模拟电子技术基础实验教学的改进

韩超 房建东 张晓东

摘  要  针对模拟电子技术实验课程传统教学存在的不足，提出使用虚拟软件的方式来辅助理论计算和进行实验操作，在虚拟仿真软件和达标测试的共同辅助下，完成对模拟电子技术实验教学的改进。

关键词  模拟电子技术实验；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）21-0144-04

*项目来源：内蒙古工业大学教育教学改革重点项目“面向工程教育专业认证的应用电子技术创新实验教学模式研究”（项目编号：2019102）

作者：韩超，内蒙古工业大学信息工程学院研究生，研究方向为电子与通信工程；房建东，内蒙古工业大学信息工程学院，教授，研究方向为信息感知与控制；张晓东，内蒙古工业大学信息工程学院，实验师，研究方向为应用电子技术（010080）。

0  引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确指出：高等教育承担着培养信念执着、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才的重大任务[1]。《教育部办公厅关于做好深化创新创业教育改革示范高校2019年度建设工作的通知》强调：要把创新创业教育贯穿人才培养全过程[2]。

模拟电子技术实验课程的目的是使学生获得硬件的相关知识，帮助学生提高实践能力。因此，在实验教学过程中，通过实际操作培养学生独立操作能力，即依靠自身完成简单实验；培养学生独立分析能力，根据实验设置和步骤教学，在知其然的前提下达到知其所以然的转变；培养学生独立思考能力，在实验过程中出现问题，可以在大部分情況下完成对当前问题的判断，并可以在实验结束后通过对实验报告的撰写，完成对实验进行总结和提高。

1  传统实验体系的不足

模拟电子技术实验包含基础理论和基础实验两个环节，其中理论是模拟电子技术的基本原理和基本分析方法，而实验是在理论教学的基础上，完成对模拟电子技术的安装、调试和测量的任务。这种实验教学模式的好处是不仅可以帮助学生更快地记住基本知识和相关结论，而且可以提高教师对实验过程的把控能力；但由于这种教学模式过分强调相同的实验过程和验证性的实验内容，造成在实验中教学的知识完全依靠理论教学[3]。这种传统的教学模式使得不同实验任务变得相对独立，不能很好地联系起来，不利于开展体现学生创新性的综合实验。在这种教学模式下，学生学什么、怎么学全部由教师决定，使得学生学习的主观能动性被忽略，甚至被压抑，造成的结果是学生的思维被局限于对应的理论课程，不利于培养学生的独立思维能力和专业综合素质[4]。

传统的模拟电子技术实验课程是由教师教学、学生学习教师传授的知识的单一方式来完成教学，具体方式是“教师讲解实验的基本原理→学生根据指导完成实验→学生整理实验数据并规范地完成实验报告”，流程如图1所示。传统实验课主要是学生在教师帮助下完成实验，所用的实验器材和方法都相对落后，这导致学生很难展示出自己的创造能力。传统的实验课程中含有大量的验证性实验，严重缺乏创新性实验，导致学生的学习主动性不强 [5]。

传统的实验教学通常分为以下三部分：

1）在正式实验开始前，让学生进行相应实验的预习，复习在理论课上学习的知识点，完成对本次实验中的理论计算并记录数据；

2）在实验课上完成基本的实验流程教学后，让学生直接使用实验箱来完成实验，记录实测值与理论计算值并进行对比；

3）在完成实验后，让学生整理实验报告并提交。

这种常见的教学体系通常可以满足一般的教学需要，但是有以下缺点：

1）教师难以查验学生是否在课前预习，而且学生在实验前准备的理论计算值可能出现错误；

2）学生在实验过程中由于操作不当以及实验器材的老化均可能造成实验失败，且难以找到造成实验失败的原因；

3）如果单纯使用实验报告进行成绩的赋予，难以直观体现学生的真实水平，且仅使用实验报告的方式难以确定学生在脱离书本和实验指导书后，是否可以完全掌握模拟电子技术实验的操作流程和规范。

2  改进方法

针对以上种种缺陷，提出以下措施来完成对模拟电子技术实验教学的改进。

1）在实验正式开始前，学生在预习过程中不仅使用理论计算值作为参考依据，同时利用Multisim和Cadence等电路仿真软件搭建实验指导书提供的电路，完成对理论计算值的检验，即可在实验开始前就发现一部分问题，同时减少在实验过程中遇到问题的可能性。

2）在出现问题时，学生可通过对实验指导书中的电路图、仿真软件中自行连接的电路图的结果和实物图对比，找到出现问题的地方，并可通过利用万用表检测器件两端电压等方式来判断是否出现导线断裂或者器件老化损毁等情况。

