電子電路實(shí)驗(yàn)課程在線實(shí)驗(yàn)改革探析
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【摘要】模擬電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中處于重要的地位，受肺炎疫情影響，線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以正常開展，在此背景下探索基于圖形化編程LabVIEW的NI在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程改革，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)考核方面內(nèi)容對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革進(jìn)行探索。以此來應(yīng)對(duì)解決疫情情況下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，實(shí)踐表明，該改革有效減少實(shí)驗(yàn)室實(shí)際硬件投入，增加學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提升學(xué)生的實(shí)踐能力，保障了疫情期間模擬電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
【關(guān)鍵詞】工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)；在線模擬；圖形化編程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革
1模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程改革方案背景
1.1疫情背景促進(jìn)改革
2019年年底，我國多地發(fā)生病毒肺炎疫情，病毒傳播途徑極為多樣，為阻斷疫情向校園蔓延，國家大力積極從源頭管控疫情傳播途徑，對(duì)于高校尤為重視，2020年1月27日，教育部通知延期開學(xué)[1]，2月12日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合通知延期開學(xué)期間“停課不停學(xué)”有關(guān)工作[2]，2月28日，教育部黨組通知部署統(tǒng)籌做好教育系統(tǒng)肺炎疫情防控和教育改革發(fā)展工作[3]。高校要結(jié)合本校實(shí)際情況，在延期開學(xué)期間高度重視、認(rèn)真做好“停課不停教、停課不停學(xué)”工作，制定在線教學(xué)方案，開展教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)模式與方法創(chuàng)新。
1.2專業(yè)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展需求
科技發(fā)展日新月異，社會(huì)對(duì)人才的需求在不斷變化，莆田學(xué)院在專業(yè)建設(shè)工科學(xué)生人才培養(yǎng)方案里明確指出培養(yǎng)和提升工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)踐技能，教師在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須緊緊圍繞此主題來優(yōu)化教育理念。目前，莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院模擬電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，模擬電路實(shí)驗(yàn)箱、信號(hào)源、示波器等實(shí)驗(yàn)器材比較陳舊，行業(yè)電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，如果高校緊跟社會(huì)企業(yè)需求變更，實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)方面面臨困難，在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)室利用虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢，采用項(xiàng)目模塊化思路，可以有效解決這個(gè)問題，因此改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，建立在線實(shí)景模擬電路教學(xué)體系，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和綜合實(shí)踐能力具有重要意義[4-6]。
2基于圖形化編程的LabVIEW的NI在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)室
計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不僅改變了傳統(tǒng)的教學(xué)形式和內(nèi)容，也改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式[7]。在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)室借助當(dāng)今飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能化技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，基于圖形化編程語言LabVIEW，采用C/S（Client/Server）架構(gòu)。將實(shí)驗(yàn)儀器集中于服務(wù)器端，學(xué)生端只要一臺(tái)與服務(wù)器處在同一子網(wǎng)的計(jì)算機(jī)即可遠(yuǎn)程接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。服務(wù)器端接受學(xué)生端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，控制實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)器端，服務(wù)器端再通過返回實(shí)驗(yàn)參數(shù)的形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回到學(xué)生端，同時(shí)用攝像頭實(shí)時(shí)觀測現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器和數(shù)據(jù)的共享。利用上述優(yōu)勢，在模電的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用虛擬仿真和遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)室，得以有效解決疫情期間實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，并以此促進(jìn)理論與實(shí)踐的有效結(jié)合[8]。
3模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革內(nèi)容
3.1在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)模擬電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型一般是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，入門基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)器材的使用，包括使用萬用表、示波器、信號(hào)源等，測試各種導(dǎo)線、二極管、三極管的基本特性，然后是實(shí)驗(yàn)箱模塊化組成的幾大基本模擬電路實(shí)驗(yàn)，包括集成穩(wěn)壓器、晶體管單管放大器、集成運(yùn)算放大器、負(fù)反饋放大器等。在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程打造的項(xiàng)目庫涵蓋了所有這些實(shí)驗(yàn)，通過軟件和服務(wù)器集成優(yōu)化了這些實(shí)驗(yàn)，將線下實(shí)驗(yàn)照實(shí)搬到線上，虛實(shí)結(jié)合，通過遠(yuǎn)程登錄平臺(tái)，學(xué)生按照老師教授的方式學(xué)習(xí)體驗(yàn)線上課程的特點(diǎn)。主要內(nèi)容如表1所示。
3.2在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)方式
