虛擬仿真數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式開發(fā)

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摘要：在新工科背景下，數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變與開發(fā)在電子信息工程本科教學(xué)中顯得尤為重要，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式開發(fā)中具有獨(dú)特優(yōu)勢。本文分析了虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢，結(jié)合建構(gòu)主義和教學(xué)心理學(xué)教學(xué)方法，開發(fā)了基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，該教學(xué)模式具有提高學(xué)生探索積極性、擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面、提高學(xué)習(xí)成績以及降低教學(xué)成本等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：新工科；數(shù)字電子技術(shù)；虛擬仿真技術(shù)；教學(xué)模式

2016年1月18日，在十八屆五中全會(huì)中指出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念[1]，并在一帶一路合作高峰論壇中強(qiáng)調(diào)：“我們要促進(jìn)科技同產(chǎn)業(yè)、科技同金融深度融合，優(yōu)化創(chuàng)新環(huán)境，集聚創(chuàng)新資源。我們要為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的各國青年打造創(chuàng)業(yè)空間、創(chuàng)業(yè)工場，成就未來一代的青春夢(mèng)想。”而新工科的內(nèi)涵正是為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、《中國制造2025》等一系列國家戰(zhàn)略[2]。綏化學(xué)院作為地方應(yīng)用型本科院校，具有服務(wù)地方，立足于地方性、應(yīng)用型、開放式、國際化的辦學(xué)定位，同時(shí)制定厚基礎(chǔ)、強(qiáng)應(yīng)用、養(yǎng)德性、善創(chuàng)新、高素質(zhì)的培養(yǎng)規(guī)格[3]，均符合新工科人才培養(yǎng)理念，“數(shù)字電子技術(shù)”是電子信息工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，為后續(xù)的“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”“DSP及傳感器原理”等課程的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式具有知識(shí)面固定、教學(xué)內(nèi)容老化、教學(xué)方法單一以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高等弊端，無法滿足我國新時(shí)期新工科建設(shè)的具體實(shí)際教學(xué)要求，即同時(shí)適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的變化和滿足未來行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。基于此，本文為了響應(yīng)“新工科”的教學(xué)背景，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)新模式。

1虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢分析

為提高新時(shí)代背景下高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，利用線上+線下相結(jié)合的教學(xué)模式擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)層面、增加學(xué)生的學(xué)習(xí)資源、提升學(xué)生與教師的互動(dòng)能力，虛擬仿真技術(shù)可以依賴于網(wǎng)絡(luò)云端的教學(xué)資源，有利于教學(xué)資源協(xié)調(diào)建設(shè)、高效管理與應(yīng)用[4]。在資源共享的平臺(tái)上，有助于提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)高校之間、校企之間協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)出導(dǎo)向”的培養(yǎng)模式，數(shù)字電子技術(shù)中涉及成本較高的耗材時(shí)，學(xué)生可采用仿真平臺(tái)，通過模型建立、參數(shù)選擇以及仿真計(jì)算等過程，在了解芯片電路工作機(jī)理的同時(shí)，還了解了軟件和平臺(tái)的應(yīng)用，潤物細(xì)無聲中拓展了學(xué)生的知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2教學(xué)模式的開發(fā)

