无课堂自主学习模式在电工电子实验教学中的实践

张文正

(安徽三联学院 基础实验教学中心，安徽 合肥 230601)

随着“新工科”“智能制造”等概念的提出，国家对高校应用型人才培养方式提出了更高的要求，作为应用型人才培养的摇篮，各高校的人才培养体系也在不断改进与完善。实验教学是高校实践教育的第一平台，是人才培养方案中的重要组成部分，也是教学体系中的重要环节，更是培养学生实践和创新能力的重要手段[1-2]。各高校由于学校的定位和特点不同，在实验教学的内容和方式上又会有所不同，其教学模式的改革和创新面临着很大的困难。加上由于实验教学本身受课时、场所和设备的限制，所有高校实验教学都面临着学生无法在课堂以外有效地获得实验相关能力和知识的问题。实验教学受到了时间和空间的双限制，因此，为了推动高校实验教学改革，提升学校应用型人才培养能力，在高校的实验教学中融入新的教学模式，是每一个从事实验教学相关工作的老师都必须思考的问题。

1 现有高校实验教学模式存在的问题分析

1.1 教学内容方面

在高校人才培养体系中，实验教学是不可或缺的一环。实验教学直接关系到学生实践和应用能力的培养，关系到学生能否成为一个合格的应用型人才。就目前情况看，我国大部分高校的实验教学普遍存在的情况是实验课程的设置具有一定的合理性和系统性[3]，但教学内容比较陈旧，传统实验项目较多，课程内容更新明显滞后，缺乏与时俱进的时代性。而且大多数高校实验教学的课程体系也比较单一，一般都是围绕固定的学科和专业进行实验教学设计，缺乏对新领域、新技术、新理念的跨学科交叉融合[4]。这样的情况下，老师的授课内容很容易脱离工程实际，学生的学习也容易缺乏相应的工程实践，无法满足现阶段高校应用型人才培养体系的需要。

1.2 教学方法方面

在教学方法方面，以安徽三联学院(以下简称本校)电工电子实验教学为例，传统的实验教学依然采用教师在课堂上讲授实验相关理论知识，然后演示实验操作过程，学生进行实验操作，最后在课后撰写实验报告[5]。这种传统的实验教学模式，学生虽然能得到一定的锻炼，但教学仍以老师为主，学生参与度并不高，没有充分发挥学生的主观能动性，学生在实验教学的过程中都只是被动参与，缺乏主动思考，更谈不到探究与创新能力的培养。这种实验教学模式严重制约了高校实验教学的发展，无法满足新形势下人才培养的要求。

2 开展电工电子实验教学无课堂自主学习模式的必要性

电工电子技术是现代科学技术的基础，广泛应用于人民生活的各个方面。电工电子技术理论已经趋于成熟，涵盖了电路原理、模拟电子技术、数字电子技术等电学基础知识体系。电工电子类课程是高校教学体系中的重要组成部分。电工电子实验教学与理论教学相辅相成，是电工电子理论课程的实践支撑，也是理论知识应用的平台[6]。同时，实验教学也是培养学生实验探究能力和创新能力的重要环节。因此，为了适应新形势下人才培养的需求，我们应该对电工电子实验的教学模式进行多方位的思考。

以本校电工电子实验教学为例，在传统的教学模式下，学生很少会去主动反思实验课程的内容和方法。而且由于实验课时较少，实验课程又受实验场所和实验设备的限制，不论是时间上还是空间上都极大地限制了实验教学的发展。老师的教与学生的学都只能在传统的实验室和实验课上完成，使得老师“教”得不够透彻，学生“学”得不够深入。针对电工电子实验教学传统模式中的各种问题，通过选定合适的虚拟仿真软件，构建学生自主学习模式，能够充分调动学生实验学习的主动性[7]，提升学生探究和创新的能力。同时，在无法正常开课的情况下，还可以作为备用的教学手段，辅以线上课程的知识讲解，利用无课堂自主学习教学模式，实现线上实验教学。

