电工电子技术课程教学中虚拟仿真技术应用研究

2023-03-26李昆仑

科教导刊·电子版 2023年2期

李昆仑

（湖南应用技术学院，湖南常德 415100）

0 引言

信息化技术的飞速发展，使得很多高校开始关注信息化技术在专业课程学习中的应用，其中虚拟仿真技术因其本身优势，而广泛应用于教育领域，实现其在电工电子技术课程教学中的应用，可让学生在虚拟环境中模拟电工电子路线，让学生脱离试验台，在虚拟环境中完成大部分实验，得出可靠、准确的实验成果，让所有的学生在具体的电工电子技术课程中得到不同程度的提升。

1 虚拟仿真技术概述

1.1 定义

虚拟仿真由“Virtual Reality”翻译而来，又称“虚拟现实”，是基于计算机技术逐渐发展而来的新技术，是一种可创建、体验虚拟世界的计算机系统，通过触觉、听觉、视觉等作用于使用者，让使用者得到身临其境的交互式视景仿真体验，该项技术综合了网络技术、音响技术与语音技术、传感技术、智能技术、图像处理与模式识别、图形学等多门科学，是仿真技术新的发展与突破，用户必须通过专业设备来与虚拟世界中的对象展开相互影响、交互作用，产生亲临现实的感受，提升人机交互的和谐、自然性[1]。

1.2 特点

虚拟仿真技术特点主要集中在：沉浸性、交互性、构想性三个方面，其最初由美国科学家G·Burdea和P·Coiffet提出，交互性、沉浸性是虚拟仿真核心元素，让用户置身在逼真的虚拟环境中，得到沉浸感，实现交互活动，构想性，又称自主性，突出虚拟仿真技术操作多是依靠用户个人认知、思维意识创造，在仿真技术应用时，用户对获取的反馈信息展开逻辑推断、科学推理等思维活动，对未来事物、不规律现象等合理预测，以此来掌握实验原理，获取更多的专业知识。

2 虚拟仿真教学现状分析

为贯彻落实习近平总书记关于高校人才培养的重要讲话精神，提升自身教学能力、竞争能力，很多高校在基于自身发展情况的基础上，推动各专业教育与信息化技术的深度融合，作为信息化技术的核心内容，虚拟现实技术因其本身在教育领域的应用优势，得到更多的关注，由此出现了各种虚拟仿真实验软件，如Matlab仿真软件Simulink、LabView、格西测控大师等，此外部分高校开始积极地与网络科技公司寻求合作，开发与高校专业教学所需的虚拟仿真教学平台，突破时间、空间的限制，推动线上+线下教学的融合，兼顾网络化、智能化、个性化的教学模式，逐渐形成了教学效果优良、教学内容布局合理、教学方式备受欢迎的信息化教育新体系，在推动专业教学质量提升、塑造更好教育环境等方面取得了较好的成果，学生对专业学习的兴趣、积极性进一步上升[2]。

3 电工电子技术课程教学中虚拟仿真技术应用

实现电工电子技术课程教学中虚拟仿真技术应用，涉及多个方面的内容，比如更新教育理念、搭建平台、选择教学内容等，以下进行具体分析：

3.1 更新教育理念

实现虚拟仿真技术的有效应用，首要步骤是更新教育理念，提升教师对虚拟仿真技术的了解与掌握程度，并实现其灵活应用，关注以下要点：①建议教师能够积极地接触虚拟仿真技术，灵活利用各种仿真实验软件，探究虚拟仿真技术与电工电子技术课程之间的联系，寻找其关联点，制定完整的教学方案，落实到实际教学过程中，为学生提供更好的学习环境。②真正地体现“以学生为中心”，教师需了解到虚拟仿真技术的定位是辅助学生展开专业学习，其最终目的是调动学生在电工电子实验中的主动性、积极性，激发对系列理论知识、专业技能的渴求，不论选择任意哪一种虚拟仿真教育，最终落脚点应是最大限度地提升学生的学习效果[3]。③在引入虚拟仿真技术，搭建仿真平台或者应用仿真软件时，应明确学生对此的真实需求，通过问卷调查、沟通交流、加强观察等方法掌握学生对虚拟仿真课程教学的意见与建议，包括虚拟仿真技术应用方式、与课程教学结合程度等，在各个方面关注学生在其中的学习反馈，以此为基础调整虚拟仿真技术在电工电子技术中的应用方式，以此来发挥其更大的作用与价值。

