虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用探析

張清清

（安徽亳州新能源學(xué)校 安徽 亳州 236700）

電工電子技術(shù)是中職院校電氣工程、電氣自動(dòng)化等專業(yè)的重要課程，教學(xué)內(nèi)容具有技術(shù)性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，但在復(fù)雜的電路環(huán)境與運(yùn)行情況無法直觀展示的情況下，學(xué)生無法想象與理解。而虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)新穎的教學(xué)輔助工具，可對(duì)教學(xué)中的電路模擬還原，為此，利用虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中創(chuàng)造直觀情境，對(duì)提升教學(xué)效果與人才培養(yǎng)效果有著重要意義。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)又被稱作模擬技術(shù)，是指在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔO(shè)條件下，利用仿真軟件，模擬出電路環(huán)境與運(yùn)行模式，以供實(shí)驗(yàn)實(shí)踐[1]。在中職院校電工電子技術(shù)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了課堂教學(xué)條件不足的缺陷，使學(xué)生能夠直觀了解電路情況，滿足實(shí)踐學(xué)習(xí)需求，便于知識(shí)的理解與實(shí)踐。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

電工電子技術(shù)課程具有實(shí)踐性，教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行知識(shí)滲透。傳統(tǒng)教學(xué)模式中多以實(shí)地實(shí)驗(yàn)為主，但實(shí)驗(yàn)易受天氣、溫度等環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損耗，無法確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性。為解決該難題，虛擬仿真技術(shù)逐漸被引入電工電子技術(shù)教學(xué)當(dāng)中，成為教學(xué)輔助工具以及學(xué)生實(shí)踐工具。

虛擬仿真技術(shù)利用軟件在計(jì)算機(jī)上模擬還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，學(xué)生可通過自主操控掌握抽象、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)原理；且可在計(jì)算機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，簡化科研與教學(xué)過程[2]。目前，教學(xué)實(shí)踐中使用頻率較高的虛擬仿真技術(shù)軟件主要有Multisim、Matlab、Proteus、EWB等，此類軟件具備強(qiáng)大的計(jì)算功能，教學(xué)中師生均可對(duì)軟件模擬出的電路進(jìn)行調(diào)試，且模擬功能強(qiáng)大，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)及了解。

3 虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用策略

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，有效激發(fā)興趣。興趣是學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力，是教學(xué)效果與學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要影響因素，鑒于電工電子技術(shù)課程的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生興趣是教學(xué)實(shí)踐的基本前提。基于虛擬仿真技術(shù)展開教學(xué)，可充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，在模擬電路中根據(jù)教師的指導(dǎo)自行完成實(shí)驗(yàn)；且直觀的電路環(huán)境與運(yùn)行情況對(duì)學(xué)生有著極強(qiáng)的吸引力，利用問題進(jìn)行引導(dǎo)，可有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，使其積極主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中，確保教學(xué)效果的提升[3]。

例如，在“一階電路的瞬態(tài)分析”相關(guān)知識(shí)教學(xué)中，RC電路與RL電路瞬態(tài)分析，在知識(shí)的理解與掌握上均存在難度，為此，教師選擇Matlab虛擬仿真軟件作為教學(xué)工具，運(yùn)用該軟件使試題圖像化的Simulink仿真平臺(tái)，模擬出RC、RL電路(如圖1所示)，向?qū)W生提供了生動(dòng)、形象的電路運(yùn)行情況，軟件也可實(shí)現(xiàn)電路元件動(dòng)態(tài)變化，對(duì)學(xué)生感官產(chǎn)生更強(qiáng)的刺激，在直觀的知識(shí)情境體驗(yàn)中，學(xué)生按照自己的思路與理解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，掌握課堂的主動(dòng)權(quán)，從而產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

