、由簡單到復(fù)雜，線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)對(duì)象、時(shí)間、空間和內(nèi)容的拓展，以虛促實(shí)，虛實(shí)共濟(jì)，從而有效提升教與學(xué)的效果。

（二） 教學(xué)方式方法更新

教學(xué)方式方法上，采用以學(xué)生為中心的“線上自主預(yù)習(xí)→線下實(shí)體操作”“線下電路設(shè)計(jì)→線上引導(dǎo)調(diào)試”的線上線下集中教學(xué)和自主實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)相結(jié)合的探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以及基于虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互的互動(dòng)式教學(xué)方法。針對(duì)任務(wù)和重難點(diǎn)內(nèi)容驅(qū)動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)到方法，再到手段的完整教學(xué)過程。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式由傳統(tǒng)模式向課前延伸、向課后拓展，形成了課前自學(xué)、課堂導(dǎo)學(xué)和課后拓展的“三階段”銜接式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)由被動(dòng)接受向主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究轉(zhuǎn)變，教師傳授知識(shí)由灌輸向設(shè)計(jì)、引導(dǎo)、協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

演示認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)：采用線上自主學(xué)習(xí)，學(xué)生通過觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻，利用自制多媒體教學(xué)資源，沉浸式體驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容，對(duì)基本器件、基本電路、儀器儀表建立感性認(rèn)識(shí)。

基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)：采用線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)，教師實(shí)時(shí)指導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開展電路調(diào)試測試，通過動(dòng)手實(shí)踐，讓學(xué)生增加對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)、加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：采用線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用虛擬仿真平臺(tái)，教師線上引導(dǎo)學(xué)生完成高階次的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生具備工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力。

（三） 教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源建設(shè)方面包括自制多媒體教學(xué)資源“模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室”單機(jī)版軟件和自制大量實(shí)驗(yàn)操作視頻資源。

課題組成員2014 年初著手策劃、設(shè)計(jì)、制作 “模擬電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室”多媒體教學(xué)資源，將教師們手中分散的圖像、視頻、動(dòng)畫、文檔等資源結(jié)合flash、VB 等軟件整合成一個(gè)單機(jī)版的軟件。由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在許多共性問題，因此，可以將這些常見問題和常見現(xiàn)象歸納整理，填充到多媒體教學(xué)資源中，將基本元器件識(shí)別與檢測、基本儀器儀表使用及維護(hù)、基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作、調(diào)試與排故、常見問題及提示等制作成多媒體教學(xué)資源，并在教學(xué)過程中不斷更新[4]。

自制大量實(shí)驗(yàn)操作視頻資源包括常用實(shí)驗(yàn)儀表使用、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)示范操作、EDA 仿真軟件學(xué)習(xí)、電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作等，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)參看，同時(shí)配合電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以點(diǎn)播實(shí)驗(yàn)操作錄像、虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式，先虛擬仿真后實(shí)體實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的興趣。這樣一方面可以逐步培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的意識(shí)；另一方面可以使教師從繁瑣和重復(fù)的實(shí)驗(yàn)答疑中解脫出來，投入更多的精力進(jìn)行原理性和方法性的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

（四） 線上虛擬實(shí)驗(yàn)

《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》中的兩個(gè)綜合設(shè)計(jì)型——負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)、波形產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成，如圖2 所示。該平臺(tái)基于B/S 架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外甚至更廣范圍內(nèi)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足1000 人同時(shí)做實(shí)驗(yàn)，能提供全方位的電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能，包括：實(shí)驗(yàn)前的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、典型實(shí)驗(yàn)課的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)成績的統(tǒng)計(jì)查詢、在線答疑、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估等功能。教師在電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上發(fā)布新實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生登錄后即可看到，可在線遠(yuǎn)程調(diào)用平臺(tái)上的仿真環(huán)境，對(duì)在線下提前設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，教師線上適時(shí)引導(dǎo)調(diào)試，學(xué)生在完成電路的仿真測試后，可在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師登錄平臺(tái)后在線批改學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并及時(shí)將評(píng)價(jià)反饋給學(xué)生。

圖2 電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主頁

（五） 考核模式改革

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績= 操作部分（占80%）+ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告（占20%），不區(qū)分實(shí)驗(yàn)類型，而基礎(chǔ)驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)由于其內(nèi)容性質(zhì)的不同，在考核側(cè)重點(diǎn)上應(yīng)該區(qū)分考察。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革中，我們將考核分為“基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)考核”和“綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)考核”。

“基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)考核”：采用過程考核，注重過程兼顧結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)成績（百分制）=知識(shí)預(yù)習(xí)評(píng)分×10% +100×速度系數(shù) ×模式難度系數(shù)×完成度×70% + 實(shí)驗(yàn)報(bào)告×20%，其中，速度系數(shù)按班級(jí)總?cè)藬?shù)（一般20 人）從最快1.0 逐次遞減0.01，模式難度系數(shù)分為基本模式和挑戰(zhàn)模式，基本模式的難度系數(shù)是 0.9， 挑戰(zhàn)模式難度系數(shù)是1.0。

“綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)考核”：考核從對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，功能的完成情況，電路設(shè)計(jì)報(bào)告的提交，報(bào)告編寫規(guī)范性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，每次實(shí)驗(yàn)成績具體如下：

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核不區(qū)分實(shí)驗(yàn)類型，按等級(jí)評(píng)價(jià)的模式。改革為區(qū)分實(shí)驗(yàn)類型考核，線下基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)量化各項(xiàng)指標(biāo)，考慮實(shí)驗(yàn)完成的速度系數(shù)和難度系數(shù)；線上綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)根據(jù)在線虛擬系統(tǒng)的“過程記錄，實(shí)驗(yàn)復(fù)盤”等功能，按照評(píng)分細(xì)則，客觀公正地給出考核評(píng)價(jià)。

四 結(jié)語

虛實(shí)結(jié)合的理念既避免了學(xué)生接觸不到實(shí)物，缺少實(shí)際動(dòng)手能力的缺陷，又實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求。通過線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將實(shí)踐教學(xué)貫穿于學(xué)生學(xué)習(xí)的始終，解決了培養(yǎng)模式改變、教學(xué)改革驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)需求，提升了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的靈活性，利于實(shí)施個(gè)性化、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性，使學(xué)生的模擬電子技術(shù)綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力有較大提高，為學(xué)生將來更好的發(fā)展和更高層次的科學(xué)技術(shù)研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。