3.2 搭建平台

与网络科技公司达成合作意向，灵活应用计算机网络技术、虚拟现实技术、大数据技术等搭建虚拟仿真平台，赋予以下功能：①用户管理。平台管理员、教师、学生能凭借身份证号登录平台，平台会根据其登录信息判断其基本身份，赋予其对应的功能，其中学生可通过平台来进行电工电子虚拟现实实验，很多现实世界中缺少实验设备、材料的实验能够依托平台展开，教师则可通过平台数据来判断各个学生在平台上的实验项目、实验次数、实验误差等，以此来全方位的了解各个学生在电工电子课程学习中的真实状态，对学生进行分类管理。②教务管理。教务管理，可依托凭平台设计选课系统，管理员按照教师的课程安排，给各个教师排课，明确各项重要信息，包括开课学期、每周课时、课数、上课人数等，让教师对此有基本的准备，可利用课下时间制定虚拟现实教学方案，学生则可通过教务管理模块查看课程安排，协调好自己的上课时间，在课下做好预习[4]。③实验室维护管理。虚拟现实平台中有多种类型的虚拟现实实验可供教师选择，多为常规类型，能直接调取使用，若是教师所教授电工电子课程与平台所提供的内容有着一定的出入，平台则提供修改、整理功能，教师可根据课程教学所需、学生当前学习水平等因素，更新平台实验内容，满足教师、学生的多元化需求。④实验安排。教师端，教师能根据虚拟实验平台上各个学生的报名情况，确定实验人数，设计实验起止时间，规划各个学生在虚拟实验环境下能够分配的实际操作时间，确保可能能够合理规划，避免耽误电工电子课程的正常推进；教师可结合课程安排，限定各个学生在规定时间内完成其所分配的实验，实验成绩比例，主要涉及两部分：实验电路搭建、实验报告制作，结合实验所需元器件，直接从平台虚拟截面选择各个虚拟元器件，正确连接电路后，选择虚拟测量仪表，如示波器、电流表、电压表等，准确测量实验数据，填写实验报告，得出可靠结论。⑤实验批改在虚拟仿真平台中，分别可以设置学生端口以及教师端口，学生端口供应学生们学习，教师则负责将学习要点通过教师端传达给学生们，当然，学生端会进行成绩考核，当成绩提交以后，直接传达至教师端口，教师可以实时掌握学生的学习动态。同时，虚拟仿真平台产生的实验内容成果学校或老师拥有相关知识产品，注重对相关实验教学项目自有或共有知识产权的保护，注重对学生个人信息等的保护，严格遵守我国教育、知识产权、互联网等相关法律法规[5]。⑥实验复习。教师完成实验批阅后，鼓励学生再次进入实验界面，结合教师批改内容查漏补缺，或者在收集各项实验数据后重新进行实验，虽然该次实验不会计入最终成绩，但是对稳固学生知识体系来说有着较好的作用。

