物联网工程专业《电路与电子技术》教学改革研究

赵翠芹

摘要：针对物联网工程专业《电路与电子技术》课程教学中的一些问题，利用虚拟化技术在搭建实验教学平台方面的实际应用，把虚拟化技术引入《电路与电子技术》实验课程教学改革建设中，搭建服务器虚拟化、桌面应用虚拟化并创建客户端和数据库整体系统平台，最终创建一个《电路与电子技术》在线实验教学平台。

关键词：虚拟化技术；电路与电子技术；教学改革

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0191-02

物联网技术早已成为网络科技行业的荧屏霸主，每天都有类似智能家居、智慧城市、智能交通、人工智能、无人机、无人驾驶、机器人等等的物联网相关信息博取着人们的眼球，物联网是未来发展最具潜力的新型技术，也是IT行业研究的热点。作为物联网工程专业硬件基础性课程的《电路与电子技术》，对物联网专业的学生是一门举足轻重的课程。

《电路与电子技术》是一门实践性、操作性和应用性较高的学习计算机硬件的基础性课程[1-3]。在传统教学中，虽然课程安排有理论教学和实验教学，但在实际教学中理论教学与实验教学很难有效接洽，这使得理论学习和实践教学缺乏时效性与互动性，教学方式的灵活性和多样性也受很大限制。通过引入虚拟的交互式软件、高度集成化硬件和综合服务性桌面操作平台，拟创建《电路与电子技术》在线实验教学平台[4]。借助此平台，能够为每个学生提供一个独立虚拟机，学生通过虚拟机可以进入到一个独立的实验环境，在此实验环境中，非常紧凑的安排每个精心设计的实验，学生进行的每一项实验操作记录保存到虚拟存储中，确保实验教学的连续性和有效性。授课教师通过共享桌面，可以轻松了解那些学生做过实验，以及学生所遇到的问题，择其做出修改和评论，及时更正学生遇到的难题，力求更快地将问题解决。这样，学生无需再为聚集成堆的实验报告和晦涩难懂的理论知识束手无策了。推行虚拟技术对硬件课程的改进是一剂林丹妙药，可以使教师和学生告别满是灰尘的实验室，将工作重心转移到电脑桌面平台。既实现了教学模式的灵活性和多样化，又方便了实验教学管理，并为学生提供了不受时间、地点限制更为便捷的实验环境。同时，延长了服务器及学生机的使用寿命，降低了实验室设备耗损，减少了设备维护和管理费用，更能有效地提升了实验室管理水平和服务能力。

1 教学改革的目标及内容

物联网相关专业的实践教学具有内容覆盖面广、知识更新速度快、内容综合性强等特点，而且物联网专业的学生要求掌握高度集成的硬件基础知识和娴熟的跨平台软件编程技能。针对这些特点，各高校为了适应应用型人才培养方案、提升学生的综合实力和竞争力，需要开设更多的软件和硬件都要覆盖的专业课程，由于受总课时量的限制，相应一些基础性课程课时受到压缩，必须对这些课程进行整合处理，才能顺利完成教学目标。其中，《电路与电子技术》就是整合了《电路分析基础》、《模拟电路》和《数字电路》三门课程，课时压缩到原来3门总课时的1/3。面对有限的课时和大量的实践教学内容之间的矛盾，只能发挥学生的主观性，充分利用课余时间，使学生的学习从课堂内延伸到课堂外，从而保证教学任务的顺利完成。

《电路与电子技术》是一门实践性非常强的课程，传统课堂教学常常是理论和实践分离，学生们感到枯燥乏味，难以激发学生的学习兴趣。如何充分发挥学生在学习过程中的主动性、积极性和创造性，如何提高课堂教学效率，如何充分利用好网络信息资源，是当前高等院校深化教学改革的关键所在，而网络技术和虚拟化技术是实现这一目标的有效方式之一。虚拟化在线技术充分整合信息技术与传统面对面的教学优势，促进信息技术与课程整合，充分利用了信息技术的开放性。

2 需要解决的关键问题

《电路与电子技术》这门课，知识内容错综复杂且实验操作性，学生们总是感觉此门课程晦涩难懂、眩晕及目不暇接，面对庞大的知识体系，学生往往是望而却步的、半途而废的。针对实际教学中存在的问题，项目提供了相应的解决方案，从而有效地提高教学效果。

