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)實踐教學(xué)帶來新的要求，一是培養(yǎng)模式調(diào)整，對學(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)模增加和實踐教學(xué)時間、場地不足，利用信息技術(shù)打造線上線下虛實結(jié)合的實踐教學(xué)模式，拓展實踐教與學(xué)的時間和空間，成為實踐教學(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)課程理論和實踐學(xué)時量都在不斷壓縮，如何在有限的學(xué)時量、有限的課堂實驗教學(xué)時間內(nèi)，合理設(shè)置演示認(rèn)知型、基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型實驗比例，使學(xué)生快速掌握基本實踐技能，真正具有工程意識，有效培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力，保證人才質(zhì)量的培養(yǎng)，一直是本課程實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

虛擬實驗的引入使得《模擬電子技術(shù)實驗》教學(xué)以最直觀的方式讓學(xué)生見到實驗現(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，最快速地幫助學(xué)生將自己的創(chuàng)新性設(shè)計從想法階段過渡到實驗階段，以最接近真實的實驗過程驗證學(xué)生設(shè)計出的電路，為最終的實物實驗真實可靠地驗證創(chuàng)新性設(shè)計做好充分準(zhǔn)備[2]。但虛擬實驗無法真正代替實物實驗的客觀性和真實性，也不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實的工作作風(fēng)，實物實驗又是重要的、必需的和不可替代的[3]。因此，為了解決現(xiàn)實問題，改善實驗教學(xué)效果，我們整合實驗教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)置三性實驗比例，基于本校通信與電子信息國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，對《模擬電子技術(shù)實驗》課程進(jìn)行了以虛促實，虛實結(jié)合的線上線下混合式實驗教學(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)實驗》課程全部是線下的實體實驗，以基礎(chǔ)驗證型為主，而綜合設(shè)計型實驗受元器件、實驗箱約束，無法隨意更改電路參數(shù)，或者脫離實驗箱完全自主搭建電路、焊接測試，實驗學(xué)時又嚴(yán)重不夠。因此，綜合設(shè)計型實驗在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中受限于實驗箱，設(shè)計靈活性不夠，不足于滿足高階層次實驗需求。另一方面，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)在線實驗教學(xué)資源的推送又為學(xué)生更好地實踐演示認(rèn)知型實驗提供條件，進(jìn)而積極調(diào)動學(xué)生主動參與基礎(chǔ)驗證型實驗教學(xué)的過程。智能虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)，能有效激發(fā)學(xué)生對綜合設(shè)計型實驗的興趣，提升實驗教學(xué)體驗和人才培養(yǎng)效果。

因此，改革的首要問題是對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)。將傳統(tǒng)的純實體實驗進(jìn)行拓展，構(gòu)建“演示認(rèn)知型- 線上資源自學(xué)，基礎(chǔ)驗證型- 實體實驗室操作，綜合設(shè)計型-線上虛擬仿真實驗”三個層次的實驗內(nèi)容，打造由低階到高階、由簡單到復(fù)雜，線上線下虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)教學(xué)對象、時間、空間和內(nèi)容的拓展，以虛促實，虛實共濟(jì)。其次，實驗教學(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、模塊化的實驗教學(xué)資源和開放共享的實踐環(huán)境，完善“虛擬類、實體類、半實物仿真類”等實踐教學(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，實驗16學(xué)時，原有16 學(xué)時的八個實驗內(nèi)容均在線下實體實驗室基于實驗箱完成，實驗內(nèi)容偏重基礎(chǔ)驗證，受限于實驗箱和實驗時間，綜合設(shè)計型實驗的設(shè)計靈活度不夠。常用的虛擬仿真軟件Multisim 等可以隨意改變元器件及電路連接，但元件采用的是元器件符號，儀器儀表采用例化的符號，雖然界面方便整潔、易于調(diào)試，但是對于學(xué)生認(rèn)知的能力幫助不大。而虛擬仿真實驗平臺依靠信息技術(shù)在計算機(jī)上最大程度地模擬出與硬件實驗相同的實驗環(huán)境，比采用虛擬仿真軟件的方式更加接近真實實驗環(huán)境，并且能提供實驗教學(xué)和管理一體化功能。

因此，為實現(xiàn)工程能力和創(chuàng)新能力人才培養(yǎng)目標(biāo)，我們對《模擬電子技術(shù)實驗》的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，減少全部無需高階設(shè)計而是在現(xiàn)成實驗板或?qū)嶒炏渖线M(jìn)行基礎(chǔ)驗證的驗證型實驗，增加線上自主學(xué)習(xí)的演示認(rèn)知型實驗，精心設(shè)計和開發(fā)了兩個綜合設(shè)計型實驗，優(yōu)化調(diào)整后，課上實驗教學(xué)內(nèi)容為六個線下基礎(chǔ)驗證型實驗（基于實驗箱完成）和兩個線上綜合設(shè)計型實驗（基于虛擬仿真平臺完成），側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力和實踐創(chuàng)新能力。其中，線下基礎(chǔ)驗證型實驗為：常用電子元器件的識別與檢測、單級阻容耦合放大器、集成功率放大器、集成運放在信號運算方面的應(yīng)用、整流濾波和集成穩(wěn)壓電路、555 定時器及其應(yīng)用。線上綜合設(shè)計型實驗為：負(fù)反饋放大電路的設(shè)計、波形產(chǎn)生電路的設(shè)計。課下演示認(rèn)知型實驗作為理論教學(xué)的補(bǔ)充和線下實驗教學(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)，通過觀看實驗操作視頻，利用多媒體教學(xué)資源，沉浸式體驗相關(guān)內(nèi)容，對基本器件、基本電路原理、儀器儀表建立感性認(rèn)識。優(yōu)化設(shè)計“演示認(rèn)知型（0 學(xué)時）→基礎(chǔ)驗證型（12 學(xué)時）→綜合設(shè)計型（4 學(xué)時）”三個層次的實驗，打造由低階到高階、由簡單到復(fù)雜，線上線下虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)教學(xué)對象、時間、空間和內(nèi)容的拓展，以虛促實，虛實共濟(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)→線下實體操作”“線下電路設(shè)計→線上引導(dǎo)調(diào)試”的線上線下集中教學(xué)和自主實驗預(yù)習(xí)相結(jié)合的探究式實驗教學(xué)模式，以及基于虛擬現(xiàn)實與人機(jī)交互的互動式教學(xué)方法。針對任務(wù)和重難點內(nèi)容驅(qū)動虛擬仿真實驗平臺，從而實現(xiàn)從目標(biāo)到方法，再到手段的完整教學(xué)過程。