3.3 选择教学内容

关注以下要点：①适当、准确的选择教学内容是展开虚拟仿真电工电子技术课程教学的重点工作，需考虑两方面因素，其一是理论铺垫与支撑，其二是需与岗位需求、行业发展实践结合，比如可选择“三相交流电路电压电流的测量”，能让学生在参与虚拟仿真实验时，避免接触到380V高压电路，整个实验过程更加安全，又如“认识三相异步电动机”可让学生比较直观、全面地观察设备内部工作原理，了解旋转磁场的产生过程，还可选择“二极管单向导电性实验”，利于学生从空穴、电子层面理解、掌握二极管特性[6]。②需注意的是，并非所有的电工电子技术课程都适宜与虚拟仿真技术结合，需要教师对系列教学内容进行分析、筛选合适的内容展开教学，通常来讲，虚拟仿真教学内容多包括两种类型：第一种是在现实实验中依靠当下实验设备、条件难以实现、成本较高、危险较大的电工电子内容，依靠虚拟仿真技术的模仿功能，模仿对应的实验环境、实验流程，解决其中的高消耗、高成本、运行困难问题，避免学生陷入比较危险的场景中，虽然实验过程可能与实际情况有着一定差距，但是对比其带来的收益来说有着较大的可行性；第二种是应体现教学重难点、学生感兴趣的内容，教师可通过虚拟仿真技术将学生的所学内容与其实际生活联系起来，从需求导向、问题导向两个层面入手，开发难度适宜、时长合理、内容紧凑、原理准确的虚拟仿真电工电子项目，引导学生完整实物制作，如下表1所示各个项目。

表1 虚拟仿真实验项目表

3.4 建立教师队伍

重新建立多元化的教师队伍，是开展虚拟现实教学的基础、前提与有力支撑，依靠当前的教师团队还无法负担起各项虚拟现实教学任务。关注以下要点：①建议高校能够倾注更多的资金、资源，引入一大批专业的、多元化的教师队伍，包括电工电子技术课程传统教学教师、网络工程师、虚拟仿真软件工程师等，更好地服务于基于网络、软件的专业课程教育，明确各类教师在电工电子技术虚拟教学中的基本任务，注重各类教师的团结协作，鼓励传统教师在其中积极的承担责任，做好中间联络，在教学内容筛选、教案制作上发挥主导作用，与虚拟仿真软件工程师等进行会议讨论，就如何利用虚拟仿真技术达成共识，从而能突破时间与空间的限制，搭建一个师生互动、内容多方式呈现、三维展示的网络教育体系，让基本上所有的学生能够依托于虚拟现实技术学习、掌握大部分的电工电子理论知识、实践技能，在不断的实践中实现知识、技能的不断验证、综合学习。②建立完整的监督机制，高校可成立监督部门，针对电工电子专业在各个阶段开设的虚拟现实课程，监督其具体开设方法、学生成长力度、具体体验感、学生反馈、教师在其中扮演的角色，监督人员可作为学生团体中的一员，跟随学生一同进行虚拟现实体验，以此来发挥出更大的监督作用，根据监督结果，综合对虚拟仿真软件、教师的评价，得出最真实、全面的评价结果，以此来作为对教师年终评价的最终篇章，提升教师对此的重视程度[7]。

3.5 案例分析

结合Proteus仿真软件，探究其在电工电子技术课程中的应用，学生可借助Proteus仿真软件中的元器件仿真模型进行电路设计，学生可通过软件完成仿真调试、看到调试结果，为学生布置任务：

（1）以直流电路分析过程中的叠加原理为例，设计仿真图，如下图1所示，研究线性电路叠加定理中各个支路中电压或者电流的分布情况。

图1 叠加定理的仿真实物接线图

（2）对数字电路中的组合逻辑电路展开分析与设计，用与非门设计三人表决器。第一，结合输入输出分析结果，画出对应的逻辑电路，结合逻辑电路图，绘制电路原理图；第二，结合实际电路图，通过Proteus仿真软件绘制事务连线图，展示三人表决器部分功能。

（3）进行电路中三极管放大状态虚拟仿真实验，选择适宜的NPN性三极管实验项目，从虚拟仿真实验结果中得出IB、IC、IE分别为0.02mA、0.16mA、0.18mA，如此可验证三极管本身的电路放大作用，IB+IC=IE，在复习电路连线的同时验证实验结果。通过Proteus虚拟仿真搭建电路模型，避免元器件在连接时出现接触不良、损害干扰，提升成功率；此外Proteus虚拟仿真过程直观清晰，测量与调试、实验与结果比较统一，利于学生接收与理解，可有效提升学生学习信心，引导学生展开拓展性学习，给予学生更好的学习体验。