电工电子学仿真与实践教学探究_高路.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）电工电子学仿真与实践教学探究高路，王建明，孟瑞华（南京工业大学，江苏 南京 211816)摘要：为了使理工科专业的学生对电工电子学理论知识有更加深入的理解，契合产学研用相结合的教学理念，切实提高实验教学的水平和质量，联合研制了符合现有教学内容的电工电子实验台，推出了与实验内容相匹配的虚拟仿真实验软件。电工电子实验台包含多元化的实验模块和专业测量仪表，操作性、安全性、功能性得到显著提升，相匹配的仿真软件解决了学生理论知识掌握不牢、实验目的不清等问题。相比于传统的实验教学，实践广度和深度得到提升，学生综合竞争能力得到提高。关键词:电工电子学；实验台；虚拟仿真软件；教学质量；实验教学中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)01-0149-02开放科学（资源服务）标识码(OSID)：1 引言电工电子学是高等院校理工科专业开放的基础必修课之一，阐述了电工电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能1-2。通过本课程的学习，学生将了解电路基本概念和基本定律、电路的暂态分析、单相正弦交流电路、半导体三极管及交流放大电路、集成运算放大器及其应用、数字组合逻辑电路和时序逻辑电路等。学完本课程，学生基于理论电学知识，将具备一定的电路分析能力，通过实验教学，获得基本电路问题解决能力，为后续的专业课程学习和工程技术探索打下坚实的基础。高等院校开展电工电子学教学工作的同时，开展了与理论教学内容相匹配的实验课程3。从验证和探索两个维度展开，从浅入深帮助学生掌握电工电子技术的基本概念和技能，通过实践弥补教学工作中的问题与不足，支撑教学工作高效开展，优化教学模式，是高等院校卓越工程师培养计划的重要一环，是培养符合时代发展的重要人才的重要手段。但电工电子学在现代时代背景下，存在该课程的特殊性，其知识点繁多，应用性强，面向专业广。材料、化学、环境等非电子信息相关专业在进行相关电工电子实验时多表现出无从下手、不知所措等现象4，理论知识和实践操作存在割裂问题，同时无法接触符合时代发展的实验设备和仿真环境，脱离社会产业需求。针对实验教学中存在的问题与不足，结合高等院校对理工科专业的电工电子学教学要求，联合研制了专用电工台以及配套的仿真实验软件5。虽然在国内很多高校已经开设了电子相关的仿真课程，但基本都是在电子信息相关专业的专业必修课课程设计中展开，如TI-Tina、Proteus等综合性仿真开发软件6-8，对前期学生在基础课中的学习没有帮助，且学生在初始学习阶段缺乏结合实验内容的仿真开发能力，仍然无法填补学习初期理论与实践的沟壑。所研制的专用电工台根据具体教学内容，结合不同教学单元设置了模块化实验内容，仪表测量模式和测量精度符合现代工业技术需求，专用电工台具备操作简易、专业性强、测量手段先进等优势。配套虚拟仿真软件可满足学生实验前的预习准备需求，作为理论和实验的有效衔接手段，仿真环境简约易上手，仿真结果易观察，对非电子信息专业学生友好，同时也具备为专业性强的学生提供创新实验和探索平台的能力。通过专用电工台和仿真软件的有效结合，可解决长期存在的理论实践割裂问题。“新工科”背景下9-11，结合专用实验台和配套仿真软件，层次化实验内容，从理论学习、仿真验证、实践操作展开，引导学生深入理解电工电子学实验内容，同时支撑电工电子学教学，培养学生实践和创新能力，满足社会需求。收稿日期：2022-05-18基金项目：南京工业大学“大学生创新创业与实践开放基金”项目(2022DC0359、2022DC0725、2022DC0739、2022DC0747、2022DC0748)作者简介：高路(1995)，男，江苏南京人，助理工程师，硕士，主要研究方向为实验室建设与实验教学工作；王建明(1964)，男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要研究方向为实验室建设与实验教学工作；孟瑞华(1964)，女，江苏姜堰人，高级工程师，本科，主要研究方向为实验室建设与实验教学工作。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.1,January2023149DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0036本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）2 电工电子学虚拟仿真实验介绍电工电子技术原理虚拟现实仿真软件，是为电工电子学实验装置配套的虚拟现实仿真软件，将高效支持“电工电子学”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的操作软件，在软件应用中，除了满足一般的软件仿真需要外，更加贴合实际，将真实仪表误差工作范围及使用方法代入软件，使学生更快更好地掌握仪器、仪表的使用。电工电子技术原理虚拟现实仿真软件基于NI公司推出的 LabVIEW 和 Multism 进行开发设计。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地应用于工业界、学术界和研究所，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件12。该软件集成了多元化的通信协议，且内置了丰富的标准软件函数库，其图形化的编程方式可以方便用户快捷建立自己的虚拟仪器。电工电子技术原理虚拟现实仿真软件基于LabVIEW实现了现代工业电源及仪表，电源插件可提供实验所需 030V 直流电压源，0200mA 电流源、020Vpp/01MHz方波、正弦波、三角波信号源、0430V交流电源，电源自带仪表可直接读数，仪表插件包括，四档200mV200V直流电压表、四档2mA2A直流电流表、五档200mV750V智能直流电压表、五档2mA3A智能直流电流表、500V交流电压表，3A交流电流表，1500VA交流功率及功率因数表，1M频率计，部分虚拟测量仪表如图1所示。