基于虚拟仿真的电路实验教学改革方案探索

胡维++张方樱

摘 要： 文章根据广州大学现有电路实验教学的实际情况，提出了虚拟仿真电路实验教学改革的探索，提出了虚拟仿真实验平台的搭建方案，以及逐步应用于实践教学的方法，并对教材的编写和团队建设进行了探讨，为虚拟仿真电路实验教学提供了改革的总体框架。

关键词： 虚拟仿真 电路实验 立体化 实验教学改革

1.引言

电路实验系列课程（以下统称为电路实验）包括：电路实验、电工与电子技术、电路基础实验、电工电子学实验，是高等学校电类、非电类各专业的技术基础课程。目前国内大中专院校绝大部分仍然延续传统的实验方式，即在教授理论知识的同时，根据课程设置，延后一段时间进行实验的验证。显然，这种实验安排方法造成了实验验证落后于理论教学的进度，特别是工科专业较多的学校，由于实验时间安排的限制，甚至出现实验课提前于理论知识的情况。学生在实验过程中无法获得实验的感性知识，理论—实验—认知这一传统的教学模式被割裂的同时，也不利于知识的吸收、转化。

虚拟仿真实验允许学生在网络虚拟环境中进行实验，不依赖于具体的实验室和实验仪器，克服了以前实验教学中受到实验时间、场地、器材限制等弊端。同时由于学生操作具有不可预知性，教师在开发和指导实验时都需要预知可能出现的问题，这对教师教学方式的变化和教学能力的提高都有着积极的作用。

虚拟仿真技术的发展，为现存的理论与实验教学的矛盾提供了很好的解决方案。国内部分高校的电路实验课程加入了软件仿真实验项目，有利于学生对电路基础理论和实验验证的理解吸收。为此，本项目旨在探索将虚拟仿真技术引入电路实验的教学，将“课程+实验”的理念引向深入，创建“理论授课—虚拟实验—实验室教学”融合的高校实验教学新模式，最大限度地共享实验资源，降低实验成本，提高实验的使用效率，并在此基础上，进行实验教学方案的初步推广试行。

2.存在的问题

据2012年全校本科专业人才培养计划，广州大学校内现有三个学院八个专业四门课，年均292个学时，共14000人机时数电路实验。可以说电工学基础实验是培养相关专业人才的基石，但由于历史及其他各方面原因，我校目前电类实验存在以下几方面的问题：

（1）由于经费有限，加上近几年专业的扩招，部分班级的学生人数甚至超过50人，导致实验室的硬件跟不上，仪器设备陈旧老化且数量不足（影响了正常实验教学的开展，进而影响了实验教学质量）。

（2）传统的实验教学模式，受到实验时间的限制，造成学生动手实验的时间不够，虽然可在课后预约开放实验，但受到实验场地的限制，无法完成。因此，部分学生为了在正常教学时间内完成实验数据，抄袭他人实验结果。

（3）传统实验教学受到实验器材的限制，严重落后于理论教学和科研的发展。

（4）在学校扩招这一大环境下，功能实验室的设备数量无法满足教学大纲所要求的一人一套设备等条件，使得部分实验必须将一个自然班分成几个组进行排课，大大影响了教学效果，也不利于教务部门的教学管理与监督。

（5）综合设计性实验，受到实验器材、实验设备的限制，无法达到教学大纲规定的实验教学质量。

基于以上考虑，本章旨在探索将虚拟仿真技术引入电路实验的教学，一方面，最大限度地共享实验资源，降低实验成本，提高实验的使用效率，有利于实验设备的更新，另一方面，学生可以突破时空的限制在计算机上完成各种实验，获得与真实实验一样的体会。

3.虚拟实验改革的实施方案

广州大学实验中心电子信息实验室在《电路实验》平台课程的基础上，提出了虚拟仿真电路实验的改革方案。首先选取了“基尔霍夫定律的验证”、“一阶电路过渡过程的研究”两个典型的电路实验，在大学一年级电类专业学生试运行，得到了第一手资料，在此基础上，根据原有电工实验台的参数，编写了与之对应的虚拟仿真实验指导书和电子课件教案，对一些关键项目提供了DV视频。随后在学校电工平台课程的教学大纲中，将原有“电路仿真软件入门”实验调整为虚拟仿真相关实验，并最终将虚拟仿真实验推广至所有电类、非电类专业，直至电类选修课。

