运用虚拟仿真改革以CDIO工程教育理念为基础的电子实习教学

龙英文+王敬华+章伟+余粟

摘 要 针对以CDIO工程教育理念为基础的电子实践环节中的不足，通过引入虚拟仿真环节，对电子实习教学模式和考核方法进行改革，注重学生对基础知识的理解和灵活运用，并在此基础上引导学生培养创新能力，教學实践证明效果良好。

关键词 电子技术；CDIO；虚拟仿真；教学改革

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）16-0053-03

Abstract According to the defects of conventional electronic prac-tice teaching on the basis of CDIO Engineering Education Idea，refor-mation and practice of teaching way and evaluation method were made by introducing virtual computer simulation， which focusing on better understanding and skillful using of basic knowledge. Further-more， innovation spirit and innovation ability of individual student can be aroused better. Satisfactory teaching results have been provedby practice.

Key words electronic practice； CDIO； virtual simulation； teaching reformation

1 引言

电子技术是上海工程技术大学非电类专业学生的一门公共基础实践课程。电子技术实验课程不仅可以巩固学生课堂所学的部分基础知识，而且有利于培养学生工程实践和创新能力。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）模式，即“构思—设计—实施—运作”模式，其在电子实习教学中得到广泛应用[1-6]。上海工程技术大学工程实训中心也通过开展CDIO模式的电子实习实践，不仅强调学生对电子技术、电工技术等课程基础知识的复习和掌握，也注重在基本技能训练过程中培养学生团队协作和创新精神[2]。它通过项目的构思设计和实施运作，将学生的整个课程体系有机地结合起来，从而达到知识的系统学习和工程实践能力的全面提升。

2 电子实习教学改革前存在的问题

学生在课前预习率不高，导致自学能力提升不足 实习学生在实习上课前都会分到电子实习教材，大多数学生没有对教材进行课前预习。在电子实习期间，教师在实训教室对实习教学进行讲解，学生基本上被动听课。在实习过程中，学生完全听从教师的安排，不少学生缺乏主动性和积极性。如果学生课前进行课前预习，会带着些疑问进行听课和动手实验，这样课堂收获会更大，并在此过程中培养自学能力。

教学内容陈旧，教材和实习内容很多年没有发生变化，不能很好地适应社会需求 电子实习项目内容只包括直流稳压电源的焊接和调试，该实习内容应该属于20世纪90年代的直流稳压电源的做法，属于市电不控整流AC/DC变换，功率因数很低，该架构在实际应用中已经很少采用。实习的内容陈旧，不能有效涵盖电子技术、电工技术等教材的知识点。如核心的负反馈电路、运算放大器等其他重要的知识点，没有涵盖实验项目。

教学过程中理论和创新方面互动环节偏少 目前在实习过程中，学生和实习教师互动环节很多，但涉及理论和创新方面的很少。在实习过程中，不少学生对电路原理不是很理解，关心的重点就是要如何把实验结果给做出来，对电路工作原理是什么，如何对其进行改进，他们很少关心，造成实践教学效果有欠缺。

学生考核内容不科学，不能很好地反映学生对知识点的掌握、运用和创新能力 目前学生实习成绩包括考勤、实验完成情况和实习报告三大块，不能客观体现学生对知识点的理解能力和创新能力。由于实验是分组进行，学生人数较多，实习教师工作量大，不可能正确评价每个学生在实习中的表现，可能会存在滥竽充数的问题，出现不努力的学生通过一份好的实验报告，就有可能获得好的成绩等不合理现象。

3 教学改革与实践教学模式介绍

根据之前电子实习环节出现的问题，立足学校实际情况，通过引入虚拟仿真环节，对以CDIO工程教育理念为指导的电子实习教学环节进行教学模式的补充与完善，加强学生主动性，增加知识点运用及创新互动环节，培养适应新时期社会需要的创新型人才。具体的教学改革措施与实践情况如下。

