電工電子技術(shù)課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用研究

李昆侖

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415100）

0 引言

信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，使得很多高校開始關(guān)注信息化技術(shù)在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，其中虛擬仿真技術(shù)因其本身優(yōu)勢，而廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，實現(xiàn)其在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用，可讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中模擬電工電子路線，讓學(xué)生脫離試驗臺，在虛擬環(huán)境中完成大部分實驗，得出可靠、準(zhǔn)確的實驗成果，讓所有的學(xué)生在具體的電工電子技術(shù)課程中得到不同程度的提升。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

1.1 定義

虛擬仿真由“Virtual Reality”翻譯而來，又稱“虛擬現(xiàn)實”，是基于計算機技術(shù)逐漸發(fā)展而來的新技術(shù)，是一種可創(chuàng)建、體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，通過觸覺、聽覺、視覺等作用于使用者，讓使用者得到身臨其境的交互式視景仿真體驗，該項技術(shù)綜合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、音響技術(shù)與語音技術(shù)、傳感技術(shù)、智能技術(shù)、圖像處理與模式識別、圖形學(xué)等多門科學(xué)，是仿真技術(shù)新的發(fā)展與突破，用戶必須通過專業(yè)設(shè)備來與虛擬世界中的對象展開相互影響、交互作用，產(chǎn)生親臨現(xiàn)實的感受，提升人機交互的和諧、自然性[1]。

1.2 特點

虛擬仿真技術(shù)特點主要集中在：沉浸性、交互性、構(gòu)想性三個方面，其最初由美國科學(xué)家G·Burdea和P·Coiffet提出，交互性、沉浸性是虛擬仿真核心元素，讓用戶置身在逼真的虛擬環(huán)境中，得到沉浸感，實現(xiàn)交互活動，構(gòu)想性，又稱自主性，突出虛擬仿真技術(shù)操作多是依靠用戶個人認(rèn)知、思維意識創(chuàng)造，在仿真技術(shù)應(yīng)用時，用戶對獲取的反饋信息展開邏輯推斷、科學(xué)推理等思維活動，對未來事物、不規(guī)律現(xiàn)象等合理預(yù)測，以此來掌握實驗原理，獲取更多的專業(yè)知識。

2 虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀分析

為貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于高校人才培養(yǎng)的重要講話精神，提升自身教學(xué)能力、競爭能力，很多高校在基于自身發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，推動各專業(yè)教育與信息化技術(shù)的深度融合，作為信息化技術(shù)的核心內(nèi)容，虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其本身在教育領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，得到更多的關(guān)注，由此出現(xiàn)了各種虛擬仿真實驗軟件，如Matlab仿真軟件Simulink、LabView、格西測控大師等，此外部分高校開始積極地與網(wǎng)絡(luò)科技公司尋求合作，開發(fā)與高校專業(yè)教學(xué)所需的虛擬仿真教學(xué)平臺，突破時間、空間的限制，推動線上+線下教學(xué)的融合，兼顧網(wǎng)絡(luò)化、智能化、個性化的教學(xué)模式，逐漸形成了教學(xué)效果優(yōu)良、教學(xué)內(nèi)容布局合理、教學(xué)方式備受歡迎的信息化教育新體系，在推動專業(yè)教學(xué)質(zhì)量提升、塑造更好教育環(huán)境等方面取得了較好的成果，學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣、積極性進一步上升[2]。

3 電工電子技術(shù)課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

實現(xiàn)電工電子技術(shù)課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用，涉及多個方面的內(nèi)容，比如更新教育理念、搭建平臺、選擇教學(xué)內(nèi)容等，以下進行具體分析：