（1）虚拟仿真实验平台的应用。跟相关公司合作，提出了适合本校电路实验仿真的典型案例，并将所搭建的虚拟仿真实验平台逐步在低年级学生中推广。首先挑选了基尔霍夫定律的验证、一阶电路过渡过程的研究两个实验，在14级电信专业大学一年级下学期的《电路实验》中进行测试。广州大学电信专业14级有四个班，共计180余人，其中参与了《电路实验》虚拟仿真实验的约120余人。在进行对应的实物实验之前，实验教师安排了学生进行实验内容的预习，并提前一个星期进行虚拟仿真实验的学习和试做。在实物实验的前两天，实验教师查看虚拟仿真实验结果并进行分析，了解了学生在实验内容方面的难点和错误之处，并有针对性地讲解。在实物实验过程中，实验教师普遍反映，学生对实验内容的掌握程度较之以前更好，进行实验的速度更快，实验纠错能力也有一定的提高。

在本学期，广州大学将购置《电路实验》虚拟仿真平台，并在15级电信专业、电子专业中全面展开，为基础实验提供新的思路和方法。

（2）立体化实验教材的编制。为了加强虚拟仿真实验与实物实验的相互结合与促进，作者致力于进行虚拟仿真实验教学教材编制，编写了与原有实验台和元器件参数相关的虚拟仿真实验教材，并在虚拟仿真实验的学生中进行了适用，对虚拟仿真实验的推广起到了一定的作用。

新编写的虚拟仿真实验教材力争内容和形式的立体化，具体包括以下内容：

内容立体化：研究已学课程和后续课程内容和定位，融入进阶提高和未来课外创新等需求，激发学生学习兴趣，编入了部分在实验课程中无法进行的提高实验，比如对二阶电路动态响应特性实验，加入了RLC串联、并联，并观察电感电流的暂态响应的实验；

形式立体化：充分利用信息化技术和现代教育技术，编制了包括纸质教材、PPT、典型环节演示的DV视频、PC操作演示屏幕录像，网络课程等各类教学资源，方便学生自主学习。

（3）虚拟仿真实验教学团队建设。考虑到核心教学团队的建设和相关培训问题，在此基础上形成定期培训、交流参访的机制，确保团队建设稳中有升；定期举办教研会议，邀请专家或厂家专题讲座，鼓励相关老师外出培训和进修，持续改善教学内容、教学设计与教学组织方式，为教学改革的推行提供了可靠保障。

4.结语

本文章针对目前电路实验教学亟待解决的问题，提出了利用虚拟仿真实验平台，高效管理实验教学资源，实现校内电路实验教学资源共享的方案，并在14级电信专业学生中试行了《电路实验》虚拟仿真实验。基于这些初步的探索，探讨了电路这一系列实验教学改革的路径。

研究表明，可在建立虚拟仿真实验平台的基础上，根据高校电路实验教学实际情况，逐步在电类专业推行虚拟仿真实验与实际电路实验相结合的教学模式，并且编写立体化实验教材，指导学生课后、课外的预习、复习及创新实践。由此提高了学生对实验内容的掌握程度、实验纠错能力，加快了实验进行的速度，实现了“理论—仿真—实物实验—验证理论”的良性循环，增强了实验教学的效果，有利于促进学生提高实验兴趣，强化科研创新能力。

本文提出的改革方案具有实用性、可行性和可操作性，适用于各大中专院校，特别是工科专业较多学校的实验教学改革。

参考文献：

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[4]茅云杰，董亚波，朱淼良.数字电路网上虚拟实验实时连续仿真技术[J].计算机应用与软件，2007，11：68-70.

资金项目：广州大学2014年教研项目（JY201431），广州市教育科学“十二五”规划第三批课题（2013A038，2013A060），广州市市属高校科研项目（1201420679，1201420871）