基于虚拟仿真的数字电子技术教学模式开发＊

白曦龙，王迎辉，卢振生，杨 倩，唐红霞，王九龙

（绥化学院电气工程学院，黑龙江 绥化 152061）

2016 年1 月18 日，习近平总书记在十八届五中全会中指出了“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念[1]，并在一带一路合作高峰论坛中强调：“我们要促进科技同产业、科技同金融深度融合，优化创新环境，集聚创新资源。我们要为互联网时代的各国青年打造创业空间、创业工场，成就未来一代的青春梦想。”而新工科的内涵正是为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、《中国制造2025》等一系列国家战略[2]。绥化学院作为地方应用型本科院校，具有服务地方，立足于地方性、应用型、开放式、国际化的办学定位，同时制定厚基础、强应用、养德性、善创新、高素质的培养规格[3]，均符合新工科人才培养理念，“数字电子技术”是电子信息工程专业的核心基础课程，为后续的“单片机原理与接口技术”“DSP及传感器原理”等课程的基础，而传统的数字电子技术教学模式具有知识面固定、教学内容老化、教学方法单一以及实验教学成本高等弊端，无法满足我国新时期新工科建设的具体实际教学要求，即同时适应当前行业产业发展的变化和满足未来行业产业发展的需求。基于此，本文为了响应“新工科”的教学背景，设计并开发了基于虚拟仿真的数字电子技术教学新模式。

1 虚拟仿真技术的优势分析

为提高新时代背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平，教育部从2017年起开展示范性虚拟仿真教学项目，利用线上+线下相结合的教学模式扩展学生的知识层面、增加学生的学习资源、提升学生与教师的互动能力，虚拟仿真技术可以依赖于网络云端的教学资源，有利于教学资源协调建设、高效管理与应用[4]。在资源共享的平台上，有助于提高教学质量，促进高校之间、校企之间协调发展，实现“产出导向”的培养模式，数字电子技术中涉及成本较高的耗材时，学生可采用仿真平台，通过模型建立、参数选择以及仿真计算等过程，在了解芯片电路工作机理的同时，还了解了软件和平台的应用，润物细无声中拓展了学生的知识，激发了学生的学习兴趣。

2 教学模式的开发

在经典的建构主义中，教师的讲解并不是学生学习知识的有效渠道，通过学生在错综复杂的政治、社会、经济及文化背景下，教师作为学生学习的辅助资源，学生自主有效地借助社会中的学习资料和资源，通过意义建构的方法捕获工作中所需的知识与能力[5]。而虚拟仿真教学技术的特性和优势恰好有利于实现建构主义学习理论中的四要素，即“情境”“协作”“会话”“意义建构”，其中情境对于理工科数字电子技术中抽象的学习显得尤为重要，集成芯片由上万个甚至上亿个电子元器件构成，结构相对机械零部件更加复杂，不同集成芯片的工作原理更是各不相同，且在工作上存在较为复杂的连带关系，为此如何运用虚拟仿真技术开发和实现有效的教学情境可以增进学生数字电子技术的理解非常重要。

为真实体现复杂芯片结构在工作过程中情境的真实有效性，在教学设计中需规范情境所包含的知识，同时更应该增加知识在生产生活中的运用场合，增加其与应用型本科教学的契合度，虚拟仿真技术兼有技术实现的真实存在感和良好交互特性，将其结合三维动画技术、先进的生活性、发展性教育理念，鼓励学生在虚拟仿真学习情境中进行探究、训练和体验，通过人机交互的方式加深对数字电子技术中抽象复杂知识的应用理解[6]。在认知心理学的教学范畴内，将学生所学的知识分为陈述性和程序性，对于大量内容为陈述性知识的数字电子技术而言，需要虚拟仿真平台具有较高的拟合度，因此基于虚拟仿真技术的数字电子技术教学中更应完全遵循科学的客观规律因素，即应该合理运用物理引擎、选用合理的仿真平台，针对性地模拟数字电子技术在现实中的客观规律，从而准确、高效地把知识在真实中运用的方式呈现给学习者。基于以上对虚拟仿真技术与教学方法的研究，本课题小组所设计的教学策略如图1所示。

图1 虚拟仿真教学策略设计

3 与传统教学的比较

利用本项目组开发的教学模式，数字电子技术课程包含48 学时线上学习和32 学时教师线上+线下指导，对比三个年级采用传统教学模式与“基于虚拟仿真技术的数字电子技术教学模式”的学生学习成绩进行分析，其统计表如表1 所示，其中2017 级同学采用传统教学模式授课，2018 和2019 级同学采用“线上+线下混合式”教学模式进行授课。

表1 不同年级考试成绩统计表

通过以上三个年级学生成绩对比分析可知，其中2017级同学采用传统教学模式，2018 和2019 级同学采用“基于虚拟仿真的数字电子技术”教学模式，本项目组所开发的新教学模式不仅提高了优秀学生占比，同时降低了不及格学生比例，总体学习成绩和积极性得到了明显提升，同时提高了班级的平均成绩，为后续学生学习单片机原理与接口技术、DSP以及传感器原理等专业课打下了坚实的基础，通过以上教学实践课充分说明：本项目所开发的教学模式能够有效促进学生整体知识水平的提高，对班级平均成绩的提高和不及格率的降低具有显著效果。本教学模式克服了传统教学中存在的问题，对应用型本科院校电子信息工程专业中数字电子技术的教学改革具有一定的促进意义，为满足新时期的信息化教育注入新活力。