3.1 更新教育理念

實現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)的有效應(yīng)用，首要步驟是更新教育理念，提升教師對虛擬仿真技術(shù)的了解與掌握程度，并實現(xiàn)其靈活應(yīng)用，關(guān)注以下要點：①建議教師能夠積極地接觸虛擬仿真技術(shù)，靈活利用各種仿真實驗軟件，探究虛擬仿真技術(shù)與電工電子技術(shù)課程之間的聯(lián)系，尋找其關(guān)聯(lián)點，制定完整的教學(xué)方案，落實到實際教學(xué)過程中，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。②真正地體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，教師需了解到虛擬仿真技術(shù)的定位是輔助學(xué)生展開專業(yè)學(xué)習(xí)，其最終目的是調(diào)動學(xué)生在電工電子實驗中的主動性、積極性，激發(fā)對系列理論知識、專業(yè)技能的渴求，不論選擇任意哪一種虛擬仿真教育，最終落腳點應(yīng)是最大限度地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[3]。③在引入虛擬仿真技術(shù)，搭建仿真平臺或者應(yīng)用仿真軟件時，應(yīng)明確學(xué)生對此的真實需求，通過問卷調(diào)查、溝通交流、加強觀察等方法掌握學(xué)生對虛擬仿真課程教學(xué)的意見與建議，包括虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用方式、與課程教學(xué)結(jié)合程度等，在各個方面關(guān)注學(xué)生在其中的學(xué)習(xí)反饋，以此為基礎(chǔ)調(diào)整虛擬仿真技術(shù)在電工電子技術(shù)中的應(yīng)用方式，以此來發(fā)揮其更大的作用與價值。

3.2 搭建平臺

與網(wǎng)絡(luò)科技公司達成合作意向，靈活應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等搭建虛擬仿真平臺，賦予以下功能：①用戶管理。平臺管理員、教師、學(xué)生能憑借身份證號登錄平臺，平臺會根據(jù)其登錄信息判斷其基本身份，賦予其對應(yīng)的功能，其中學(xué)生可通過平臺來進行電工電子虛擬現(xiàn)實實驗，很多現(xiàn)實世界中缺少實驗設(shè)備、材料的實驗?zāi)軌蛞劳衅脚_展開，教師則可通過平臺數(shù)據(jù)來判斷各個學(xué)生在平臺上的實驗項目、實驗次數(shù)、實驗誤差等，以此來全方位的了解各個學(xué)生在電工電子課程學(xué)習(xí)中的真實狀態(tài)，對學(xué)生進行分類管理。②教務(wù)管理。教務(wù)管理，可依托憑平臺設(shè)計選課系統(tǒng)，管理員按照教師的課程安排，給各個教師排課，明確各項重要信息，包括開課學(xué)期、每周課時、課數(shù)、上課人數(shù)等，讓教師對此有基本的準(zhǔn)備，可利用課下時間制定虛擬現(xiàn)實教學(xué)方案，學(xué)生則可通過教務(wù)管理模塊查看課程安排，協(xié)調(diào)好自己的上課時間，在課下做好預(yù)習(xí)[4]。③實驗室維護管理。虛擬現(xiàn)實平臺中有多種類型的虛擬現(xiàn)實實驗可供教師選擇，多為常規(guī)類型，能直接調(diào)取使用，若是教師所教授電工電子課程與平臺所提供的內(nèi)容有著一定的出入，平臺則提供修改、整理功能，教師可根據(jù)課程教學(xué)所需、學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)水平等因素，更新平臺實驗內(nèi)容，滿足教師、學(xué)生的多元化需求。④實驗安排。教師端，教師能根據(jù)虛擬實驗平臺上各個學(xué)生的報名情況，確定實驗人數(shù)，設(shè)計實驗起止時間，規(guī)劃各個學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境下能夠分配的實際操作時間，確保可能能夠合理規(guī)劃，避免耽誤電工電子課程的正常推進；教師可結(jié)合課程安排，限定各個學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成其所分配的實驗，實驗成績比例，主要涉及兩部分：實驗電路搭建、實驗報告制作，結(jié)合實驗所需元器件，直接從平臺虛擬截面選擇各個虛擬元器件，正確連接電路后，選擇虛擬測量儀表，如示波器、電流表、電壓表等，準(zhǔn)確測量實驗數(shù)據(jù)，填寫實驗報告，得出可靠結(jié)論。⑤實驗批改在虛擬仿真平臺中，分別可以設(shè)置學(xué)生端口以及教師端口，學(xué)生端口供應(yīng)學(xué)生們學(xué)習(xí)，教師則負(fù)責(zé)將學(xué)習(xí)要點通過教師端傳達給學(xué)生們，當(dāng)然，學(xué)生端會進行成績考核，當(dāng)成績提交以后，直接傳達至教師端口，教師可以實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)。同時，虛擬仿真平臺產(chǎn)生的實驗內(nèi)容成果學(xué)校或老師擁有相關(guān)知識產(chǎn)品，注重對相關(guān)實驗教學(xué)項目自有或共有知識產(chǎn)權(quán)的保護，注重對學(xué)生個人信息等的保護，嚴(yán)格遵守我國教育、知識產(chǎn)權(quán)、互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)法律法規(guī)[5]。⑥實驗復(fù)習(xí)。教師完成實驗批閱后，鼓勵學(xué)生再次進入實驗界面，結(jié)合教師批改內(nèi)容查漏補缺，或者在收集各項實驗數(shù)據(jù)后重新進行實驗，雖然該次實驗不會計入最終成績，但是對穩(wěn)固學(xué)生知識體系來說有著較好的作用。

