虛擬仿真與物模實驗相結合的電工電子實踐教學研究

一、引言

電工電子技術是供用電技術、通信技術、電子信息工程技術、移動通信技術等專業的一門專業基礎課，內容主要包含電路分析理論、數字電子技術和模擬電子技術三大部分基礎知識，該課程的應用性和實踐性很強，電工電子技術虛擬仿真和物理模擬實驗是對理論教學的完善與深化（張雪蓮，李星沛，譚麗蕊，2020）。目前，學生在僅進行課程物理模擬實踐實驗教學時主要存在以下問題。

一是由于課程內容多且范圍廣，學時分配少，再加上職校學生本身基礎知識掌握較差，對電工電子物理模擬實驗理論理解比較吃力。理論知識薄弱導致學生實際接線時，易出錯，導致設備燒壞，降低使用壽命，增加維護成本。

二是學生對課程實驗的積極性不高，主要靠教師課上理論講解與實驗操作演示，實際操作時多以小組的形式進行，導致很多學生并無法實際操作。

三是隨著近兩年學校大規模擴招，入校學生人數隨之激增，要滿足實驗教學，需學校投入大量實驗室建設資金。

越來越多的高校電工電子教研團隊認識到虛擬仿真對物理模擬實驗起到的輔助和促進作用，漸漸成為實驗實踐的一個重要教學手段。鑒于電工電子課程的實踐和操作性很強，一些高校也開始在電工電子教學中采用由美國學者戴爾于1946年提出的基于學習經驗的金字塔模型，該模型認為教師講解授課學生聽講的教學模式效果最差，分組討論的方式較好，實踐教學的方法更好，學生根據所學內容上講臺論述的方式最優。我校電工電子教研團隊借鑒這種教學模式，結合郵電特色，在工程應用中深化學生對理論知識的理解程度，同時將仿真手段運用到物理模擬實驗教學中，學生搭建好仿真模型后，可以在講臺上進行知識講解和效果展示，大大提高學生學習積極性和創新運用能力。

二、虛擬仿真和物理模擬實驗混合實踐教學優勢

為解決目前電工電子技術物理模擬實驗中存在的問題，本文將虛擬仿真融入電工電子技術物理模擬實驗教學中（樓靜梅，閆茂德，2021），這種混合教學模式主要有以下幾點優勢。

1.提高實驗教學效率

虛擬仿真軟件提升學生課前預習階段學習效果。任課教師將實驗指導書、實驗目標、各章節具體的實驗內容、實驗指導PPT等相關內容提前發布到學校互聯網教學管理平臺，學生可以提前通過互聯網教學管理平臺下載相關實驗資料進行學習，以便了解具體實驗內容，也可以通過仿真軟件提前搭建電路，進行仿真練習。

虛擬仿真實驗教學提升實驗實踐實施階段效率。虛擬仿真軟件提供簡單快速的模型搭建和參數修改過程，可以大大提高實驗效率。例如，日光燈電路的功率因數調整實驗，在虛擬環境中完成不同電容的選擇、搭建、實時仿真等流程，避免出現實驗中復雜線路的連接和參數修改的實現困難，大大提高實驗總體效率。

虛擬仿真實驗教學提升實驗結果最終考核判分效率。實驗結束后，學生可以線上提交物理模擬和虛擬仿真實驗報告。教師可以根據虛擬仿真結果和物理模擬實驗的結果進行對比，更易判斷實驗的準確性，更加客觀地對學生的實驗成績進行評定。

2.提升教學效果

虛擬仿真軟件具備理想條件下的仿真環境，可以大大提升實驗實踐教學效果。例如，三相中性點不接地電路實驗，由于物理模擬實驗三相負載各參數之間差異性，完全實現三相對稱的電路在物模實驗中無法達到，而虛擬仿真完全可以滿足各相參數相同，因而可以有效減小誤差，加深學生對三相中性點不接地的認識。同時，三相中性點不接地電路如果各相負載不均衡，會引起不均衡相電壓明顯升高和降低，引起負載燒壞，如果在物流模擬實驗中顯示這類效果，就要燒壞燈泡或者電壓過低燈泡不亮，而通過仿真也可以展示對應特點，并且不燒壞設備，大大提高教學效果。

3.降低實驗室建設和維護成本

虛擬仿真軟件中元件庫和儀表庫中的選擇完全可以覆蓋物理模擬實驗教學中各種傳統的電路器件和測量儀表，易于實現電子電路的仿真設計和功能分析。基于虛擬仿真技術的實踐教學模式均可利用PC機安裝仿真軟件完成，所以，學校可以大大減少電工電子實驗室的建設經費投入。同時學生可以利用虛擬仿真軟件進行電路搭建，熟悉接線方式，在仿真過程中發現錯誤接線方式，可以減少實際接線時出現故障燒壞儀器和電路元件，減少實驗室運行維護成本；同時通過仿真，能夠發現一些接線錯誤問題，提高實驗的學習效率，增加學生學習的積極性。