實驗教學(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)，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)知識由被動接受向主動學(xué)習(xí)、主動探究轉(zhuǎn)變，教師傳授知識由灌輸向設(shè)計、引導(dǎo)、協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。實驗教學(xué)方式如圖1 所示。

圖1 實驗教學(xué)方式

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

基礎(chǔ)驗證型實驗：采用線下實體實驗，教師實時指導(dǎo)，學(xué)生在實驗室操作實驗設(shè)備，開展電路調(diào)試測試，通過動手實踐，讓學(xué)生增加對理論知識的感性認(rèn)識、加深對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

綜合設(shè)計型實驗：采用線上虛擬仿真實驗，利用虛擬仿真平臺，教師線上引導(dǎo)學(xué)生完成高階次的綜合設(shè)計型實驗電路的設(shè)計及調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生具備工程實踐能力和科技創(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)虛擬實驗室”單機(jī)版軟件和自制大量實驗操作視頻資源。

課題組成員2014 年初著手策劃、設(shè)計、制作 “模擬電子技術(shù)虛擬實驗室”多媒體教學(xué)資源，將教師們手中分散的圖像、視頻、動畫、文檔等資源結(jié)合flash、VB 等軟件整合成一個單機(jī)版的軟件。由于學(xué)生在實驗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，將基本元器件識別與檢測、基本儀器儀表使用及維護(hù)、基礎(chǔ)驗證性實驗操作、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]。

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

（四） 線上虛擬實驗

《模擬電子技術(shù)實驗》中的兩個綜合設(shè)計型——負(fù)反饋放大電路的設(shè)計、波形產(chǎn)生電路的設(shè)計實驗基于電子技術(shù)虛擬仿真實驗平臺完成，如圖2 所示。該平臺基于B/S 架構(gòu)，可實現(xiàn)校內(nèi)外甚至更廣范圍內(nèi)的電子技術(shù)實驗教學(xué)資源共享，滿足1000 人同時做實驗，能提供全方位的電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)輔助功能，包括：實驗前的理論學(xué)習(xí)、實驗的開課管理、典型實驗課的維護(hù)、實驗教學(xué)安排、實驗過程的智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果的自動批改、實驗成績的統(tǒng)計查詢、在線答疑、實驗教學(xué)效果評估等功能。教師在電子技術(shù)虛擬仿真實驗平臺上發(fā)布新實驗后，學(xué)生登錄后即可看到，可在線遠(yuǎn)程調(diào)用平臺上的仿真環(huán)境，對在線下提前設(shè)計好的實驗電路進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，教師線上適時引導(dǎo)調(diào)試，學(xué)生在完成電路的仿真測試后，可在線提交實驗報告，教師登錄平臺后在線批改學(xué)生提交的實驗報告，并及時將評價反饋給學(xué)生。

圖2 電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺主頁

（五） 考核模式改革

傳統(tǒng)實驗成績= 操作部分（占80%）+ 實驗報告（占20%），不區(qū)分實驗類型，而基礎(chǔ)驗證型和綜合設(shè)計型實驗由于其內(nèi)容性質(zhì)的不同，在考核側(cè)重點上應(yīng)該區(qū)分考察。虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式改革中，我們將考核分為“基礎(chǔ)驗證型實驗考核”和“綜合設(shè)計型實驗考核”。

“基礎(chǔ)驗證型實驗考核”：采用過程考核，注重過程兼顧結(jié)果。每次實驗成績（百分制）=知識預(yù)習(xí)評分×10% +100×速度系數(shù) ×模式難度系數(shù)×完成度×70% + 實驗報告×20%，其中，速度系數(shù)按班級總?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)計型實驗考核”：考核從對知識點的理解，功能的完成情況，電路設(shè)計報告的提交，報告編寫規(guī)范性等方面進(jìn)行評價，每次實驗成績具體如下：

創(chuàng)新實驗考核評價方式，改變傳統(tǒng)實驗考核不區(qū)分實驗類型，按等級評價的模式。改革為區(qū)分實驗類型考核，線下基礎(chǔ)驗證型實驗量化各項指標(biāo)，考慮實驗完成的速度系數(shù)和難度系數(shù)；線上綜合設(shè)計型實驗根據(jù)在線虛擬系統(tǒng)的“過程記錄，實驗復(fù)盤”等功能，按照評分細(xì)則，客觀公正地給出考核評價。

四 結(jié)語

虛實結(jié)合的理念既避免了學(xué)生接觸不到實物，缺少實際動手能力的缺陷，又實現(xiàn)了隨時隨地可以進(jìn)行實驗的要求。通過線上線下虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，將實踐教學(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)動的現(xiàn)實需求，提升了實驗項目的靈活性，利于實施個性化、綜合性和創(chuàng)新性實驗，拓展實驗教學(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)研究工作打下了堅實的基礎(chǔ)[5]。