圖1 RC(左) RL(右)電路示意圖

在此過程中，虛擬仿真軟件將復(fù)雜模型進(jìn)行直觀化轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電路運(yùn)行狀態(tài)的全面模擬，學(xué)生可設(shè)置電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更逼真的仿真效果，并且通過參數(shù)調(diào)整分析電路運(yùn)行情況變化，掌握所學(xué)知識(shí)。同時(shí)，教師可根據(jù)學(xué)生試驗(yàn)進(jìn)度，適時(shí)的提出問題，將一階電路瞬態(tài)分析相關(guān)知識(shí)巧妙的穿插到虛擬仿真軟件操控中、課題實(shí)驗(yàn)中，有利于引導(dǎo)學(xué)生思維邏輯發(fā)展，強(qiáng)化思考能力，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確把握。

3.2 深化合作，促進(jìn)教學(xué)相長。利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)為學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性創(chuàng)造了契機(jī)，教師應(yīng)充分利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生深入合作探究，并鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新、質(zhì)疑、積極表達(dá)，這也有利于教師全面了解學(xué)生發(fā)展需要，不斷優(yōu)化教學(xué)工作，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長[4]。

例如，在“交流電”相關(guān)知識(shí)教學(xué)中，教師對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致分析，確定該部分學(xué)習(xí)的目標(biāo)、難點(diǎn)、重點(diǎn)，并以小組合作探究方式指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將學(xué)生分成4～6人的學(xué)習(xí)小組，小組內(nèi)成員合理分工，利用Multisim虛擬仿真軟件完成學(xué)習(xí)。具體步驟如下：①組內(nèi)分工。明確小組成員在本次合作學(xué)習(xí)中的任務(wù)，如一名學(xué)生利用Multisim軟件模擬出復(fù)雜的“交流電”，向組員演示具體過程，并分析“交流電”的產(chǎn)生過程。在虛擬仿真技術(shù)的支持下，降低了抽象理論知識(shí)的理解難度，學(xué)生可高效利用課堂時(shí)間展開探究學(xué)習(xí)。②合作研究。在軟件中學(xué)生根據(jù)自己的思考與分析調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)“交流電”中的瞬時(shí)值、最大值、周期、頻率、角頻率等知識(shí)展開探究，并詳細(xì)記錄每個(gè)知識(shí)點(diǎn)探究的實(shí)驗(yàn)過程，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，待合作探究結(jié)束后進(jìn)行演示。③意見交流。面對(duì)小組合作探究中存在的爭議點(diǎn)，組內(nèi)成員可通過互聯(lián)網(wǎng)查詢、請(qǐng)教老師、同學(xué)討論等方式進(jìn)行解決，若最終仍然存在爭議，可在合作學(xué)習(xí)匯報(bào)成果中保留，于班級(jí)內(nèi)探討。④成果展示。各小組匯報(bào)學(xué)習(xí)成果，教師對(duì)成果進(jìn)行記錄，期間鼓勵(lì)學(xué)生暢所欲言，大膽發(fā)表想法，需將結(jié)果中的知識(shí)點(diǎn)穿插至Multisim軟件演示上，便于其他學(xué)生理解，也強(qiáng)化學(xué)生操作能力。⑤總結(jié)與評(píng)價(jià)。教師與學(xué)生共同構(gòu)建知識(shí)體系，總結(jié)知識(shí)點(diǎn)；并針對(duì)學(xué)習(xí)中師生雙方的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為學(xué)習(xí)與教學(xué)兩項(xiàng)工作的優(yōu)化提出建議。

在此過程中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用使教師對(duì)自身作為課堂的組織者、指導(dǎo)者、協(xié)作者的角色有了更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，動(dòng)態(tài)觀察學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行合作探究的效果，有針對(duì)性的發(fā)現(xiàn)學(xué)生的優(yōu)勢(shì)與不足，指導(dǎo)學(xué)生各項(xiàng)能力得到扎實(shí)鍛煉；同時(shí)，教師也在合作探究學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)工作上的不足，并積極參與到學(xué)生的知識(shí)探究中，促進(jìn)教學(xué)工作的發(fā)展。