(a)(b)(c)(a)交流电源输出表；(b)直流电流表；(c)功率、功率因数表图1 部分虚拟测量仪表基于Multisim电路仿真软件构建了实验所需的基本电路，Multisim提炼了SPICE模型仿真的复杂内容，能够实现器件建模及仿真、电路的构建及仿真以及系统的组成及仿真13。Multisim嵌入LabVIEW设计的虚拟测量仪表，结合不同教学单元设置的模块化实验内容，构建了虚拟仿真环境，供学生进行调试和观察。实验内容包含线性与非线性元件伏安特性的测验、基尔霍夫定律的验证、线性电路叠加性和齐次性验证、戴维南定理和诺顿定理的验证、最大功率传输条件的研究、二阶动态电路响应的研究等直流实验内容，以及三相电路电压电流的测量、功率因数的测试等交流实验内容。图2 线性与非线性元件伏安特性的测验图2为电工电子技术原理虚拟现实仿真软件中的线性与非线性元件伏安特性的测验单元，学生根据实验内容，结合该仿真环境观察实验结果，与理论学习内容进行验证。实验环境已搭建实验电路及虚拟仪器，极大化地降低了仿真软件的入门门槛，对非电子信息类专业学生友好，且虚拟仪器设计贴合实际，为专用电工台实验做好衔接准备工作。而具备探索精神的学生可以通过该单元仿真进行自由修改，验证所学所想。电工电子技术原理虚拟现实仿真软件的易操作性和可探索性兼备。3 电工电子学专用电工台介绍电工电子学专用电工台是为了满足学生理论知识的验证和探索需求。电工电子学专用电工台设计之初，在满足理论教学内容的同时，考虑了设备的可操作性、多功能性、先进性以及安全性，电工台如图3所示。交流实验交流实验直流实验直流实验学校学校LOGOLOGO工业仪表工业仪表有机玻璃罩有机玻璃罩图3 电工学专用电工台可操作性是极大化地简略了多余的连接元件、安插元件、更换电路等操作，在面板上构建了不同教学单元的基本实验电路，对基本电阻、电容等常规元件固化处理，预留了关键连接节点、电气测量节点，为学生节省了大量的拆装时间，突出实验效率，将时间更多地留给学生调试、观察和思考；多功能性和先进性是采用了符合时代发展的现代化工业仪表，如专用电工台内嵌RIGOL公司开发的DG812型集函数发生器、任意波形发生器、噪声发生器、脉冲发生器、谐波发生器、模拟/数字调制器、频率计等功能于一身的多功能信号发生器，以多功能、高性能、触摸屏操作为特点。可调电阻选用的数字式可调电阻，相比于传统的机械式可调电阻，具有可断开、调节精度高、易调节等优势。交流电路参数测量仪表为专用工业多功能仪表，（下转第171页）150信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）2.4 丰富教学评价机制，注重能力考察合理多角度的教学评价机制能够帮助学生更好更快地达到最终成果。评价机制的制定，要依据OBE-CDIO理念，重视实践和应用能力的培养，适当降低理论知识的比重。评价机制具有指导性的意义，在合理的教学评价机制的指导下，师生教与学的重点会根据评价标准的变化而变化，评价机制是否合理直接影响师生在意的重点是否合理，多样化评价机制的构建，是提升学生综合能力必不可少的。在具体的教学评价中，主要从平时成绩、理论成绩、课程设计成绩和实践成绩等方面进行评价。课程设计成绩和实践成绩的权重较大，这两项考核可以更好地考查学生的软件仿真、电路设计和工程应用等能力，考核通过PPT展示、讲解自己的成果，类似于答辩的形式，能够更好地衡量学生成果的正确性、规范性，提高成果质量，培养综合素质。此外，学生参加教师项目、主持项目、竞赛获奖、参与开放性实验和组织活动等可适当加分。通过这种比较全面的评价机制考核，多方面考查学生的综合能力，更准确地衡量出学生的综合能力，可以更好地反应基于OBE-CDIO理念的教学成果。3 总结OBE-CDIO理念一直被认为是追求卓越教育的正确方向，以学生为中心，以目标为导向，注重对学生实际应用能力的培养。通过运用“一体化”教学、构建网络学习资源、高度重视实践和丰富教学评价机制等对模拟电子技术课程进行教学改革，真正做到提升学生的综合能力，对于培养应用型人才起到了积极意义，此教育理念在国内高校正在快速地普及和应用。通过对基于OBE-CDIO理念教学方法的探讨、研究和应用，结合课程设计、工程实训等，发现学生软件仿真、电路设计、PCB制板能力有了较大提高，同时学科竞赛、学生项目数量和质量都有了进步。后期进一步加强基于OBE-CDIO理念的教学，把此教学理念应用到每一门课程中，争取取得更好的成绩，为淮南师范学院培养地方应用型人才助力。参考文献：1 习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程,开创我国高等教育事业发展新局面N.人民日报,2016-12-9(001).2 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念J.中国高等教育,2014(17):7-10.3 刘洪霞,陈丰,黄敏,等.CDIO模式在电工电子技术课程教学中的应用J.中国现代教育装备,2022(9):71-72.4 戴桂平,赵志强.EIP-CDIO模式下高职通信专业课程思政教学改革探索研究J.工业和信息化教育,2022(5):73-78.5 陈培余.基于OBE-CDIO工程教育模式下的单片机应用技术课程教学研究J.科技视界,2022(11):123-125.6 肖卓磊,李庆瑞.基于OBE的“信号与系统”课程教学改革J.韶关学院学报,2019,40(5):79-82.7 张秀梅,唐荣霞,王丽.基于OBE理念的混合式教学在模电课程中的探索与应用J.德州学院学报,2019,35(6):84-87.8 杨斌,邵雪梅,张妙飞,等.基于OBE思想的通信工程专业导论课教学改革探讨J.滁州学院学报,2019,21(5):120-122.9 娄树勇,高海涛.OBE理念下电磁场与电磁波的教学