劉珊中 王新勇 田 葳

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

基于EWB的電路課程教學(xué)改革與實踐*

劉珊中 王新勇 田 葳

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

本文針對電路課程教學(xué)內(nèi)容增加，學(xué)時卻一再壓縮的矛盾，把計算機(jī)虛擬技術(shù)引入該課程教學(xué)改革中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)模式以及課外科技活動等方面進(jìn)行全方位的教學(xué)改革與創(chuàng)新，其中計算機(jī)虛擬技術(shù)加啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)的運用；基于軟硬結(jié)合的電路課實驗教學(xué)模式的建立；電路實驗教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實驗教學(xué)的實現(xiàn)，有效地提高了課程教學(xué)質(zhì)量，使課程知識的學(xué)習(xí)提升到新高度。

教學(xué)改革；EWB技術(shù)；實驗教學(xué)模式

電路是電類各專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生基本電路分析和設(shè)計能力的任務(wù)。作為專業(yè)先行課，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計（論文）等教學(xué)環(huán)節(jié)乃至走上工作崗位后的實踐能力都具有非常重要的作用。該課程理論性強(qiáng)又涉及大量實驗，其中實驗課教學(xué)對加深課程理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和分析解決問題能力具有不可替代的重要作用，是課程教學(xué)的重要組成部分。

近年來隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代社會對學(xué)生實踐和創(chuàng)新精神要求的不斷提高，課程教學(xué)內(nèi)容在增加，而學(xué)時卻一再壓縮，如自動化專業(yè)總學(xué)時由160學(xué)時減少到130學(xué)時，其中實驗課由40學(xué)時減少到26學(xué)時，內(nèi)容多、學(xué)時少的矛盾非常突出，尤其是實驗課教學(xué)。鑒于從1999年開始研制多媒體CAI課件并用于輔助課堂教學(xué)，教學(xué)實踐表明，CAI課件的使用增加了課堂教學(xué)的信息量并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上緩解了這一矛盾，但在實驗教學(xué)中傳統(tǒng)實驗方式存在高消耗、低效率、涉及面窄以及綜合性、設(shè)計性實驗難以開展的問題一直未得到解決，嚴(yán)重影響著課程教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高及學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，以實驗課的教學(xué)改革為重點，引入新的教學(xué)手段（計算機(jī)虛擬技術(shù)），從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)模式以及課外科技活動等方面進(jìn)行全方位的教學(xué)改革與創(chuàng)新，以進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量和加強(qiáng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，滿足現(xiàn)代社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對高層次電類人才的需要。

一、課程教學(xué)改革的思路與指導(dǎo)思想

在深入研究電路課程理論和實驗教學(xué)內(nèi)容及要求的基礎(chǔ)上，借助于當(dāng)今課堂教學(xué)和實驗教學(xué)有效輔助教學(xué)工具—虛擬儀器技術(shù)這一先進(jìn)教學(xué)手段，以實驗課的教學(xué)改革創(chuàng)新為重點，以加強(qiáng)理論與實踐的聯(lián)系、全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，著力培養(yǎng)學(xué)生動手能力、綜合能力和自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，進(jìn)行包括理論教學(xué)、實驗教學(xué)及課外科技創(chuàng)新能力在內(nèi)的電路課程全方位教學(xué)改革與實踐，尋求課程教學(xué)的最佳模式，并以此為切入點，推進(jìn)相關(guān)省級精品課程電工學(xué)的教學(xué)改革和電工電子省級實驗教學(xué)示范教學(xué)中心的建設(shè)。

計算機(jī)虛擬技術(shù)是伴隨計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步在20世紀(jì)80年代末興起的一門新興技術(shù)，是計算機(jī)與儀器技術(shù)的有機(jī)融合。其中加拿大Interactive Image Technologies公司20世紀(jì)90年代推出的虛擬實驗軟件EWB（Electronics Work bench），因其采用圖形方式創(chuàng)建電路，具有界面形象直觀、操作方便、不受場地限制等突出優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。采用EWB仿真軟件進(jìn)行仿真實驗如同置身于實驗室使用真實儀器調(diào)試電路，即不需要任何真實電子元器件與儀器，就可完成電路、數(shù)字邏輯電路和模擬電路等課程的各種實驗，這樣既不必購買高檔儀器、大量元器件，又可避免儀器檢修等諸多不利因素，非常適合電路課程的輔助教學(xué)。加之這種方法易學(xué)、易用，學(xué)生只要掌握了EWB軟件的使用方法，便可不受實驗設(shè)備、場地和實驗學(xué)時的限制，用計算機(jī)自主進(jìn)行實驗設(shè)計、連接和分析，可極大地提高學(xué)生的實驗興趣和計算機(jī)運用能力。同時，EWB軟件提供的元件及儀表儀器齊全、功能多，便于開設(shè)一些復(fù)雜、綜合性、研究性的電路實驗以及自主創(chuàng)新性的電路設(shè)計，可以填補以往由于實驗設(shè)備欠缺所帶來的遺憾，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限性，為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)提供更為廣闊的空間，具有很強(qiáng)的不可替代性?；诖?，把計算機(jī)虛擬技術(shù)引進(jìn)電路課程的教學(xué)改革與實踐中。