3 构建电工电子实验教学无课堂自主学习模式

3.1 构建基于Multisim的实验仿真环境

电工电子实验教学中常用的仿真软件有LabVIEW、Multisim等。LabVIEW是一种虚拟仪器技术，通过虚拟仪器代替传统实验仪器中的设备元件，可以构建虚拟实验环境，同时还具备网络发布功能，用户可以进行网络测控，还能够实现基于网络的虚拟实验环境的远程控制。但LabVIEW最大的不足是其无法对电子电路进行仿真，限制了它的适用范围，因此无法完全满足电工电子实验教学的需要。而Multisim在电工电子教学中也是常用的一款经典仿真软件[8]，可以仿真电工电子各种电路，不受电路限制。但Multisim只是单纯的仿真软件，没有网络发布功能，不能实现网络测控和虚拟仿真环境的远程控制。两种软件各有优劣，只能根据实验教学需求进行选择。

本研究选择Multisim作为仿真引擎是因为如果要搭建更高水平的虚拟仿真实验平台，那么仍解决不了传统实验教学空间限制的弊端，这样对学生的硬件设备和计算机水平都要求较高，学生还是要依靠学校的虚拟仿真实验室才能实现。虽然这个方向是目前实验教学研究的大方向，可如果遇到疫情这种无法开课的情况，既不利于开设线上实验教学，也不利于学生课下的预习和复习。所以将Multisim作为仿真引擎，学生可以方便地在自己的电脑上安装软件，然后辅以线上的实验课程教学资料进行实验仿真，既可以方便地得到实验仿真数据，又可以完整地接受实验知识。最后，制定相应的考核体系，实现学习、仿真、考核为一体的无课堂自主学习模式。

3.2 设计基于Multisim的虚实结合的教学模式

构建一个基于Multisim仿真软件的无课堂自主学习模式，利用学校网站相关实验学习资料和学生手里的实验教材，使得学生在课前、课后都能很好地学习和拓展电工电子实验知识。学生不仅能够更好地预习实验课程相关内容，也能自主学习、拓展和衍生相关的实验知识，从而更好地掌握电工电子电路的优化设计方法，培养学生对新知识、新技术的实践研究及应用能力。同时，合理的考核体系还可以对学生的学习进行有效的掌控。

结合电工电子实验课程的特性，依靠大多数大学生有一定的自主学习能力的特征，设计一种电工电子实验教学无课堂自主学习模式(图1)。此模式主要包括“课堂集中教学、课后分散实践”两大核心内容。课堂集中教学是指在电工电子实验课程规定的学时内进行传统的实验内容教学，让学生对整个实验内容有个全面和深入的认识。课后分散实践则是指学生在实验课前、课后分散自主学习，在课外，学生可以在学校网站上预习相关实验内容，实现课前预习，熟悉整个实验的大致内容和流程。对于疑惑不解的内容，学生还可以通过Multisim软件仿真数据验证实验结果，充分理解和掌握实验内容与知识。在设计性和综合性实验项目中，可以通过软件仿真对比、总结，获得更优的实验设计思路，以便在课时有限的实验课堂上更好、更快地完成实验内容。同时，电工电子实验无课堂自主学习模式可以成为实验课程线上教学的备用手段，在一定的条件下实现线上实验教学、模拟仿真、考核为一体的新型教学模式。此外，基于电工电子传统实验教学内容，可以在网站上发布相关实验的基础学习资料(如实验指导书、教学PPT等)。如有条件，发布相关实验视频教学内容，便于学生自主学习。

图1 无课堂自主学习模式

3.3 电工电子实验无课堂自主学习模式的作用

3.3.1 加强实验预习

现阶段高校实验课程的预习，大多数要求学生在上实验课之前，预习实验指导书上相关的实验内容，然后写预习报告，这样做的目的是让学生在实验课前熟悉实验基本内容。但仅仅只是看看书，写写预习报告，学生无法真正理解实验内容，从而导致学生对实验课上的实验过程和结果很茫然，课后撰写实验报告也无从下手。开发无课堂自主学习模式，学生可以在基础实验教学中心网站上找到预习的知识讲解和教学资料，先进行实验理论知识的自主学习，在遇到理解困难和茫然不解的问题时，学生可以通过Multisim来完成实验的仿真。通过对实验电路的搭建和运行，使学生初步理解实验的原理，再通过仿真的结果和数据，加深对实验的理解。如在仿真结果及仿真过程中出现一些不太理解的问题，带着问题来实验室进行硬件实验，一是可以直观观察仿真软件中所有电子元件的实物，二是根据仿真软件的仿真过程和数据操作实验加以比较，进而发现问题、解决问题，引发拓展性思考。