3.3 創(chuàng)新教學(xué)，改革實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?shí)驗(yàn)是中職電工電子技術(shù)教學(xué)的基本形式，傳統(tǒng)教學(xué)中常以教師演示、學(xué)生討論等方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺少實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使該問題得到合理解決，在計(jì)算機(jī)中安裝虛擬仿真軟件，所有學(xué)生均可在課堂上動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式由演示轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生獨(dú)立操作，這一變化對(duì)學(xué)生能力發(fā)展意義重大[5]。

例如，在“集成觸發(fā)器”相關(guān)知識(shí)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)觸發(fā)器的特點(diǎn)、分型已有掌握，接下來，則需要了解基本RS觸發(fā)器的邏輯功能，學(xué)習(xí)同樣以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)展開，具體實(shí)驗(yàn)操作由學(xué)生獨(dú)立完成。由學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)軟件模擬出觸發(fā)器電路，并根據(jù)觸發(fā)器運(yùn)行基本邏輯調(diào)控各元件，分析觸發(fā)器狀態(tài)變化，總結(jié)出基本RS觸發(fā)器邏輯功能為：RD=SD=1時(shí)觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變；RD=0、SD=1時(shí)觸發(fā)器被置0；RD=1、0時(shí)觸發(fā)器被置1；RD=SD=0時(shí)不允許；不同觸發(fā)信號(hào)下對(duì)應(yīng)現(xiàn)態(tài)、次態(tài)情況見表1。

表1 基本RS觸發(fā)器邏輯功能

在此過程中，學(xué)生獨(dú)立操作虛擬仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)，形成對(duì)實(shí)驗(yàn)的完整感受、體驗(yàn)，發(fā)展系統(tǒng)性、專業(yè)性、規(guī)范性的實(shí)驗(yàn)思維，從根本上改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提升了教學(xué)價(jià)值，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐能力快速發(fā)展。

3.4 豐富實(shí)踐，提升能力素養(yǎng)。課外實(shí)踐也是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到課外實(shí)踐中不僅能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造豐富的實(shí)踐操作機(jī)會(huì)，也使課堂得到拓展、知識(shí)得到遷移，起到鞏固知識(shí)、拓展思維的作用[6]。例如，在“電壓放大電路調(diào)試”相關(guān)知識(shí)教學(xué)中，完成教材知識(shí)學(xué)習(xí)后，為確保學(xué)生熟練掌握電壓放大電路調(diào)試技能，利用EWB虛擬仿真軟件為學(xué)生提供不同的操作條件，充分發(fā)揮課外實(shí)踐活動(dòng)拓展課堂的作用，讓學(xué)生強(qiáng)化對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解，并查找知識(shí)體系上存在的缺陷，促進(jìn)能力素養(yǎng)的發(fā)展。

在此過程中，虛擬仿真技術(shù)使課外實(shí)踐活動(dòng)的落實(shí)有了保障，逼真、形象的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景使學(xué)生對(duì)未來就業(yè)崗位與從業(yè)技術(shù)能力要求有了更深層次認(rèn)識(shí)，且實(shí)踐活動(dòng)完全由學(xué)生獨(dú)立完成，滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要，從而有效推動(dòng)了學(xué)生綜合素質(zhì)能力的發(fā)展。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)已成為中職電工電子技術(shù)教學(xué)中不可或缺的教學(xué)工具以及學(xué)生實(shí)踐操作的重要工具，在提高教學(xué)效果、學(xué)習(xí)質(zhì)量等方面發(fā)揮著不可替代的作用，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、作用，在教學(xué)中積極、合理運(yùn)用，從而提升學(xué)生的知識(shí)技能水平，提高學(xué)生的綜合能力素質(zhì)，培養(yǎng)高質(zhì)量電工電子技術(shù)人才，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)此類人才的需求。