1）建立以服务学生、引导学生创新为目标的教学模式，通过在实习前让学生使用MATLAB、Saber、PSIM等计算机虚拟仿真工具进行仿真模拟，提前模拟做技术工作所需要的工作步骤，加强学生对基础知识的理解，并在此基础上引导学生独立思考，培养他们进行自主学习的能力，适应社会需要。

首先要求实习教师树立服务引导学生的教育理念，改变填鸭教学模式，在实习前依据CDIO工程教育理论，注重对学生电子实习课前的预习任务进行安排，增加课前仿真预习环节作业。指导教师教授学生使用合适的仿真软件，学生通过使用MATLAB、Saber、PSIM等虚拟仿真工具进行电子原理图仿真模拟。这样一来，学生通过计算机虚拟仿真环节，对实验中需要手动搭建的原理图已经有了很好的认知。教师在实验过程中可以帮助学生有针对性地提出问题，帮助他们掌握电子实习原理图的工作原理。

2）电子实习过程中采用学习、仿真、实验、创新实践教学模式，帮助学生有效理解和运用知识，进而产生知识创新的能力。将电子实验教学模式进行改革与创新，实施过程分解为学习、仿真、实验和创新四个主要阶段。endprint

学习主要包括课本知识的学习与理解以及介绍仿真的作用，在这个阶段包括教师课堂讲授和学生课前课后学习等。实习教师需要给学生讲述电子技术的应用范围及发展趋势，并带领学生参观之前学生进行电子实习的优秀仿真及作品，激发学生对电子知识的兴趣。

仿真主要是在搭建仿真电路及仿真调试的过程中帮助学生更好地理解和消化知识点。这个阶段要求学生分组进行仿真练习，实习教师主要引导学生逐步掌握电路模块的调试和诊断能力，在学生仿真过程中引导和启发他们在元器件损坏、线路连接不良等条件下，对可能会出现的问题进行仿真分析和分组讨论，增加互动环节，帮助学生对常见电路故障进行分析，在实验时遇到问题和困难都可以很快解决。该阶段有助于培养学生分析和解决问题的能力。

实验主要是通过实际操作环节完成上机实验，并获取正确的实验结果。在这个阶段，实习教师要引导学生结合仿真和实验结果进行比较，对于仿真和实验结果可能会出现的偏差进行分析，这样有助于增强学生工程实践的概念。

创新主要培养学生创新知识的能力。实习教师通过提出一系列创新项目，对学生进行项目引导，学生自由组队、分工合作，共同完成创新项目的原理图设计、仿真验证及优化、电路焊接和性能调试，达到或超过项目目标。这个阶段注重发挥学生的创造性，学生根据项目的任务要求，自拟方案、自主设计、独立调试，实习教师只是启发和引导他们，同时在小组碰到难题时提供必要的帮助与支持。

3）利用虚拟仿真拓展实验不具备的项目内容，引导学生对关键知识点进行仿真，强化学生知识点的掌握和理解能力，并在电子实习教学课程完成后增加创新设计环节。在电子技术、电工技术等课程中核心知识点很多，对于在电子实习中没有涉及的知识点，引导学生对其进行仿真，并同时提供一些已经完成的仿真程序，可以让学生更直观地了解电路工作原理，拓宽、加深对知识点的理解，避免出现以往死记硬背、考完试就忘记的现象。对于没有纳入电子技术实验又非常重要的知识点，如运算放大电路比例积分负反馈、一阶暂态电路瞬态分析等内容，也要求学生进行虚拟在线仿真，加强对知识点的理解。并在此基础上让学生进行难度较大的仿真，增强他们掌握运用知识点的本领，进一步提升创新能力。

4）建立大学生创新工作室，为学生继续开展项目研究提供硬件保障和技术支持。在完成电子仿真及实验后，不少优秀学生的创造力被激发，他们表达了类似的愿望，希望对电子实习内容进行进一步的项目拓宽及技术探索。为此，工程实训中心建立大学生创新工作室，聘请有经验的教师作为学生导师，为学生在课外项目方案确定、仿真评估、实验验证过程中提供必要的技术指导和帮助。同时，工程实训中心全力支持大学生创新项目的实施。

