计算机仿真的“三段式”实验教学模式研究

2014-04-08张士军曾志峰

实验科学与技术 2014年2期

张士军，曾志峰

(云南警官学院信息网络安全学院，昆明 650223)

当前高校电子类硬件课程按照学习的进度先后主要包括《电路分析基础》《模拟电子技术》《数字电子技术》《计算机组成原理》和《单片机原理及应用》等。由于这些课程的理论学习较为枯燥的，因此学生学习起来也比较吃力。这些课程都是实践性较强的课程，所以这些课程的实验教学对学生来说显得尤为重要。而这些课程的传统教学方法是理论学习加上验证性的实验课，即所谓的“一段式”实验教学模式［1－3］。由于这种模式极大地限制了学生的主动性和创造性，如何通过一个更好的实验模式让学生理解理论，如何通过实验培养大学生的创造力?这是高校实验教学改革的重点。

1 传统的“一段式”实验教学模式的弊端

传统的“一段式”教学模式即实验教师课前准备好相应的仪器设备，实验中告诉学生实验目的和要求，并详细介绍实验原理、实验步骤以及实验设备使用方法，甚至许多教师还会演示整个实验过程。接下来就是学生按照老师的要求完成实验。这种模式下的学生通常会出现以下两种情况:第一种情况就是对那些理论基础好、动手能力强的学生实验过程会进行得很顺利;第二种情况就是对那些理论模糊的学生就只能机械地模仿实验至于结果是否正确学生也是模糊的。第二种情况在学生中通常占很大的比例，所以这种模式对锻炼学生的动手能力和培养学生的创新能力是非常有限的。

1.1 “一段式”实验教学侧重于理论验证

受我国传统教学理念的影响，实验教学依然还只能停留在理论教学的阶段。实验教学仅仅是作为验证理论教学的一种延伸。比如，现在很多院校的电路分析实验里边都有的“基尔霍夫定律验证实验”［4－5］，数字电路实验中的“3 －8 译码器实验”［6］，还有计算机组成原理里边的“运算器实验”［7］。这些实验都是典型的验证性实验，学生只要按部就班地将相应的实验指导书中的电路连接好，在给定一些初始条件的情况下观察结果是否符合该理论。如果符合则该实验验证成功，记录实验数据然后填写实验报告，至此整个实验教学宣告结束。显而易见，对于这些验证性的实验，学生根本没有机会来完成一些综合性很强的实验设计，也根本无法培养学生的创新能力。

1.2 “一段式”实验教学环境的改革

由于现在一些综合类高校对电子类专业的重视不够，这也就造成了这类院校的硬件实验教学条件明显落后，主要集中体现在以下4个方面:

1)硬件实验设备落后。许多高校电子类实验设备仍然采用传统的导线连接、插槽实验桌以及实验箱。这些传统的设备存在的主要问题是易损坏、难维护以及稳定性和扩展性差的缺点，严重影响了实验效果。

2)实验设备数量不足。这是我国高等教育扩招之后所面临的最大问题。通常我们的实验设备不能保证一人一台，这也就造成了几个学生甚至一群学生使用同一个实验设备，直接影响了实验效果。

3)不具备专门的实验教师。学生多了老师少了，专业的老师就更少了，许多老师既要给学生上理论课又要带学生做实验。直接的后果就是老师根本没有那么多精力花在实验上，导致有些科目的实验只做寥寥的几个甚至干脆不做。即使做了效果也是很不理想。

4)缺乏完善的实验规章制度。有些高校仅有不完善、落后的规章制度，直接影响了实验的质量。

1.3 “一段式”实验教学模式教学方法单一

传统的“一段式”实验教学模式的教学方法基本上都是采用单一的“先学理论，再到实验室验证”的方式。这种单一的方法已经明显落后于高科技的时代。随着计算机技术的快速发展，许多实验并不是只能在实验室里才能完成的。

1.4 “一段式”实验教学模式限制了学生的创新思维的发展

传统的“一段式”实验教学模式最大的问题在于它限制了学生的创新思维的发展，限制的因素主要来源于以下3个方面:

