虚实结合的《模拟电子技术实验》教学模式改革

卢娟，贾永兴，许凤慧，龚晶，倪雪

（陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京）

一 引言

当前教育部“新工科”背景下的人才培养给电类基础实践教学带来新的要求，一是培养模式调整，对学生岗位任职、职业发展等提出了更高要求，具有支撑作用的电类基础实践教学体系迫切需要加强；二是教学模式改革的迫切需要，由于培训规模增加和实践教学时间、场地不足，利用信息技术打造线上线下虚实结合的实践教学模式，拓展实践教与学的时间和空间，成为实践教学改革的必然趋势[1]。

模拟电子技术课程是电子、通信等专业的一门重要的专业基础课程，存在教学内容多、学时少的突出问题，尤其是随着院校教育转型的需要，专业基础课程理论和实践学时量都在不断压缩，如何在有限的学时量、有限的课堂实验教学时间内，合理设置演示认知型、基础验证型、综合设计型实验比例，使学生快速掌握基本实践技能，真正具有工程意识，有效培养实践创新能力，保证人才质量的培养，一直是本课程实验教学改革的重要内容。

虚拟实验的引入使得《模拟电子技术实验》教学以最直观的方式让学生见到实验现象，帮助学生以最有效率的方式理解课程学习中遇到的各种理论知识，最快速地帮助学生将自己的创新性设计从想法阶段过渡到实验阶段，以最接近真实的实验过程验证学生设计出的电路，为最终的实物实验真实可靠地验证创新性设计做好充分准备[2]。但虚拟实验无法真正代替实物实验的客观性和真实性，也不利于培养学生严谨踏实的工作作风，实物实验又是重要的、必需的和不可替代的[3]。因此，为了解决现实问题，改善实验教学效果，我们整合实验教学内容，合理设置三性实验比例，基于本校通信与电子信息国家级虚拟仿真实验教学中心平台，对《模拟电子技术实验》课程进行了以虚促实，虚实结合的线上线下混合式实验教学模式改革探索。

二 教学模式改革思路

传统的《模拟电子技术实验》课程全部是线下的实体实验，以基础验证型为主，而综合设计型实验受元器件、实验箱约束，无法随意更改电路参数，或者脱离实验箱完全自主搭建电路、焊接测试，实验学时又严重不够。因此，综合设计型实验在传统实验教学中受限于实验箱，设计灵活性不够，不足于满足高阶层次实验需求。另一方面，随着信息技术的不断发展，优质在线实验教学资源的推送又为学生更好地实践演示认知型实验提供条件，进而积极调动学生主动参与基础验证型实验教学的过程。智能虚拟仿真实验平台的建设，能有效激发学生对综合设计型实验的兴趣，提升实验教学体验和人才培养效果。

因此，改革的首要问题是对实验教学内容进行优化重构。将传统的纯实体实验进行拓展，构建“演示认知型- 线上资源自学，基础验证型- 实体实验室操作，综合设计型-线上虚拟仿真实验”三个层次的实验内容，打造由低阶到高阶、由简单到复杂，线上线下虚实结合的实验教学模式，实现教学对象、时间、空间和内容的拓展，以虚促实，虚实共济。其次，实验教学方式由传统模式向课前延伸、向课后拓展，形成课前自学、课堂导学和课后拓展的“三阶段”衔接式教学；再次，打造多层次、模块化的实验教学资源和开放共享的实践环境，完善“虚拟类、实体类、半实物仿真类”等实践教学资源建设。

三 教学模式改革方法

（一） 教学内容优化重构

我校模拟电子技术课程理论56 学时，实验16学时，原有16 学时的八个实验内容均在线下实体实验室基于实验箱完成，实验内容偏重基础验证，受限于实验箱和实验时间，综合设计型实验的设计灵活度不够。常用的虚拟仿真软件Multisim 等可以随意改变元器件及电路连接，但元件采用的是元器件符号，仪器仪表采用例化的符号，虽然界面方便整洁、易于调试，但是对于学生认知的能力帮助不大。而虚拟仿真实验平台依靠信息技术在计算机上最大程度地模拟出与硬件实验相同的实验环境，比采用虚拟仿真软件的方式更加接近真实实验环境，并且能提供实验教学和管理一体化功能。

因此，为实现工程能力和创新能力人才培养目标，我们对《模拟电子技术实验》的教学内容进行重构，减少全部无需高阶设计而是在现成实验板或实验箱上进行基础验证的验证型实验，增加线上自主学习的演示认知型实验，精心设计和开发了两个综合设计型实验，优化调整后，课上实验教学内容为六个线下基础验证型实验（基于实验箱完成）和两个线上综合设计型实验（基于虚拟仿真平台完成），侧重培养学生的自主学习能力、实践动手能力和实践创新能力。其中，线下基础验证型实验为：常用电子元器件的识别与检测、单级阻容耦合放大器、集成功率放大器、集成运放在信号运算方面的应用、整流滤波和集成稳压电路、555 定时器及其应用。线上综合设计型实验为：负反馈放大电路的设计、波形产生电路的设计。课下演示认知型实验作为理论教学的补充和线下实验教学的预习要求，侧重培养学生的自主学习能力，学生采用线上自主学习，通过观看实验操作视频，利用多媒体教学资源，沉浸式体验相关内容，对基本器件、基本电路原理、仪器仪表建立感性认识。优化设计“演示认知型（0 学时）→基础验证型（12 学时）→综合设计型（4 学时）”三个层次的实验，打造由低阶到高阶、由简单到复杂，线上线下虚实结合的实验教学模式，实现教学对象、时间、空间和内容的拓展，以虚促实，虚实共济，从而有效提升教与学的效果。