二、課程改革的主要內(nèi)容及成果

1.課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化及課堂教學(xué)方法的改革

電路課程使用普通高等教育“十五”國家級重點教材《電路》（第六版）。優(yōu)秀教材的選用確保了課程教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)、合理。

以該教材為基礎(chǔ)，針對學(xué)校新增電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器、生物醫(yī)學(xué)工程等本科專業(yè)對電路課程教學(xué)的具體要求，結(jié)合國內(nèi)各高校電類專業(yè)課程教學(xué)改革成果和學(xué)科發(fā)展動向，并參考國外部分高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上重新制定了符合各專業(yè)需要的課程教學(xué)大綱，取得了很好的教學(xué)效果。如對電子信息類各專業(yè)去掉“含有運算放大器的電阻電路”和“二階電路”兩部分內(nèi)容，加上“三相電路”和“非正弦周期電流電路和信號的頻譜”的內(nèi)容，更符合后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的需要。

課堂教學(xué)采用計算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式的復(fù)合教學(xué)。課堂教學(xué)中把計算機(jī)虛擬技術(shù)引入CAI課件中，對教學(xué)中的20個重要基本概念、定理、定律和現(xiàn)象的講解均配合虛擬實驗的動態(tài)演示，使枯燥的理論變得生動，難點得到化解、學(xué)生易于理解。同時在講解中配合啟發(fā)式、討論式等先進(jìn)的教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)造性，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自學(xué)能力、分析問題和解決問題能力。這種計算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)方法的運用，使知識的講解和能力的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來。同時，通過課堂上對一些定理、定律驗證性實驗的演示，可減少實驗教學(xué)中該部分的教學(xué)內(nèi)容，以留出更多時間讓學(xué)生自主開展一些綜合性、設(shè)計性、研究性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

2.基于軟硬結(jié)合的電路課程實驗教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實際實驗與基于EWB的虛擬實驗各有特點，不能相互替代。按照知識積累的規(guī)律，采用兩條腿走路的方法，創(chuàng)建了同一個實驗兩種實驗方式的電路課程實驗教學(xué)模式，即先進(jìn)行實際實驗，由于其受設(shè)備、實驗條件和場地的限制，所能實驗的內(nèi)容和方式有限；爾后用EWB虛擬實驗?zāi)M實際電路中的各種狀況并加以分析和研究、總結(jié)規(guī)律，使知識的學(xué)習(xí)提高到一個新的高度。如電路課中疊加定理和戴維寧定理的驗證，先用實際儀器進(jìn)行一種參數(shù)的驗證實驗，再用EWB實驗做各種參數(shù)的驗證，如觀察改變儀器內(nèi)阻或者元件參數(shù)時引起的測量值變化作為實驗的總結(jié)，以加深學(xué)生對理論知識的理解。另外，有一些實驗如串聯(lián)諧振現(xiàn)象的觀察，由于硬件實驗中受元器件限制，很多學(xué)生在實驗中找不到諧振點、峰值點等，對這部分內(nèi)容缺乏直觀感受，采用EWB實驗后元件參數(shù)可任意改變，學(xué)生能很容易地看到電路發(fā)生諧振時的各種特殊現(xiàn)象，加深了對課堂知識的理解和記憶。

目前，我校電路課程實驗教學(xué)中已進(jìn)行的虛擬仿真實驗有：元件伏安特性的測試；疊加定理和戴維寧定理的驗證；一階RC電路響應(yīng)的研究；微分電路的研究；積分電路的研究；交流電路功率因數(shù)提高的設(shè)計實驗；三相交流電路電流、電壓的測量；RLC串聯(lián)諧振電路特性測量；雙口網(wǎng)絡(luò)測試等。除自動化專業(yè)外，其它各專業(yè)的虛擬實驗學(xué)時占實驗總學(xué)時的75%。

該實驗教學(xué)模式自2003年9月開始在我校電子信息工程專業(yè)2002級部分學(xué)生中進(jìn)行EWB虛擬實驗試點以來，現(xiàn)已在自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開展了EWB虛擬實驗，學(xué)生共計3000余人。特別是2005年9月電路實驗室每一實驗臺都配備了計算機(jī)終端后，所有學(xué)生的電路實驗教學(xué)都采用了該模式，即先作實際設(shè)備實驗，記錄數(shù)據(jù)，然后再在計算機(jī)終端上用EWB進(jìn)行仿真、分析。同一實驗軟硬結(jié)合的電路實驗課教學(xué)改革，不僅有效地緩解了學(xué)生人數(shù)不斷增多、實驗設(shè)備有限的突出矛盾，而且提高了學(xué)生的實踐動手能力、計算機(jī)運用能力和綜合能力。同時，課程的教學(xué)質(zhì)量也穩(wěn)步提高。

基于軟硬結(jié)合的實驗教學(xué)模式的建立，豐富了電路實驗課的教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗效率和學(xué)生的實驗興趣，使實驗教學(xué)真正成為培養(yǎng)學(xué)生動手能力與分析解決問題能力的基地?；谟嬎銠C(jī)虛擬技術(shù)的電路課程教學(xué)改革實施5年來，有效地提高了課程教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力和自主創(chuàng)新精神，受到師生的一致好評。