在經(jīng)典的建構(gòu)主義中，教師的講解并不是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的有效渠道，通過學(xué)生在錯(cuò)綜復(fù)雜的政治、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及文化背景下，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助資源，學(xué)生自主有效地借助社會(huì)中的學(xué)習(xí)資料和資源，通過意義建構(gòu)的方法捕獲工作中所需的知識(shí)與能力[5]。而虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的特性和優(yōu)勢恰好有利于實(shí)現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的四要素，即“情境”“協(xié)作”“會(huì)話”“意義建構(gòu)”，其中情境對(duì)于理工科數(shù)字電子技術(shù)中抽象的學(xué)習(xí)顯得尤為重要，集成芯片由上萬個(gè)甚至上億個(gè)電子元器件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)機(jī)械零部件更加復(fù)雜，不同集成芯片的工作原理更是各不相同，且在工作上存在較為復(fù)雜的連帶關(guān)系，為此如何運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效的教學(xué)情境可以增進(jìn)學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)的理解非常重要。為真實(shí)體現(xiàn)復(fù)雜芯片結(jié)構(gòu)在工作過程中情境的真實(shí)有效性，在教學(xué)設(shè)計(jì)中需規(guī)范情境所包含的知識(shí)，同時(shí)更應(yīng)該增加知識(shí)在生產(chǎn)生活中的運(yùn)用場合，增加其與應(yīng)用型本科教學(xué)的契合度，虛擬仿真技術(shù)兼有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的真實(shí)存在感和良好交互特性，將其結(jié)合三維動(dòng)畫技術(shù)、先進(jìn)的生活性、發(fā)展性教育理念，鼓勵(lì)學(xué)生在虛擬仿真學(xué)習(xí)情境中進(jìn)行探究、訓(xùn)練和體驗(yàn)，通過人機(jī)交互的方式加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)中抽象復(fù)雜知識(shí)的應(yīng)用理解[6]。在認(rèn)知心理學(xué)的教學(xué)范疇內(nèi)，將學(xué)生所學(xué)的知識(shí)分為陳述性和程序性，對(duì)于大量內(nèi)容為陳述性知識(shí)的數(shù)字電子技術(shù)而言，需要虛擬仿真平臺(tái)具有較高的擬合度，因此基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中更應(yīng)完全遵循科學(xué)的客觀規(guī)律因素，即應(yīng)該合理運(yùn)用物理引擎、選用合理的仿真平臺(tái)，針對(duì)性地模擬數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的客觀規(guī)律，從而準(zhǔn)確、高效地把知識(shí)在真實(shí)中運(yùn)用的方式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。基于以上對(duì)虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)方法的研究，本課題小組所設(shè)計(jì)的教學(xué)策略如圖1所示。

3與傳統(tǒng)教學(xué)的比較

利用本項(xiàng)目組開發(fā)的教學(xué)模式，數(shù)字電子技術(shù)課程包含48學(xué)時(shí)線上學(xué)習(xí)和32學(xué)時(shí)教師線上+線下指導(dǎo)，對(duì)比三個(gè)年級(jí)采用傳統(tǒng)教學(xué)模式與“基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式”的學(xué)生學(xué)習(xí)成績進(jìn)行分析，其統(tǒng)計(jì)表如表1所示，其中2017級(jí)同學(xué)采用傳統(tǒng)教學(xué)模式授課，2018和2019級(jí)同學(xué)采用“線上+線下混合式”教學(xué)模式進(jìn)行授課。通過以上三個(gè)年級(jí)學(xué)生成績對(duì)比分析可知，其中2017級(jí)同學(xué)采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，2018和2019級(jí)同學(xué)采用“基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式，本項(xiàng)目組所開發(fā)的新教學(xué)模式不僅提高了優(yōu)秀學(xué)生占比，同時(shí)降低了不及格學(xué)生比例，總體學(xué)習(xí)成績和積極性得到了明顯提升，同時(shí)提高了班級(jí)的平均成績，為后續(xù)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)原理與接口技術(shù)、DSP以及傳感器原理等專業(yè)課打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過以上教學(xué)實(shí)踐課充分說明：本項(xiàng)目所開發(fā)的教學(xué)模式能夠有效促進(jìn)學(xué)生整體知識(shí)水平的提高，對(duì)班級(jí)平均成績的提高和不及格率的降低具有顯著效果。本教學(xué)模式克服了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，對(duì)應(yīng)用型本科院校電子信息工程專業(yè)中數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)改革具有一定的促進(jìn)意義，為滿足新時(shí)期的信息化教育注入新活力。

參考文獻(xiàn)：

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作者：白曦龍 王迎輝 盧振生 楊倩 唐紅霞 王九龍 單位：綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院