1)实验题目固定。目前高校电子类课程实验基本上都是按照实验指导书上的要求来完成。尽管实验设备有所区别，但其内容仍相差无几，从而导致了实验效果类似。这也就形成了学生做实验的一种固定模式，学生难以发挥其主动性，缺乏一定的想象空间，久而久之也就导致学生对实验失去兴趣。

2)实验地点固定。学生做实验就只能去实验室，无论简单的实验还是复杂的实验一定要在在实验室里完成。这种有限的实验空间制约了学生积极性和主动性的发挥，也就难以促进理论教学和实践教学的紧密结合。

3)实验时间固定。传统的“一段式”实验教学模式时间是固定的，学生只能按照教学计划的安排，在固定的时间内按照老师的要求在实验室完成电路的连接和调试。但是实际的实验过程也许会出现一些人为因素或者设备因素而造成实验无法在给定的时间内完成。如果实验教师不能提供给学生充足的时间来完成实验，这也会大大影响学生的实验兴趣［8］。

2 “三段式”实验教学模式

由于笔者多年从事电子类硬件课程的理论教学和实验教学工作，根据教学经验提出了一种改进模式即“三段式”实验教学模式。

“三段式”实验教学模式注重培养大学生的学习兴趣以及培养大学生的创新能力。这种实验模式主要通过3个不同阶段的实验过程进而提升学生的实验兴趣和学生的创造性。3个阶段分别为:基础理论到仿真模型的探索阶段、仿真模型到实际电路的磨合阶段、基础实验到创新实验的升华阶段。

2.1 基础理论到仿真模型的探索阶段

这是“三段式”实验教学模式第一个阶段，传统的实验模式是学生理论学完就直接走进实验室，而“三段式”中的探索阶段是学生学完理论知识后要给出学生一定的时间对理论进行计算机建模仿真。当然这种建模是基于现在的电子设计的EDA(electronics design automation)技术［9－11］。EDA 技术是在计算机辅助设计(CAD)技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，它能够进行电子电路的自动设计。目前，比较常用的 EDA工具有 PSPICE、Protel、MultiSim、MatLab以及Quartus等。这些工具都有较强的电子电路仿真功能，这些工具可对简单的电路分析以及复杂的单片机和嵌入式系统进行建模和仿真。因此，这个阶段要求学生在理解课本基础理论的同时，能够使用各种EDA工具对电路的理论模型进行建模仿真［8，12－13］。只有学生通过这些工具真正搭建起起仿真模型，才能够通过模型与理论的对比来加深对理论的理解。

通过这一阶段的探索，目的是培养学生能够通过自动化的工具把纯粹的理论和实际的电路建立一个从抽象到现实的桥梁。同时这个阶段也是现代电子工业设计中非常重要的一个阶段，能够为学生未来的实践道路打下坚实的基础。

2.2 仿真模型到实际电路的磨合阶段

这个阶段是“三段式”实验教学模式的第二个阶段，也是实验教学中的磨合阶段，在第一阶段学生已经将自己的电路仿真模型搭建起来，并通过模型对理论有了深入的了解。接下来就要像传统模式一样将学生带到实验室接触实际的电路，传统模式是将课本上的理论和实验电路进行对比，而“三段式”实验教学模式则要求学生在实验室搭建电路除了要和基础理论进行比较以外还要和之前通过EDA工具搭建的仿真模型进行比较。

通过这一阶段的磨合，要求学生能够进一步理解理论，同时还可以应用搭建的仿真模型的经验与数据对实际电路进行修正。这样既能够让实际搭建的电路尽可能地减少实验误差和实验错误，也能够真正地提升学生的动手能力以及分析问题和解决问题的能力。

2.3 基础实验到创新实验的升华阶段

这个阶段是“三段式”实验教学模式的最后一个阶段，也是提升学生动手能力和创新思维的最重要的阶段。在这个阶段学生可以充分发挥自己的主观能动性和创造性来完成一些理论模型的扩展实验，甚至可以搭建一些自己设计的实验。这些实验可以在实验课上进行，也可以利用课余时间进行。同时实验教师还要给学生提供专门的设计实验室以及各种必要的实验设备。对于一些能力强的学生还要尽可能地给他们提供表现的机会，鼓励他们参加各种竞赛和各种实习锻炼。对学校来说，在条件允许的情况下还要提供专门的组织机构监管这些创新策划，还可以把学生的创新成果作为大学生创新项目计划的一部分，尽可能在资金和教师指导上给予一定的支持。