为了解决理论教学分散性和实践教学综合性的矛盾，可以对课程部分内容进行整合优化处理，比如电源等效定理讲完之后，戴维宁定理和诺顿定理可以简单讲解。

因受课时限制，面对庞大的理论知识体系和千头万绪的实践教学内容，仅仅依靠课堂时间很难有效地完成教学任务。为此，针对例如多节点、多网孔的节点电压方程和网孔电流方程构成的多维线性方程组的求解，可以通过该项目的虚拟化网络访问到虚拟机，借助虚拟机上的matlab软件进行方便快捷的求解，把复杂的方程组的求解过程简单化；对于电压表、电流表、受控源的使用方式完全可以采用multisim软件，进行现场操作，实现理论和实际操作的无缝衔接。

课程理论性强，理论教学比较枯燥。很多实际工程问题一旦升华为科学理论和原理，常常伴随着多元微积分式的繁杂数学公式。尤其是号称“魔鬼电路”的模拟电路部分，其三极管内载流子的电流分配关系、放大电路静态工作点和动态工作点的分析、放大电路的失真和集成运放输入和输出电阻的计算等公式较多。学生很难从教师的碎片化教学描述中理解信号的传递、变化过程，因此让很多学生望而却步，产生了厌学情绪。通过虚拟multisim软件平台，学生可以根据原理图去搭建电路，通过示波器或逻辑分析仪去测量各个节点的波形变化，从而了解电路本质。通过不断的实验验证，可以有效提高理论教学效果。

针对实践性很强的数字部分内容，比如组合逻辑电路部分的真值表、逻辑函数表达式、波形图、各种触发器电路结构和逻辑功能、时序图、状态转换图的理解，完全可以利用虚拟平台上的Quartus ii软件进行仿真，采用Verilog HDL语言描述门级描述、数据流级assign描述和行为级always描述，通过Quartus ii软件自带的vector Waveform File矢量波形文件或者采用第三方插件Modelsim SE软件进行验证，能形象直观的观察到输入和输出之间的逻辑。对习惯用c语言编写程序代码的同学，可以在虚拟平台中添加和Quartus ii软件匹配的Nios II的开发平台，从而将课程内容延伸到FPGA的嵌入式片上系统SOPC的开发，使学生所学的C语言在硬件平台进行控制，真正感觉到学有所用，给学生注入新的活力。

同样可以采用虚拟硬件平台Proteus和 Keil软件平台联合下对《电路与电子技术》课程内容进行相关的设计，实现消化理论知识与强化动手操作能力的要求。

针对《电路与电子技术》课程的特性，我们借助虚拟化技术和网络技术构建的实验教学平台，在虚拟环境中集成仿真功能，提供matlab软件、Quartus ii软件、Keil软件、Modelsim SE软件、Nios II、multisim软件和Proteus；搭建虚拟化服务器、应用虚拟化桌面并创建客户端和数据库整体系统平台。同时提供教学实验内容、步骤、教学课件、在线视频，通过此网络虚拟平台，学生可以根据自己的喜好选择软件，浏览在线教学资源，为学生的自主学习打开方便之门。

3 教学改革成果的应用及成效

借助这个平台，提高实验教学的灵活性和多样性，激发学生学习兴趣，有效提高学生的动手能力和实践能力，为学生提供一个便捷、多样的实验教学环境和实验教学平台。同时，此平台也有利于实验教学的监督、管理和评价，并能有效的降低实验设备的能耗，提高实验室的教学管理和服务水平。

参考文献：

[1] 王莉.模拟电子技术课程研究性教学探讨[J].教育现代化，2015（15）.

[2] 黄亮，侯建军，马庆龙，等.模拟电子技术故障模拟实验箱开发的创新实验[J].高教学刊，2016（1）.

[3] 刘云朋，李鸿征.基于虚拟仪器技术的USB数字电路实验系统设计[J].实验技术与管理，2015，32（1）.

[4] 潘雪涛，邬华芝，蔡建文，张美凤，孟飞.以设计性实验为导向的电力电子专业EDA实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，33（11）.