基于EWB的电路课程教学改革与实践*

刘珊中 王新勇 田 葳

河南科技大学 河南洛阳 471003

基于EWB的电路课程教学改革与实践*

刘珊中 王新勇 田 葳

河南科技大学 河南洛阳 471003

本文针对电路课程教学内容增加，学时却一再压缩的矛盾，把计算机虚拟技术引入该课程教学改革中，从教学内容、教学方法、教学手段、教学模式以及课外科技活动等方面进行全方位的教学改革与创新，其中计算机虚拟技术加启发式、讨论式复合教学的运用；基于软硬结合的电路课实验教学模式的建立；电路实验教学网站的建设和开放性实验教学的实现，有效地提高了课程教学质量，使课程知识的学习提升到新高度。

教学改革；EWB技术；实验教学模式

电路是电类各专业重要的专业基础课程，承担着培养学生基本电路分析和设计能力的任务。作为专业先行课，对学生后续专业课的学习、毕业设计（论文）等教学环节乃至走上工作岗位后的实践能力都具有非常重要的作用。该课程理论性强又涉及大量实验，其中实验课教学对加深课程理论知识的理解，培养学生的动手能力和分析解决问题能力具有不可替代的重要作用，是课程教学的重要组成部分。

近年来随着电子信息技术的飞速发展和现代社会对学生实践和创新精神要求的不断提高，课程教学内容在增加，而学时却一再压缩，如自动化专业总学时由160学时减少到130学时，其中实验课由40学时减少到26学时，内容多、学时少的矛盾非常突出，尤其是实验课教学。鉴于从1999年开始研制多媒体CAI课件并用于辅助课堂教学，教学实践表明，CAI课件的使用增加了课堂教学的信息量并提高了学生的学习兴趣，在一定程度上缓解了这一矛盾，但在实验教学中传统实验方式存在高消耗、低效率、涉及面窄以及综合性、设计性实验难以开展的问题一直未得到解决，严重影响着课程教学质量的进一步提高及学生自主创新能力的培养。因此，以实验课的教学改革为重点，引入新的教学手段（计算机虚拟技术），从教学内容、教学方法、教学手段、教学模式以及课外科技活动等方面进行全方位的教学改革与创新，以进一步提高课程的教学质量和加强学生综合能力、创新精神的培养，满足现代社会和科学技术发展对高层次电类人才的需要。

一、课程教学改革的思路与指导思想

在深入研究电路课程理论和实验教学内容及要求的基础上，借助于当今课堂教学和实验教学有效辅助教学工具—虚拟仪器技术这一先进教学手段，以实验课的教学改革创新为重点，以加强理论与实践的联系、全面提高课程教学质量，着力培养学生动手能力、综合能力和自主创新能力为目标，进行包括理论教学、实验教学及课外科技创新能力在内的电路课程全方位教学改革与实践，寻求课程教学的最佳模式，并以此为切入点，推进相关省级精品课程电工学的教学改革和电工电子省级实验教学示范教学中心的建设。

计算机虚拟技术是伴随计算机技术的进步在20世纪80年代末兴起的一门新兴技术，是计算机与仪器技术的有机融合。其中加拿大Interactive Image Technologies公司20世纪90年代推出的虚拟实验软件EWB（Electronics Work bench），因其采用图形方式创建电路，具有界面形象直观、操作方便、不受场地限制等突出优点，被广泛应用。采用EWB仿真软件进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器调试电路，即不需要任何真实电子元器件与仪器，就可完成电路、数字逻辑电路和模拟电路等课程的各种实验，这样既不必购买高档仪器、大量元器件，又可避免仪器检修等诸多不利因素，非常适合电路课程的辅助教学。加之这种方法易学、易用，学生只要掌握了EWB软件的使用方法，便可不受实验设备、场地和实验学时的限制，用计算机自主进行实验设计、连接和分析，可极大地提高学生的实验兴趣和计算机运用能力。同时，EWB软件提供的元件及仪表仪器齐全、功能多，便于开设一些复杂、综合性、研究性的电路实验以及自主创新性的电路设计，可以填补以往由于实验设备欠缺所带来的遗憾，弥补传统实验教学模式的局限性，为学生研究性学习提供更为广阔的空间，具有很强的不可替代性。基于此，把计算机虚拟技术引进电路课程的教学改革与实践中。

二、课程改革的主要内容及成果

1.课程教学内容的优化及课堂教学方法的改革

电路课程使用普通高等教育“十五”国家级重点教材《电路》（第六版）。优秀教材的选用确保了课程教学内容的科学、合理。

以该教材为基础，针对学校新增电子信息工程、电子信息科学与技术、计算机科学与技术、测控技术与仪器、生物医学工程等本科专业对电路课程教学的具体要求，结合国内各高校电类专业课程教学改革成果和学科发展动向，并参考国外部分高校相关专业的教学内容，在优化教学内容的基础上重新制定了符合各专业需要的课程教学大纲，取得了很好的教学效果。如对电子信息类各专业去掉“含有运算放大器的电阻电路”和“二阶电路”两部分内容，加上“三相电路”和“非正弦周期电流电路和信号的频谱”的内容，更符合后续专业课学习的需要。

课堂教学采用计算机虚拟技术+启发式、讨论式的复合教学。课堂教学中把计算机虚拟技术引入CAI课件中，对教学中的20个重要基本概念、定理、定律和现象的讲解均配合虚拟实验的动态演示，使枯燥的理论变得生动，难点得到化解、学生易于理解。同时在讲解中配合启发式、讨论式等先进的教学方法，调动学生的学习主动性、积极性和创造性，不断激发学生的学习兴趣，提高学生的自学能力、分析问题和解决问题能力。这种计算机虚拟技术+启发式、讨论式复合教学方法的运用，使知识的讲解和能力的培养有机结合起来。同时，通过课堂上对一些定理、定律验证性实验的演示，可减少实验教学中该部分的教学内容，以留出更多时间让学生自主开展一些综合性、设计性、研究性实验，培养学生的自主创新能力。