通过升华阶段的锻炼，学生能够在动手能力和创新能力上得到很大幅度的提升，这也是培养实践型人才和创新性人才最关键的一步。

3 “三段式”实验教学改革模式的优势

基于上述传统的实验教学模式存在的弊端以及“三段式”实验教学改革模式的改进，不难看出“三段式”实验教学模式具有传统的实验教学模式无法比拟的许多优势。

3.1 “三段式”实验教学更倾向于理论和实践的结合

由于“三段式”实验教学改革模式相比传统模式加入了仿真实验和创新实验，这样使原本非常机械的实验教学变成了学生的兴趣天堂，也将理论教学和实践密切地联系在一起，从而大大地提高了学生的动手能力和创新能力。

3.2 “三段式”实验教学条件的灵活性

“三段式”实验教学改革模式没有用限定的时间将学生牢牢的限制在实验室完成某一个实验，而是给学生提供多种实验空间以及丰富多样的实践机会，调动了学生的主观能动性，为学生营造了一个自由的创新环境。

3.3 “三段式”实验教学模式具有丰富多样的教学方法

“三段式”实验教学模式加入了EDA仿真实验，所以许多实验都是先通过计算机仿真来实现的。这些实验既可以在实验室中进行，也可以在具备计算机的任何场所进行。除此之外，在组织学生参加各种创新活动以及各种竞赛的过程中，还可以为学生安排专门的指导教师进行指导。这些灵活的教学手段都是“一段式”实验教学模式所没有的。

3.4 “三段式”实验教学模式更容易激发学生的创造性思维

近些年在实验教学中对该模式的使用，学生能够投入大量的时间和精力开展创新性实验活动，极大地调动了学生的学习热情，充分挖掘了学生的创新潜能。同时这种模式也取得了一定的成效，期间有大批的学生参加了国家级以及省、部级的各种电子创新竞赛，并取得了优异的成绩。还有一些学生由于具有很强的实践和创新能力，毕业后早早地被一些知名的IT和电子类企业录用。

4 结束语

传统的“一段式”实验教学模式已经无法满足当今高校电子类实验教学的要求，更无法培养出具有创新能力和实践能力的人才。而“三段式”实验教学模式改变了传统的“一段式”实验教学模式的呆板教学，能够更好地适应当今电子技术的迅速发展，能够有效地提高大学生的学习兴趣和创新能力，更重要的是该模型能够提高当今高校电子类的实验教学水平，能够将现代的大学生培养成素质和能力兼备的全面型人才。

［1］戚梅.计算机硬件实验教学改革与探索［J］.教育时空，2011(2):80－81.

［2］胡翔骏.电路分析［M］.2版.北京:高等教育出版社，2007.

［3］康华光.电子技术基础数字部分［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［4］白中英.计算机组成原理［M］.4版.北京:科学出版社，2007.

［5］霍亮生.电子技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［6］成新民，基于计算机仿真技术的电类专业基础课实验改革的研究［D］.南京:东南大学，2014:15－40.

［7］丁超.“数字电子技术”实验教学改革探索［J］.中国成人教育，2012(4):134－135.

［8］阳太林.以学生创新能力的培养为中心改革高校实验教学［J］.实验技术与管理，2005，22(10):34－38.

［9］曹旭帆.基于计算机仿真技术的实验教学改革方案［J］.实验技术与管理，2007，24(12):99－101.

［10］席兵.MATLAB在“数字电路”课程教学中的应用［J］.重庆邮电学院学报，2008(5):79－81.

［11］张宏伟.微机系列课程实验教学改革研究［J］.实验室科学，2010，13(1):38－40.

［12］陈媛.基于EDA技术的计算机组成原理实验教学探索［J］.重庆工学院学报，2007(2):136－138.