利用基于M ap le的模拟实验促进电子类专业的实践教学

胡承忠，宫衍香，赵玉荣

(1.泰山学院物理与电子工程学院;2.泰山学院外国语学院，山东泰安 271021)

随着现代科学技术的发展，市场上涌现了一批高性能的科学计算软件，如Matlab、Mathematica、MathCAD、Maple等.把计算软件应用于电子信息教学成为当今的一个重要教改课题，这方面的文献见［1－7］.借此教改东风，我们课题组也在这方面进行了大量工作，参见文献［8－13］.在近三年的时间里，我们以现代教育理念为指导，贯彻“学为主体”的原则，围绕知识、素质、能力、精神综合培养为目的，对泰山学院物理与电子工程学院电子信息科学与技术专业的基础课程教学进行了全方位的改革和建设，促进了内容的现代化，形成了以Maple的虚拟实验为基础，以发展学生科学素养、培养学生实践能力为特色的理论物理教学新体系.本教改课题的创新点在于选取Maple软件为平台，目标集中在模拟电子技术、数字电子技术、单片机、自动控制原理等课程的教学方面.该教学成果在2009年荣获第六届山东省高等教育教学成果奖三等奖.

1 改革思路

长期以来，由于电子信息中的一些概念与常理相悖，令人感到晦涩难懂，其中的一些符号计算、数学推导也极为繁琐，再加上课堂教学一直沿袭传统的口授笔演、解析推导的教学方式，使得对抽象图景的理解成为电子信息学习的“瓶颈”，令学生对信号类课程的学习产生畏惧心理.形象生动的教学对完善和拓展学生的电子专业知识、激发学习兴趣、培养思维水平和创新能力至关重要.Maple是目前最好的符号计算语言，并且简单易学.它具有强大的绘图功能，包括一维、二维、三维图像的绘制，动画制作和各种实用的绘图程序包等［8－10］.把Maple的图形可视化功能引入电子信息的课堂教学既可以强化课程的教学效果，使信息类、信号类教学变的直观、简便，促进学生对抽象知识的理解与掌握，又可以使学生在思维方法、实验技能和科学计算上受到初步而系统的训练，在潜移默化中培养学生的科学素养、人文素质和创新意识，既为他们打下一个深厚的基础，又为今后参加科学研究和技术应用奠定了扎实的平台.

基于以上认识，自2006年起，我们将电子信息类课程分为必修课和选修课两部分，主要围绕以下两个中心，对课程群进行了全方位的改革和建设:

(1)修订课程大纲，加强以掌握基础知识、专业必修的电路分析、模拟电子技术、数字电子技术等课程建设.在教学实践中，立足构建一个适合电子信息科学与技术专业，既有现代气息又有利于学生知识获取和技能培养的课程模式，以课程现代化为目标，进行教学内容、方法、模式、手段和教材的综合配套改革与建设.

(2)以Maple虚拟实验为基础，立足于理论知识传输、实践能力和创新能力培养，改革传统的教学体系，拓展知识内涵，丰富理论课程体系.

2 成果的创新点

(1)克服了长期以来理论课的一大弊症——教学可视化的困难.该成果使理论课的教学变的直观、生动、易于理解，调动了学生的学习积极性和学习兴趣，大大加强了教学效果.与其它类似课题相比，不局限于对某一门理论课程的讨论.

(2)增加了课程的实践环节，摆脱了以往理论课程没有实践环节的现状.虚拟实验使满目复杂符号和抽象概念的理论课程变的看得见、“摸”得着，加深了学生对课程重要性的认识，培养了他们的科学素养.

(3)选择科学计算软件Maple为平台，独创性明显.在现有的探讨中使用Maple软件作平台的较少.一般选择的是Matlab软件，但实践证明，Maple在工程物理的教学中比较实用.就电子信息类而言，Maple更胜一筹.其特点在于上手容易、编程简单、程序占空间少、对硬件要求低等.

3 具体成果简介

近年来，教育界普遍认为，为了激发学习热情，适应科技发展，培养创新精神，必须进行课程现代化改革.根据这一发展趋势，我们的课程现代化改革和建设主要定位在:与本科教学相适应的基本知识和方法，反映专业前沿，具有电子信息的特色.