2.基于软硬结合的电路课程实验教学模式

传统的实际实验与基于EWB的虚拟实验各有特点，不能相互替代。按照知识积累的规律，采用两条腿走路的方法，创建了同一个实验两种实验方式的电路课程实验教学模式，即先进行实际实验，由于其受设备、实验条件和场地的限制，所能实验的内容和方式有限；尔后用EWB虚拟实验模拟实际电路中的各种状况并加以分析和研究、总结规律，使知识的学习提高到一个新的高度。如电路课中叠加定理和戴维宁定理的验证，先用实际仪器进行一种参数的验证实验，再用EWB实验做各种参数的验证，如观察改变仪器内阻或者元件参数时引起的测量值变化作为实验的总结，以加深学生对理论知识的理解。另外，有一些实验如串联谐振现象的观察，由于硬件实验中受元器件限制，很多学生在实验中找不到谐振点、峰值点等，对这部分内容缺乏直观感受，采用EWB实验后元件参数可任意改变，学生能很容易地看到电路发生谐振时的各种特殊现象，加深了对课堂知识的理解和记忆。

目前，我校电路课程实验教学中已进行的虚拟仿真实验有：元件伏安特性的测试；叠加定理和戴维宁定理的验证；一阶RC电路响应的研究；微分电路的研究；积分电路的研究；交流电路功率因数提高的设计实验；三相交流电路电流、电压的测量；RLC串联谐振电路特性测量；双口网络测试等。除自动化专业外，其它各专业的虚拟实验学时占实验总学时的75%。

该实验教学模式自2003年9月开始在我校电子信息工程专业2002级部分学生中进行EWB虚拟实验试点以来，现已在自动化专业、电子信息工程专业、电子信息科学与技术专业、计算机科学与技术专业、测控技术与仪器专业、生物医学工程专业开展了EWB虚拟实验，学生共计3000余人。特别是2005年9月电路实验室每一实验台都配备了计算机终端后，所有学生的电路实验教学都采用了该模式，即先作实际设备实验，记录数据，然后再在计算机终端上用EWB进行仿真、分析。同一实验软硬结合的电路实验课教学改革，不仅有效地缓解了学生人数不断增多、实验设备有限的突出矛盾，而且提高了学生的实践动手能力、计算机运用能力和综合能力。同时，课程的教学质量也稳步提高。

基于软硬结合的实验教学模式的建立，丰富了电路实验课的教学内容，提高了实验效率和学生的实验兴趣，使实验教学真正成为培养学生动手能力与分析解决问题能力的基地。基于计算机虚拟技术的电路课程教学改革实施5年来，有效地提高了课程教学质量，更好地培养了学生分析和解决问题的能力和自主创新精神，受到师生的一致好评。

3.电路实验教学网站的建设和开放性实验教学的实现

2005年，建成了电路课程实验教学网站。利用该教学网站，学生可以了解电路实验室的情况以及可开出的实验，可以预约实验，阅读实验指导书，提交实验报告，进行网上答疑、资源共享等。利用实验教学网站学生还可在课外自主进行虚拟实验的设计和实施，拓宽了学生的思维，使固定不变的实验课变成了开放性的实验教学。

电路实验室购置的KHDG-1型高性能电工综合实验装置（联网型），配置有智能化仪表和数据采集器，为开放性实验教学的实现提供了理想的硬件条件。利用该教学装置和实验教学软件，教师可以进行网上教学，网上监控学生的实验进程，记录学生违章操作次数，采集、监视学生端仪表的实时数据，完成对学生实验数据的管理，并自动生成实验报告。

4.搭建培养学生综合能力、创新精神的实践平台

以实验课教学改革为重点的电路课程教学改革的实施，在理论和实践上成效显著。特别是计算机虚拟技术、电路实验网络教学和开放性实验的开展，构建了课程教学的第二课堂，全方位全天候地搭建起培养学生综合能力、自主创新精神的实践平台，使学生的综合能力取得长足进步。借此平台，多名学生参加了大学生课外科技创新活动和全国大学生电子设计大赛等，14名学生取得优异成绩，如项目“电动车跷跷板”获2007年全国大学生电子设计大赛二等奖、“程控滤波器”“开关稳压电源”等获河南省一等奖等。

三、电路课程教学改革的创新与特色

构建了基于EWB的电路课程全方位教学体系，包括理论教学、实验教学及课外科技创新，该成果对同类及相关课程的教学改革与实践具有示范作用和推广应用价值。

1.基于EWB的电路课程CAI课件及计算机虚拟技术+启发式、讨论式复合教学的运用，丰富了教学手段，拓展了教学信息，使枯燥的理论变得生动，难点得到化解、学生易于理解，激发了学生学习兴趣，提高了课堂教学效果和学生分析、解决问题的能力。

2.EWB技术应用到电路实验课教学中，建立了基于软硬结合的实验教学模式，拓展了实验教学内容，为学生自主研究性学习提供了更广阔的空间。该新颖的教学模式，有效地提高了学生的实验兴趣和实验效率，加强了理论与实践的联系，更好地培养了学生动手能力，独立分析解决问题能力和创新精神，使课程知识的学习提升到新高度。

3.电路实验教学网站的建设和开放性实验教学的实现，搭建了全方位全天候地培养学生综合能力、自主创新精神的实践平台。

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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

刘珊中，博士，教授。

*本文系河南科技大学教改课题(项目编号：G2003-13)。