在線下實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，教師根據(jù)大綱組織一堂課，先向?qū)W生介紹該次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法，然后學(xué)生按照老師教授的實(shí)驗(yàn)步驟有序地來完成一次實(shí)驗(yàn)。線上課堂遵循這個(gè)基本的教學(xué)準(zhǔn)則，結(jié)合線上教學(xué)的屬性，在疫情背景下滿足學(xué)生在遠(yuǎn)端隨時(shí)、隨地、完成課程實(shí)驗(yàn)，以此來制定教學(xué)方法。第一，線上課前預(yù)習(xí)。利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)，在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊上搭建相應(yīng)課程，結(jié)合課程建立實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目庫，為此團(tuán)隊(duì)充分準(zhǔn)備了預(yù)習(xí)階段豐富的課程資源，從學(xué)生的角度出發(fā)，抓住學(xué)生初接觸對(duì)實(shí)驗(yàn)室的新奇，對(duì)設(shè)備的好奇。任課教師團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備了素材豐富的PPT對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行視頻錄制講解，在視頻中設(shè)置簡單基礎(chǔ)的問題導(dǎo)向。跟著問題走，按圖索驥，做到保證看完視頻的同學(xué)能夠初步掌握該節(jié)實(shí)驗(yàn)原理。第二，虛擬仿真體驗(yàn)式預(yù)習(xí)。教師于服務(wù)器上搭建安裝了純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生登錄賬號(hào)即可進(jìn)行第二步體驗(yàn)式預(yù)習(xí)，這個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了目標(biāo)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)值和相應(yīng)波形情況。學(xué)生只要熟悉了基本的設(shè)備操作，都能相對(duì)應(yīng)的在仿真平臺(tái)上熟練的操作。舉個(gè)實(shí)例，實(shí)驗(yàn)室用示波器的型號(hào)是DS5022M雙蹤數(shù)字示波器，仿真平臺(tái)上相應(yīng)的可以調(diào)出該型號(hào)的示波器，且使用方法完全一致，學(xué)生根據(jù)老師指導(dǎo)的使用方法，加強(qiáng)訓(xùn)練，后期進(jìn)入線下實(shí)驗(yàn)，完全不會(huì)有陌生感。第三，在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作體驗(yàn)。這一設(shè)計(jì)主要鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，學(xué)生端通過瀏覽器運(yùn)行操作平臺(tái)時(shí)，進(jìn)入在線實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)分配硬件資源，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)用戶命令自動(dòng)搭建真實(shí)的實(shí)驗(yàn)電路（集成穩(wěn)壓器，晶體管單管放大器，集成運(yùn)算放大器、負(fù)反饋放大器），再利用基于瀏覽器的虛擬儀器（雙蹤通道示波器、函數(shù)信號(hào)源、三用表等），訓(xùn)練儀器操作，實(shí)時(shí)測試各個(gè)點(diǎn)的波形及電信號(hào)，將測量數(shù)據(jù)通過服務(wù)器實(shí)時(shí)回傳給客戶端，學(xué)生通過瀏覽器調(diào)閱實(shí)驗(yàn)課件了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，上傳實(shí)驗(yàn)電子報(bào)告。系統(tǒng)即時(shí)反饋結(jié)果，有助于輔助學(xué)生自我分析改進(jìn)。
3.3在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程考核
在分析研究傳統(tǒng)的“模擬電子電路”課程考核體系以及當(dāng)前疫情嚴(yán)峻形勢下教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，采用“以學(xué)生在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)操作過程體驗(yàn)為主線，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參照目的”的課程實(shí)踐考核思路，對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核?？己藭r(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、仿真測試、實(shí)驗(yàn)電路制作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多方面的逐項(xiàng)驗(yàn)收點(diǎn)評(píng)，參照分步式學(xué)習(xí)過程，設(shè)置成預(yù)習(xí)階段、仿真階段、實(shí)景操作，給定比例，按照比例給出最后的綜合成績，對(duì)每一個(gè)階段的完成給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績，并對(duì)項(xiàng)目完成情況設(shè)置得分等級(jí)：A—優(yōu)秀，B—良好,C—中等，D—及格，E—不及格。具體見表2。
4在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程改革教學(xué)效果分析
4.1課程改革教學(xué)成效
在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要特點(diǎn)是把實(shí)驗(yàn)室搬到互聯(lián)網(wǎng)，最終的一個(gè)目的還是以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為主，通過整個(gè)課程的教學(xué)回顧，主要效果有以下幾個(gè)方面：（1）線上課程的靈活性以及系統(tǒng)操作的便捷性，滿足學(xué)生自由安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不斷鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性，滿足學(xué)生個(gè)性化的教學(xué)要求。（2）對(duì)課程的關(guān)注度，討論度明顯提高，后臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示學(xué)生觀看預(yù)習(xí)視頻的次數(shù)和回答問題的積極性較高，該部分有助于學(xué)生扎實(shí)理論基本功，從虛擬仿真及在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的訪問次數(shù)反映學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程的投入時(shí)間，該部分操作能有效地幫助提高學(xué)生的動(dòng)手能力。（3）課程考核成績顯著提高，過程化考核機(jī)制，避免唯分?jǐn)?shù)論，提高實(shí)驗(yàn)操作過程的考核分?jǐn)?shù)，似乎更能激起學(xué)生主動(dòng)性和求知欲，學(xué)生平均成績基本為良。相比前幾屆線下實(shí)驗(yàn)平均成績?yōu)橹猩咸岣卟簧佟?/p>
4.2課程改革教學(xué)不足
在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型本科高校學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能提升有明顯的推動(dòng)作用，但是對(duì)于理論基礎(chǔ)知識(shí)的系統(tǒng)性反饋還是有所欠缺，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中常常暴露理論知識(shí)的嚴(yán)重不足，這方面的能力有待提高。此外，線上實(shí)景實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)，項(xiàng)目庫的完善還有待進(jìn)一步地改進(jìn)。
5結(jié)語
在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法借助當(dāng)下先進(jìn)的硬件設(shè)備，基于圖形化編程語言，采用C/S（Client/Server）架構(gòu)的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，綜合了理論、仿真和實(shí)際芯片知識(shí)。在疫情期間，由于受課時(shí)、儀器設(shè)備、教學(xué)場地、教學(xué)資源和遠(yuǎn)程教學(xué)的影響，通過虛實(shí)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)“停課不停學(xué)”的教育方針，同時(shí)為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供一種行之有效的方向。
作者:王富錚 謝海鶴 陳軍 單位:莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院