3.1 利用Maple实现课程教学内容的可视化

利用Maple软件，我们对模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统和自动控制原理等课程中的一些教学重点和难点(如三维图形的绘制、数理方程的求解)进行了可视化处理，并初步建立了基于Maple软件的课程群可视化资源库.

在教学过程中，一直致力于实现教学手段的现代化.目前电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、单片机原理与应用、信号与系统等课程拥有自己开发的电子教案，构建了多媒体和传统板书相结合的教学模式.近年来，我们获得电子技术与创新系列省级精品课程(http://210.44.195.12/ jp/xjkcsb002/)、模拟电子技术省级精品课程(http://210.44.195.12/wulixi1/)、数字电子技术省级精品课程(http://210.44.195.12/szdljcl/)、单片机省级精品课程(http://210.44.195.12/jp/sang1108/)、自动控制原理省级精品课程(http://210.44.195.12/jp/zkyl/)，并在网络课程中开设了“大学物理”专栏，用于展示部分可视化结果，形成了及时完善和更新教学信息的互动教学平台，对于课堂教学质量的提高起到了良好的促进作用.目前，我们的课堂教学以板书教授为主线，配合CAI课件和Maple可视化资源，采用启发式、引导式、探究式等教学方法，力求达到最佳的教学效果.

3.2 建立基于Maple的虚拟实验室，构建实践教学新体系

实验是学习和掌握基本理论和方法的重要手段，可以培养学生运用基本原理、基本方法的能力.鉴于理论知识的抽象性以及相关实验资源的匮乏，我们于2007年建立了基于Maple的电子信息类虚拟实验室.

虚拟实验室的工作进展情况包括:(1)采用计算软件Maple制作虚拟实验，让学生在机器上进行模拟观察，帮助理解理论概念，验证理论结果.(2)将现有的实验用计算软件Maple制作成虚拟实验，让学生先通过校园网络预习实验的原理和操作，对实验结果有所预知和分析，然后再到相关实验室实际操作，这样既调动了学生自主学习的积极性，又提高了学生分析问题和解决问题的能力，还有利于实验室的真正开放和资源共享.(3)依托虚拟实验室，通过设立课题性和开放性实验，对学生进行基本的科学研究方法和实践训练.在课程结束时，学生根据学习的内容，通过各种电脑软件制作的课件，各具个性，精彩纷呈，表现出真正体验了学习乐趣.

3.3 基于Maple的课程群的建设，建设电子信息类特色专业

结合电子信息科学与技术专业人才培养方案的修订，我们将课程设置为必修课和选修课两个模块，必修课包括:电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统通信原理等，选修课包括传感器原理、EDA、电路板设计、科技论文写作等.各门课程充分利用Maple可视化资源，并进行继续开发.

根据专业特点，利用Maple软件，申报校级特色专业并获得成功，学生的创新精神得到了大力的提升，获得各类国家级、省级奖励20余项50多人，大学生科技创新项目20多项，其中09级学生获得国家级使用新型和发明专利各一项.

［1］彭芳麟，管靖，胡静，卢圣志.理论力学计算机模拟［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［2］李银山.Maple理论力学［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］彭芳麟.数学物理方程的MATLAB解法与可视化［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［4］郭冰莹，吴敏健.用Maple计算机代数系统实行电动力学教学改革的一个尝试［J］.大学物理，1999(3):30－33.

［5］邵斌，贺黎明.基于MATLAB平台的量子力学三维图形设计及动画生成工具［J］.大学物理，2005(11):55－58.

［6］欧海峰，琚新刚.密立根油滴条件的Mathematica图示［J］.大学物理实验，2004(4):66－69.

［7］邓立新.MATHCAD在机械振动教学中的两个示例［J］.物理通报，1999(6):26－28.

［8］马春庭.掌握和精通Maple［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［9］洪伟，等.Maple6实用教程［M］.北京:国防工业出版社，2001.

［10］刘来福，何青，彭芳麟.用Maple和MATLAB解决科学计算问题(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，1999.