3.3 選擇教學(xué)內(nèi)容

關(guān)注以下要點：①適當(dāng)、準(zhǔn)確的選擇教學(xué)內(nèi)容是展開虛擬仿真電工電子技術(shù)課程教學(xué)的重點工作，需考慮兩方面因素，其一是理論鋪墊與支撐，其二是需與崗位需求、行業(yè)發(fā)展實踐結(jié)合，比如可選擇“三相交流電路電壓電流的測量”，能讓學(xué)生在參與虛擬仿真實驗時，避免接觸到380V高壓電路，整個實驗過程更加安全，又如“認(rèn)識三相異步電動機”可讓學(xué)生比較直觀、全面地觀察設(shè)備內(nèi)部工作原理，了解旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程，還可選擇“二極管單向?qū)щ娦詫嶒灐保趯W(xué)生從空穴、電子層面理解、掌握二極管特性[6]。②需注意的是，并非所有的電工電子技術(shù)課程都適宜與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，需要教師對系列教學(xué)內(nèi)容進行分析、篩選合適的內(nèi)容展開教學(xué)，通常來講，虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容多包括兩種類型：第一種是在現(xiàn)實實驗中依靠當(dāng)下實驗設(shè)備、條件難以實現(xiàn)、成本較高、危險較大的電工電子內(nèi)容，依靠虛擬仿真技術(shù)的模仿功能，模仿對應(yīng)的實驗環(huán)境、實驗流程，解決其中的高消耗、高成本、運行困難問題，避免學(xué)生陷入比較危險的場景中，雖然實驗過程可能與實際情況有著一定差距，但是對比其帶來的收益來說有著較大的可行性；第二種是應(yīng)體現(xiàn)教學(xué)重難點、學(xué)生感興趣的內(nèi)容，教師可通過虛擬仿真技術(shù)將學(xué)生的所學(xué)內(nèi)容與其實際生活聯(lián)系起來，從需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向兩個層面入手，開發(fā)難度適宜、時長合理、內(nèi)容緊湊、原理準(zhǔn)確的虛擬仿真電工電子項目，引導(dǎo)學(xué)生完整實物制作，如下表1所示各個項目。