3.3.2 建立实验互动关系

实验课堂教学内容可以与课下自学仿真内容相互结合，形成一种互动关系。在传统的实验教学课堂上，老师详细讲授实验相关理论知识和实验操作方法，学生在老师的指导下利用实验设备完成实验学习。在讲授的过程中，对于那些课堂讲解费时费力的教学内容或拓展性的知识点，老师以相关习题和思考题的形式布置给学生，学生在课后可以通过Multisim软件仿真自主拓展学习。在自主学习的过程中，会引发学生的自主思考、自主探索研究，使得学生可以注意到在实验课堂上那些被忽略的实验现象与问题，加深对实验知识的理解，积累实用性的拓展知识和经验，引导学生把理论与实践结合起来，建立一种老师与学生、课上与课下的良好互动关系。

3.3.3 实践与创新能力的拓展

对于实验教学中的一些综合性实验和设计性实验，老师可以在课前布置任务，让学生根据实验相关知识和原理，利用Multisim仿真软件进行电路设计仿真，根据仿真结果进行分析，得到最优的电路设计方案。然后，在实验课上对自己的设计方案进行验证，进而提高学生分析问题和解决问题的能力，掌握电路设计的一般方法，拓展学生的思维能力和实践创新能力。

4 无课堂自主学习模式在电工电子综合实验中的实践

4.1 实验项目——直流稳压电源的设计

直流稳压源是电子电路及仪器设备中不可或缺的元件，设备的正常工作都需要稳定的直流电源供电。单相交流电经过电源变压器降压之后进入整流电路，对降压后的单项交流电进行整流，使交流电压转换为直流电压，然后滤波电路对整流后的直流电压滤波，目的是减小电压脉动使输出电压平滑，最后稳压电路再对其进行稳压，使输出电压获得足够高的稳定性。直流稳压源就是基于这一原理设计制造的。

4.2 电路设计框图

设计的电路框图见图2。根据直流稳压源的原理，直流稳压源主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。在电子电路中，对直流稳压源最后的输出电压要求极高，因此稳压电路的设计尤为重要。

图2 电路设计框图

4.3 稳压电路的设计方案选择

稳压电路又分为稳压管稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压器稳压电路(图3)。由于课时有限，学生在实验课上不可能验证所有稳压电路的稳压效果。通过无课堂自主学习模式可以在课前进行实验预习与实验仿真，利用Multisim软件对几种稳压电路依次进行仿真，验证稳压效果，选出合理的稳压电路设计，在实验课中进行实际电路验证。

图3 稳压电路

(1) 稳压管稳压电路数据处理

稳压系数S的计算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次实验数据得S≈2.4%。

(2) 串联型稳压电路数据处理

稳压系数S的计算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)，代入本次实验数据得S≈1.1%。

(3) 集成稳压器稳压电路数据处理

稳压系数S的计算公式S=(ΔUo/Uo)/(ΔUi/Ui)ΔUo，代入本次实验数据得S≈0.3%。

通过3种不同的稳压电路的输出电压波形图和数据处理结果可知，不同类型的稳压电路，稳压系数不同，稳压效果不同。通过Multisim仿真，可以根据设计要求合理地设计直流稳压源的稳压电路，选择最优设计方案。这在传统实验课上和有限的课时内是没有足够的时间进行稳压电路的设计分析的，所以学生利用无课堂自主学习模式可以更好地预习实验课程相关内容，也能进行自主学习，拓展和衍生相关的实验知识，从而更好地掌握电子电路现代化设计方法，培养学生对新知识的掌握及应用能力。

5 结 论

本文主要是基于Multisim虚拟仿真软件构建无课堂自主学习模式。在电工电子综合实验中，应用Multisim虚拟仿真软件，不仅可以对实验项目进行预习，也可以通过Multisim虚拟仿真软件的仿真结果，得出最佳的实验设计方案，还可以作为实验课程辅助教学手段，使得学生在课前课后都能进行实验知识的学习，获得实验能力的培养，有效解决传统实验教学“时间”和“空间”的限制问题。