软硬件结合的开放式电类实验教学模式

江霓 谭爱国

摘要：结合了近年来高校实验教学的建设与改革实践，分析了开放式实验室建设的必要性和可行性，并对现有的电类实验教学进行改革，把实验项目分为验证型、应用型、综合型以及创新型实验。并引入Multisim仿真软件进行实验，同时列举了一个软硬件结合的仿真实验教学实例。实践证明，这种教学方法可以较好地实现理论与实践教学一体化，从而有效地提高学生的实践创新能力。

关键词：教学模式改革；开放创新实验课程；电类实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）13-0261-02

引言

电类实验一直在应用创新型人才的培养中作为不可或缺的环节而发光发热，并且作为为企业输送高端技能型人才的一种教育方式而受到瞩目。实践证明，与计算机仿真相结合的实验教学，不仅能够帮助学生深入理解电路原理，迅速地找到电路的核心器件从而进行分析学习，而且能够有效地培养和训练学生的创新性思维和电子线路开发能力。因此，我们将仿真软件与电类实验教学相结合，系统地设计了有利于提高学生创新意识和工程实战能力的电类开放创新型实验教学模式。

一、软硬件结合的开放式实验教学模式的优势

实践证明，这种实验教学模式能够较大程度地调动学生学习的主观能动性，教学效果显著，在教学时间和教学资源的利用上显然具有更高的效益。而这种教学方式的更深层次的优势和目的主要在于以下三个方面：

1.实现理论与实践教学的一体化。传统的封闭式实验教学模式相比，可以较大程度上调动学生的主观能动性和创造性。我们将借助软硬件结合的教学模式来最大化地实现电类实验的理论与实践教学一体化。

2.充分发挥教学资源的效益。开放式教学可以最大化地提供给学生的自由且充足的实验学习时间，能够提高学生理论联系实际的水平，锻炼学生工程实践和科研开发的能力，有助于充分发挥实验教学资源的效益。

3.增强学生的创新能力。教学中，我们不仅把软件仿真作为一种演示工具，还将对其仿真的结果进行深入的探讨，使学生成为学习的主体。我们将通过研究性教学的方式，对学生进行系统化的实战技能训练，使得学生能够在项目设计过程中增强系统化创新能力。

二、软硬件结合的开放式实验教学模式的设计

1.Multisim软件介绍。电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）技术集计算机技术、电子技术、信号处理技术于一体，是近代电子信息领域发展起来的杰出成果，同时EDA技术的发展和推广也极大地推动了电子工业的发展。在众多的EDA仿真软件中，由于Multisim软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大，因此，我们将其作为电子技术实训工具和电路分析手段而引用到电类实验教学中。与其他仿真软件相比，Multisim具有如下特点：

（1）Multisim是全功能电路仿真系统。元器件编辑、选取、放置；电路图编辑绘制；电路工作状态测试等无所不能。

（2）Multisim是一个完整的电子系同设计工具。专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。

（3）具有强大的仿真分析功能。

（4）具有多种常用的虚拟仪表。

（5）与NI相关虚拟仪器软件的完美结合，提高了模拟及测试性能。

它几乎可以完成在实验室进行的所有电子电路实验，已被广泛地应用于电子电路分析、设计、仿真等工作中。另外，Multisim具备对电路设置故障的功能，以观察故障情况下电路的各种状态，进而培养学生的综合创新能力。

2.与Multisim仿真结合的实验教学实例。以模拟电子实验中的单管放大电路为例介绍Multisim10.0在电子线路实验教学中的应用。

（1）创建仿真电路。打开Multisim10.0，建立一个新的工作界面，在窗口中添加示波器、万用表、交流信号发生器等仪表并连接电路，如图1所示。

（2）电路的瞬态分析。瞬态分析是电路的响应在交流信号激励作用下时间域内的函数波形，图2为示波器观测到的单管放大电路的输出信号图像。在调好静态工作点的基础上，需要在电路输入端加载一个1KHz、5mV的正弦交流信号。