3.電路實驗教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實驗教學(xué)的實現(xiàn)

2005年，建成了電路課程實驗教學(xué)網(wǎng)站。利用該教學(xué)網(wǎng)站，學(xué)生可以了解電路實驗室的情況以及可開出的實驗，可以預(yù)約實驗，閱讀實驗指導(dǎo)書，提交實驗報告，進(jìn)行網(wǎng)上答疑、資源共享等。利用實驗教學(xué)網(wǎng)站學(xué)生還可在課外自主進(jìn)行虛擬實驗的設(shè)計和實施，拓寬了學(xué)生的思維，使固定不變的實驗課變成了開放性的實驗教學(xué)。

電路實驗室購置的KHDG-1型高性能電工綜合實驗裝置（聯(lián)網(wǎng)型），配置有智能化儀表和數(shù)據(jù)采集器，為開放性實驗教學(xué)的實現(xiàn)提供了理想的硬件條件。利用該教學(xué)裝置和實驗教學(xué)軟件，教師可以進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)，網(wǎng)上監(jiān)控學(xué)生的實驗進(jìn)程，記錄學(xué)生違章操作次數(shù)，采集、監(jiān)視學(xué)生端儀表的實時數(shù)據(jù)，完成對學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的管理，并自動生成實驗報告。

4.搭建培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神的實踐平臺

以實驗課教學(xué)改革為重點的電路課程教學(xué)改革的實施，在理論和實踐上成效顯著。特別是計算機(jī)虛擬技術(shù)、電路實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和開放性實驗的開展，構(gòu)建了課程教學(xué)的第二課堂，全方位全天候地搭建起培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、自主創(chuàng)新精神的實踐平臺，使學(xué)生的綜合能力取得長足進(jìn)步。借此平臺，多名學(xué)生參加了大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動和全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽等，14名學(xué)生取得優(yōu)異成績，如項目“電動車蹺蹺板”獲2007年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽二等獎、“程控濾波器”“開關(guān)穩(wěn)壓電源”等獲河南省一等獎等。

三、電路課程教學(xué)改革的創(chuàng)新與特色

構(gòu)建了基于EWB的電路課程全方位教學(xué)體系，包括理論教學(xué)、實驗教學(xué)及課外科技創(chuàng)新，該成果對同類及相關(guān)課程的教學(xué)改革與實踐具有示范作用和推廣應(yīng)用價值。

1.基于EWB的電路課程CAI課件及計算機(jī)虛擬技術(shù)+啟發(fā)式、討論式復(fù)合教學(xué)的運用，豐富了教學(xué)手段，拓展了教學(xué)信息，使枯燥的理論變得生動，難點得到化解、學(xué)生易于理解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果和學(xué)生分析、解決問題的能力。

2.EWB技術(shù)應(yīng)用到電路實驗課教學(xué)中，建立了基于軟硬結(jié)合的實驗教學(xué)模式，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)提供了更廣闊的空間。該新穎的教學(xué)模式，有效地提高了學(xué)生的實驗興趣和實驗效率，加強(qiáng)了理論與實踐的聯(lián)系，更好地培養(yǎng)了學(xué)生動手能力，獨立分析解決問題能力和創(chuàng)新精神，使課程知識的學(xué)習(xí)提升到新高度。

3.電路實驗教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)和開放性實驗教學(xué)的實現(xiàn)，搭建了全方位全天候地培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、自主創(chuàng)新精神的實踐平臺。

[1]熊蘭，侯世英，呂原余.電工學(xué)精品課程建設(shè)的探索與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005，27（6）：19～21

[2]鄒其洪.電工電子實驗與計算機(jī)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003

[3]楊上河.用電子模擬軟件EWB分析電路的方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2000，22（3）：105～107

[4]冼凱儀.虛擬電子實驗臺與電路設(shè)計的實驗教學(xué)研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2007，25（4）：51～53

[5]康怡，范寒柏.EDA技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2000，22（3）：91～93

[6]曹才開.虛擬技術(shù)在實踐教學(xué)中的地位[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2002，24（1）：64～65

Teaching reforms and practices of circuit course based on EWB

Liu Shanzhong, Wang Xinyong, Tian wei
Henan university of science and technology, Luoyang, 471003, China

Aiming at the contradiction which teaching content of the circuit course is increased and time is compressed, introducing computer virtual technology to teaching reforms of the circuit course, the omni directional teaching reforms and innovation is carried out from such aspects as teaching content, teaching method, teaching measures, teaching mode and extracurricular scientific activities. Among them computer virtual technology combined with heuristics, discussion type composite teaching is used. Experimental teaching mode of circuit course based on the software and hardware method is set up. Course teaching quality is effectively improved by construction of circuit experimental teaching website and realization of open experimental teaching,and that make course knowledge learning to be promoted a new height.

teaching reforms; EWB technology; experimental teaching mode

2010-04-15

劉珊中，博士，教授。

*本文系河南科技大學(xué)教改課題(項目編號：G2003-13)。