4.培養學生自主創新能力

學生可以根據互聯網平臺相關課件學習相關實踐理論知識，利用仿真軟件搭建模型，讓學生從抽象的理論知識轉到具體的認知，從而對理論知識的學習更加形象和深入。當學生對理論知識有了深入學習以后，自身就會對電路有新的設計方式和創新思路，將這些想法運用到技能大賽或者畢業設計過程中，不需要考慮物理模擬元件的參數固化以及學校實驗設備的使用權限，均可通過自有電腦虛擬仿真軟件進行參數修改和驗證調試，極大地提高學生的自主創新能力。

三、虛擬仿真和物理模擬實驗混合實踐教學過程總體設計

為了促進虛擬仿真與物理模擬實驗混合實踐教學實施，在具體實施過程中，主要采用混合實踐教學的實施方法、以小組為單位的總體考核、調整平時成績占比等步驟。

1.混合實踐教學的實施方法

虛擬仿真與物模實驗混合教學模式在實際教學中需要選擇一種仿真軟件進行電工電子虛擬仿真和物理模擬實驗裝置進行實際接線，教研團隊采用Multisim仿真軟件開展虛擬仿真教學，選擇浙江某教儀公司電工電子教學設備做物理模擬實驗。Multisim是一種電工電子電路仿真軟件，軟件中內置豐富的電路元件、電源、二極管、三極管、邏輯開關元件等電工電子器件，學生拖拽元件即可搭建仿真電路。基于該仿真軟件，在各章節的混合實驗教學中，學生根據老師布置的任務，先搭建仿真模型，學習能力強的學生在搭建好仿真模型后，可以在班級進行PPT匯報展示。班級大部分學生完成仿真模型搭建后，已經深入理解相關理論知識和接線方式，接下來再完成物模設備連接。這樣學生對于一些抽象性的問題理解更加深入，比如三相三線電路和三相四相電路受不均衡負載影響情況、日光燈功率因數調整等，可大大降低在實物接線時設備燒壞情況出現次數。

2.以小組為單位的總體考核

在實驗實踐過程中，增加虛擬仿真的教學手段，并不一定滿足所有的學生，尤其是職業院校學生的理論理解和掌握能力不高，部分學生不能很好地完成虛擬仿真模型搭建。因此，本教研室在電工電子實踐教學中，采用以小組為單位的學習過程性考核，具體操作步驟如下。第一，在與授課班級若干學生充分溝通的前提下，充分了解全班學生的學習情況，以4～5人一組的形式對全班學生進行分組，每組選出1～2名學習能力強的學生，同時提前約定以小組為單位對實踐教學平時成績進行評定，這樣學習能力強的學生可以督促和帶動整組成員的學習。第二，每組在完成仿真模型搭建后，由其中一名組員以PPT形式進行課堂匯報交流。在學生匯報時，實踐教師對每一組匯報內容進行總體點評，并抽查和提問小組成員，考核學生的參與度。第三，學生的平時和實驗實踐成績涵蓋課程簽到、上課積極性、仿真模型搭建、物模裝置的接線完成、虛擬仿真匯報、實驗報告完成情況等。第四，不同小組之間設置相應的競爭機制，以小組實踐課程整體表現評定小組得分，該得分作為本組成員基礎分，再考慮每位學生的仿真情況和整體表現，在基礎分值上下調整適當比例得出最終分值。

3.調整實踐實驗成績占比

平時不積極聽課且很少參與到老師課堂教學中，期末考試臨時努力復習，是大部分職業院校學生學習和考試的慣用手段，該現象和不合理的平時成績占總成績比例有很大關系，因此應設置更高的平時成績占比，尤其是帶有實踐操作的課程。我校電工電子類課程期中期末卷面成績占學生總評成績的70%，包含簽到和平時表現的成績占15%，實驗操作成績僅占15%。因此，主要影響成績的因素還是卷面成績，平時成績和實操成績的占比很難激發學生響應老師課堂教學的積極性。特別是本文所述的基于虛擬仿真和物理模擬實驗操作的同時以小組為單位的學習過程考核方法，學生課堂參與度和實際操作情況對總成績影響更大，可將平時成績和實操成績占比提高到50%左右，將期中期末卷面成績降到50%左右。

四、結語

虛擬仿真與物模實驗相結合應用到電工電子教學，可用來鞏固學生理論知識，著力培養能力，提供電工電子領域多門專業基礎課程的實踐教學手段。該實踐教學方法支持電路基礎、數字電子技術、模擬電子技術等專業基礎課程的虛擬仿真實驗與創新教學。基于該方法，針對職業教育的培養方案，學生和教師可以開展多個方向、不同層次的創新課題，使學生在專業課程試驗和畢業設計中有一個十分給力的工具。本實踐教學方法還可以從電工電子專業基礎課程著手，制定與課程對應的軟件包或者仿真模型，并將仿真方案應用到物理模擬實驗中，減少實際實驗時操作失誤，節省實驗室維護資金。

[基金項目：廣東教育科學規劃課題（2021GXJK731）數字孿生與物模實驗相融合的電工電子實踐教學研究，廣東郵電職業技術學院校級課題（202107）數字孿生與物模實驗相融合的電工電子實踐教學研究。]

責任編輯何麗華