通过实践，仿真出来的输出波形是一个稳定且不失真的正弦波。由此，我们推断出，若按照这个电路图来进行实验，则可以较好地完成单管放大电路的增益测试、输入电阻和输出电阻的测量等要求。

（3）实验教学中调试的结果。通过软件的仿真使我们对单管放大电路有了较全面和深入的理解，在此基础上在实验室进行实物实验则可以取得事半功倍的效果。实验室里配备了专门的单管放大电路实验模块，学生可以通过在电路板上进行连线，并借助函数信号发生器、交流毫伏表以及示波器等测量工具进行单管放大电路增益的研究。

图中可以看出，实际实验中给单管放大电路的输入了1KHz、5mV有效值的正弦波信号，输出端的波形是通过示波器（DG1022）来进行观查和记录的，正如图2所示。

通过实验，我们可以看出增益的测试值与理论计算值虽有误差，但仍在接受范围之内，较成功地验证了该实验。

三、电类实验教学的改革思路

1.开放式实验教学模式的必要性。所谓“开放共享实验室”，就是以学生为本，使学生不再局限于课堂上有限的时间以及固定的实验内容，而可以根据自己的实际需要在相对较为自由的时间段内出入实验室，实验内容自然也可以根据学习或者研究的需要而自行决定。

实行开放式实验教学的必要性，个人认为主要体现在两点：（1）培养学生综合能力的需要。（2）实验室自身发展和提高的需要。这种教学方式，不仅可以提高实验室的使用效率，极大程度上开发了实验室资源，对于培养学生的综合创新能力和科研精神也是不可或缺的力量。

2.具体的改革思路。本科教学中的电类基础实验大多是理论验证型实验和简单设计型实验，与实际的技术研发存在一定的差距。以模拟电子实验为例，现有的实验项目由如下几个部分组成：常用电子仪器的使用、单管放大电路的研究、负反馈放大器、差动放大电路性能测试的研究、运算放大器的基本运算、积分器与三角波发生器特性的研究以及正弦波发生器的设计，这八部分内容组成。这当中，80%都是验证性实验，实践证明，这样无法很好地锻炼学生的动手实践和创新能力，培养出企业以及科研单位需要的高端技能型人才。

因此，我们将电类实验教学内容进行改革，实验内容调整为四类：验证型、应用型、综合型以及创新型实验，比例分别为3∶4∶2∶2。其中课堂授课的实验项目主要还是以验证型和应用型实验为主，综合型以及创新型实验鼓励学生在开放实验教学时段来进行动手实践。并且，实验室在每个实验桌上都配备了一台装有Multisim软件的电脑，便于同学们进行仿真研究，真正意义上做到理论与实践教学一体化。

学生可以多次在计算机仿真环境下进行测试，并同时在实物实验平台上构建电路，最后比较两种测试的结果进行分析。实践证明，通过这种实验方式，学生能够熟练的掌握常见电路问题的解决方法，提高了学生分析复杂电路问题的能力，开发电子线路的能力以及综合创新能力。

四、结束语

本文针对高校相对封闭的实验教学模式和理论与实践易脱节的教学方法，结合电类实验课程的特点，提出了行之有效的解决方案：即在教学过程中引入仿真软件Multisim，并且增加了实验室的开放时段，解决了电路、数字电路、模拟电路等多门课程的大部分实验教学问题。

本文所提出的“软硬件结合的开放式电类实验教学模式”，主要有如下两个特点：（1）有助于培养理论分析与动手实践能力较强的复合型人才，以适应企业与市场的用人需求。（2）结合上海理工大学的“精品本科课程建设”，与电子设计大奖赛的预热，做到了教学、实验、科研3个过程的有机结合。

以上方法已在本实验室的电类实验课程中运行了一段时间，并取得了较好的成果。为适应社会的多元化，从培养创新型人才的角度出发，我们将结合实际不断探索新的教学方法，使电工电子基础实验系列课程成为培养电类学生实践与创新能力的敲门砖。

参考文献：

[1]谢斌盛，邓文婷.Multisim在电类实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2009，28（6）.

[2]石媛，牟占军.浅谈高校教师教学方法的创新[J].教育教学论坛，2013，（5）.