虚拟仿真实验可以直观地判断实验是否成功，可以有效地激发学生的积极性，让学生在任何时间、任意地点完成实验的预习工作，学习相应知识并完成相关仿真实验，有助于学生在学习的过程中充分发挥主观能动性，从而改变学生被动学习、教师被动教学的状况[6]。

学生在课余时间通过仿真软件学习仪器使用以及完成对实验过程的预习，避免每次做实验都要学习实验仪器的使用方法。而且在做过实验仿真后再进行实验，学生可以更深刻地理解实验内容。这一点在综合性的课程设计中体现得更加明显，学生通过先完成仿真实验后再去实验室完成实验，使得在实验课上的实验成功率与过去相比显著提升，从一个班级中只有几组学生能完成实验，到现在几乎每组都可以完成实验[7]。

3）在实验都完成后，不仅通过实验报告进行成绩评定，而且使用达标测试的方法完成对学生在脱离实验指导书的情况下对实验知识掌握程度的判断。

3  结果分析

模拟电子技术实验的分值分布如表1所示，具体实验和试题的分值分布如表2所示。通过对2020级通信工程的两个班级的得分情况进行分析，得到该方法带来的效果。

3.1  总成绩分析

由图2可以看出：总成绩分数多集中于中和良，只有少数人处于优和及格，极少数人不及格，大体呈正态分布的趋势。

3.2  课程目标达成度分析

课程目标一：能够针对设计任务和目标，熟练使用现代工具设计可行的电子信息系统实验方案。

由图3可以看出：学生能够在实验过程中较为熟练地使用实验箱完成实验设计，但在考试过程中仍有所欠缺。

课程目标二：了解电子信息工程专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和仿真软件的工作原理与使用方法，并理解其局限性。

由图4可以看出：学生对工程工具和仿真软件的工作原理与使用方法较为了解，实验和测试的分数均在8分以上。

课程目标三：能够对实验结果进行分析和解释，通过信息综合得到合理有效的结论。

由图5可以得出：学生对实验结果的分析和解释的掌握情况一般，在做实验的过程中掌握较为良好，但在考试中仍需进一步提高。

由图6可以得出：2020级通信学生在模拟电子技术实验中，课程目标一的达成度达到80%，基本可以通过现代工具设计可行的电子信息系统实验方案；课程目标二的达成度在87%，说明学生能够了解仿真软件和工程工具并理解它们的局限性；课程目标三的达成度在77%，说明学生分析解决问题的能力仍稍显不足。而各个课程目标的分析结果说明学生在实验中出现的问题较少，应进一步提高考试的成绩。

通过对通信2020级学生的成绩进行分析，可以看出：学生实验能力较强，而应试能力较弱。这一方面反映出有的学生在脱离实验指导书后，没有掌握模拟电子技术实验的基本知识；另一方面可以看出添加仿真实验后，可以明显地提升学生学习的积极性。

4  结束语

使用仿真软件进行实验可以打破空间界限，为学生进行独立学习和实验创造条件。在虚拟仿真实验模拟操作中，实验操作错误便无法进行下一步操作。而且由于是学生自己完成，在遭遇问题时，学生会通过查阅资料以及和其他学生讨论完成问题。借助虚拟仿真实验，不仅提升了学生分析问题和解决问题的能力，也提高了学生的实践能力。通过模拟电子技术实验达标测试这样的闭卷考核，会促使学生更多复习实验相关知识并记入脑海，而不是单纯依赖实验指导书和参考资料进行实验。

在以后的模拟电子技术基础实验课中可以加入更多的学生自主选择部分，例如：在单管放大电路中，通过前期的仿真实验，让学生自行选择负载电阻的阻值大小，以使其工作在放大区；在基础实验后加入一些让学生自行完成参数设置的实验，提升学生的积极性和创新能力。通过这些办法来提高模拟电子技术基础实验的教学质量，使学生收获更多的知识。

参考文献

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年） [A/OL].（2010-07-29）[2021-09-29].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201008/t20100802_93704.html.

[2] 教育部辦公厅关于做好深化创新创业教育改革示范高校2019年度建设工作的通知[A/OL].（2019-04-09）[2022-03-28].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s5672/201904/t20190408_377040.html.

[3] 刘银萍，彭端，蒋力立.创新实验教学与传统实验教学的比较[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010（5）：27-30.

[4] 杨建良.电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建[J].实验室研究与探索，2014（7）：101-104，280.

[5] 戚茜.面向电类培养的高校实验教学模式实践探索[J].中国多媒体与网络教学学报，2020（12）：107-109.

[6] 王建华，段建东，姬军鹏，等.新工科背景下虚拟仿真实验研究与实践[J].中国教育信息化，2021（22）：33-37.

[7] 矫德强，韩顺杰，庞丽莉.电类基础课程教学改革研究[J].中国现代教育装备，2021（21）：120-121，134.