（二） 教学方式方法更新

教学方式方法上，采用以学生为中心的“线上自主预习→线下实体操作”“线下电路设计→线上引导调试”的线上线下集中教学和自主实验预习相结合的探究式实验教学模式，以及基于虚拟现实与人机交互的互动式教学方法。针对任务和重难点内容驱动虚拟仿真实验平台，从而实现从目标到方法，再到手段的完整教学过程。

实验教学方式由传统模式向课前延伸、向课后拓展，形成了课前自学、课堂导学和课后拓展的“三阶段”衔接式教学，实现学生学习知识由被动接受向主动学习、主动探究转变，教师传授知识由灌输向设计、引导、协助学生学习转变。实验教学方式如图1 所示。

图1 实验教学方式

演示认知型实验：采用线上自主学习，学生通过观看实验操作视频，利用自制多媒体教学资源，沉浸式体验相关内容，对基本器件、基本电路、仪器仪表建立感性认识。

基础验证型实验：采用线下实体实验，教师实时指导，学生在实验室操作实验设备，开展电路调试测试，通过动手实践，让学生增加对理论知识的感性认识、加深对理论知识的理解，培养学生的工程实践能力，激发学生的创新思维。

综合设计型实验：采用线上虚拟仿真实验，利用虚拟仿真平台，教师线上引导学生完成高阶次的综合设计型实验电路的设计及调试，培养学生具备工程实践能力和科技创新能力。

（三） 教学资源建设

教学资源建设方面包括自制多媒体教学资源“模拟电子技术虚拟实验室”单机版软件和自制大量实验操作视频资源。

课题组成员2014 年初着手策划、设计、制作 “模拟电子技术虚拟实验室”多媒体教学资源，将教师们手中分散的图像、视频、动画、文档等资源结合flash、VB 等软件整合成一个单机版的软件。由于学生在实验过程中存在许多共性问题，因此，可以将这些常见问题和常见现象归纳整理，填充到多媒体教学资源中，将基本元器件识别与检测、基本仪器仪表使用及维护、基础验证性实验操作、调试与排故、常见问题及提示等制作成多媒体教学资源，并在教学过程中不断更新[4]。

自制大量实验操作视频资源包括常用实验仪表使用、验证型实验示范操作、EDA 仿真软件学习、电子技术虚拟仿真实验平台操作等，供学生自主学习参看，同时配合电子技术虚拟仿真实验室，以点播实验操作录像、虚拟实验与实物实验相结合的模式，先虚拟仿真后实体实验，激发学生的兴趣。这样一方面可以逐步培养学生自主实验的意识；另一方面可以使教师从繁琐和重复的实验答疑中解脱出来，投入更多的精力进行原理性和方法性的实验指导。

（四） 线上虚拟实验

《模拟电子技术实验》中的两个综合设计型——负反馈放大电路的设计、波形产生电路的设计实验基于电子技术虚拟仿真实验平台完成，如图2 所示。该平台基于B/S 架构，可实现校内外甚至更广范围内的电子技术实验教学资源共享，满足1000 人同时做实验，能提供全方位的电子技术虚拟仿真实验教学辅助功能，包括：实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验课的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩的统计查询、在线答疑、实验教学效果评估等功能。教师在电子技术虚拟仿真实验平台上发布新实验后，学生登录后即可看到，可在线远程调用平台上的仿真环境，对在线下提前设计好的实验电路进行仿真和参数优化，教师线上适时引导调试，学生在完成电路的仿真测试后，可在线提交实验报告，教师登录平台后在线批改学生提交的实验报告，并及时将评价反馈给学生。

图2 电子技术虚拟仿真实验教学平台主页

（五） 考核模式改革

传统实验成绩= 操作部分（占80%）+ 实验报告（占20%），不区分实验类型，而基础验证型和综合设计型实验由于其内容性质的不同，在考核侧重点上应该区分考察。虚实结合的实验教学模式改革中，我们将考核分为“基础验证型实验考核”和“综合设计型实验考核”。

“基础验证型实验考核”：采用过程考核，注重过程兼顾结果。每次实验成绩（百分制）=知识预习评分×10% +100×速度系数 ×模式难度系数×完成度×70% + 实验报告×20%，其中，速度系数按班级总人数（一般20 人）从最快1.0 逐次递减0.01，模式难度系数分为基本模式和挑战模式，基本模式的难度系数是 0.9， 挑战模式难度系数是1.0。

“综合设计型实验考核”：考核从对知识点的理解，功能的完成情况，电路设计报告的提交，报告编写规范性等方面进行评价，每次实验成绩具体如下：

创新实验考核评价方式，改变传统实验考核不区分实验类型，按等级评价的模式。改革为区分实验类型考核，线下基础验证型实验量化各项指标，考虑实验完成的速度系数和难度系数；线上综合设计型实验根据在线虚拟系统的“过程记录，实验复盘”等功能，按照评分细则，客观公正地给出考核评价。

四 结语

虚实结合的理念既避免了学生接触不到实物，缺少实际动手能力的缺陷，又实现了随时随地可以进行实验的要求。通过线上线下虚实结合的实验教学模式，将实践教学贯穿于学生学习的始终，解决了培养模式改变、教学改革驱动的现实需求，提升了实验项目的灵活性，利于实施个性化、综合性和创新性实验，拓展实验教学的高阶性，使学生的模拟电子技术综合应用和创新能力有较大提高，为学生将来更好的发展和更高层次的科学技术研究工作打下了坚实的基础[5]。