5）针对优秀的学生，鼓励他们参与教师科研项目，进一步提升技术能力。对于在电子实习中表现优秀的学生，工程实训中心教师根据每个学生的特长，让他们分工合作，共同承担一部分教师的科研任务，主要包括资料查阅、原理图绘制、电子元器件封装制作、仿真模型搭建、电路调试、数据测量等内容。这样可以更好地开阔学生的视野，较好地培养学生的团队意识，拓宽学生的知识面，激发他们的潜力和创造力。

4 教学效果

通过学生仿真和实验报告、调查问卷、师生座谈和大学生创新项目等形式，了解到进行电子技术实习教学改革尝试之后，广大学生普遍感觉受益匪浅，主要表现在以下几个方面。

个人自学能力明显提高，对知识点的理解更加透彻 之前在课堂上学到的理论知识，到了电子实习阶段，不少学生已经忘记很多。为了完成电子实习仿真作业，团队成员前期必须翻看之前课本教材，查阅仿真技术资料，搭建仿真模型及进行仿真分析，通过虚拟仿真可以帮助他们有效理解、掌握相关知识点，掌握技术研究仿真模拟算法，提高运用电子知识的能力。

采用仿真技术有效提高电子实习效率 前期仿真学生花费的时间虽然较长，但主要是占用他们的课前课后时间，学生在自己搭建仿真电路并进行仿真调试的过程中，已经对电路工作原理有了比较清晰的认识，后期手动焊接电路调试阶段的时间大大缩短，提高了电子实习效率。

增强学生创新能力 不少学生在实习报告心得体会一栏写到实习的最大体会，就是学习了如何掌握电子知识的正确的学习方法。仿真对电子实习帮助很大，通过增加虚拟仿真等环节，使得学生可以更好地理解目前实验室不具备的实验项目，使得他们采用虚拟仿真等手段对感兴趣的项目进行仿真分析，这也激发了他们的创新能力。不少学生在实验报告后续项目中列出不少新颖的提案，也有不少学生建议把仿真提前应用于之前的电子技术和电工技术的教学中去。

培养学生团队合作精神及沟通能力 电子技术实习过程中由于任务繁重，学生需要进行分组实验。在实习过程中如何搭建仿真模型，如何进行参数调整及模拟异常情况，以及后续的动手实操环节等，都需要组内学生共通讨论、分工合作，一荣俱荣，一损俱损。每个学生要发挥自己的作用，做好自己的工作内容，其中任何一个环节出现失误，都会影响到小组成绩。为了保证实习的正常进行，需要学生发挥主动性，除了完成自己的工作，对于组内其他学生在工作中出现的问题都要及时提供帮助，在这个过程中也无形地培养了学生的合作精神和沟通能力。

5 结语

通过引入虚拟仿真环节，应用在以CDIO工程教育理念为基础的电子实习教学中，对电子实习教学模式和考核方法进行改革，增加课前预习仿真作业，重视仿真对实习过程的理论指导作用，通过仿真加强学生对基础知识的理解和灵活运用，并在此基础上拓宽学生的仿真范围，进而引导学生培养创新能力，有效提高了电子实习教学的质量，增强了教学效果。

参考文献

[1]任喜伟，张震强，闫红超.基于CDIO理念的电子实习实践教学改革探究[J].黑龙江教育：高教研究与评估版，2016（4）：16-17.

[2]汪敬华，赵春锋，等.引入CDIO工程教育理念的电子实习教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2012（30）：132-134.

[3]孫立辉，王海彪.CDIO教学模式下电子实习教学改革与实践[J].教育与职业，2014（35）：132-133.

[4]刘美华，李建明，屈喜龙.基于CDIO项目教学法的电工电子实习改革与实践：以湖南工程学院为例[J].湖南工程学院学报：社会科学版，2014（4）：103-106.

[5]陈新兵，谢斌盛，龙晓莉，等.CDIO理念下的电工电子实习教学设计[J].中国电力教育，2014（36）：195-196.

[6]施向军.CDIO模式下的实习产品开发：以电子技术应用专业为例[J].科学大众：科学教育，2014（6）：99.endprint