表1 虛擬仿真實驗項目表

3.4 建立教師隊伍

重新建立多元化的教師隊伍，是開展虛擬現(xiàn)實教學(xué)的基礎(chǔ)、前提與有力支撐，依靠當(dāng)前的教師團隊還無法負(fù)擔(dān)起各項虛擬現(xiàn)實教學(xué)任務(wù)。關(guān)注以下要點：①建議高校能夠傾注更多的資金、資源，引入一大批專業(yè)的、多元化的教師隊伍，包括電工電子技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)教師、網(wǎng)絡(luò)工程師、虛擬仿真軟件工程師等，更好地服務(wù)于基于網(wǎng)絡(luò)、軟件的專業(yè)課程教育，明確各類教師在電工電子技術(shù)虛擬教學(xué)中的基本任務(wù)，注重各類教師的團結(jié)協(xié)作，鼓勵傳統(tǒng)教師在其中積極的承擔(dān)責(zé)任，做好中間聯(lián)絡(luò)，在教學(xué)內(nèi)容篩選、教案制作上發(fā)揮主導(dǎo)作用，與虛擬仿真軟件工程師等進行會議討論，就如何利用虛擬仿真技術(shù)達成共識，從而能突破時間與空間的限制，搭建一個師生互動、內(nèi)容多方式呈現(xiàn)、三維展示的網(wǎng)絡(luò)教育體系，讓基本上所有的學(xué)生能夠依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)、掌握大部分的電工電子理論知識、實踐技能，在不斷的實踐中實現(xiàn)知識、技能的不斷驗證、綜合學(xué)習(xí)。②建立完整的監(jiān)督機制，高校可成立監(jiān)督部門，針對電工電子專業(yè)在各個階段開設(shè)的虛擬現(xiàn)實課程，監(jiān)督其具體開設(shè)方法、學(xué)生成長力度、具體體驗感、學(xué)生反饋、教師在其中扮演的角色，監(jiān)督人員可作為學(xué)生團體中的一員，跟隨學(xué)生一同進行虛擬現(xiàn)實體驗，以此來發(fā)揮出更大的監(jiān)督作用，根據(jù)監(jiān)督結(jié)果，綜合對虛擬仿真軟件、教師的評價，得出最真實、全面的評價結(jié)果，以此來作為對教師年終評價的最終篇章，提升教師對此的重視程度[7]。

3.5 案例分析

結(jié)合Proteus仿真軟件，探究其在電工電子技術(shù)課程中的應(yīng)用，學(xué)生可借助Proteus仿真軟件中的元器件仿真模型進行電路設(shè)計，學(xué)生可通過軟件完成仿真調(diào)試、看到調(diào)試結(jié)果，為學(xué)生布置任務(wù)：

（1）以直流電路分析過程中的疊加原理為例，設(shè)計仿真圖，如下圖1所示，研究線性電路疊加定理中各個支路中電壓或者電流的分布情況。

圖1 疊加定理的仿真實物接線圖

（2）對數(shù)字電路中的組合邏輯電路展開分析與設(shè)計，用與非門設(shè)計三人表決器。第一，結(jié)合輸入輸出分析結(jié)果，畫出對應(yīng)的邏輯電路，結(jié)合邏輯電路圖，繪制電路原理圖；第二，結(jié)合實際電路圖，通過Proteus仿真軟件繪制事務(wù)連線圖，展示三人表決器部分功能。

（3）進行電路中三極管放大狀態(tài)虛擬仿真實驗，選擇適宜的NPN性三極管實驗項目，從虛擬仿真實驗結(jié)果中得出IB、IC、IE分別為0.02mA、0.16mA、0.18mA，如此可驗證三極管本身的電路放大作用，IB+IC=IE，在復(fù)習(xí)電路連線的同時驗證實驗結(jié)果。通過Proteus虛擬仿真搭建電路模型，避免元器件在連接時出現(xiàn)接觸不良、損害干擾，提升成功率；此外Proteus虛擬仿真過程直觀清晰，測量與調(diào)試、實驗與結(jié)果比較統(tǒng)一，利于學(xué)生接收與理解，可有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)信心，引導(dǎo)學(xué)生展開拓展性學(xué)習(xí)，給予學(xué)生更好的學(xué)習(xí)體驗。

4 結(jié)語

綜上，文章就電工電子技術(shù)課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用進行了綜合論述與分析，建議給予其足夠的重視，分析虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用過程中的優(yōu)勢與不足，發(fā)揚優(yōu)勢、彌補不足，逐步完善教學(xué)過程，在教學(xué)的各個方面體現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)，如此才能不斷提升教學(xué)實效，促進學(xué)生共同進步。