電工電子技術課程教學中虛擬仿真技術應用研究

李昆侖

（湖南應用技術學院，湖南 常德 415100）

0 引言

信息化技術的飛速發展，使得很多高校開始關注信息化技術在專業課程學習中的應用，其中虛擬仿真技術因其本身優勢，而廣泛應用于教育領域，實現其在電工電子技術課程教學中的應用，可讓學生在虛擬環境中模擬電工電子路線，讓學生脫離試驗臺，在虛擬環境中完成大部分實驗，得出可靠、準確的實驗成果，讓所有的學生在具體的電工電子技術課程中得到不同程度的提升。

1 虛擬仿真技術概述

1.1 定義

虛擬仿真由“Virtual Reality”翻譯而來，又稱“虛擬現實”，是基于計算機技術逐漸發展而來的新技術，是一種可創建、體驗虛擬世界的計算機系統，通過觸覺、聽覺、視覺等作用于使用者，讓使用者得到身臨其境的交互式視景仿真體驗，該項技術綜合了網絡技術、音響技術與語音技術、傳感技術、智能技術、圖像處理與模式識別、圖形學等多門科學，是仿真技術新的發展與突破，用戶必須通過專業設備來與虛擬世界中的對象展開相互影響、交互作用，產生親臨現實的感受，提升人機交互的和諧、自然性[1]。

1.2 特點

虛擬仿真技術特點主要集中在：沉浸性、交互性、構想性三個方面，其最初由美國科學家G·Burdea和P·Coiffet提出，交互性、沉浸性是虛擬仿真核心元素，讓用戶置身在逼真的虛擬環境中，得到沉浸感，實現交互活動，構想性，又稱自主性，突出虛擬仿真技術操作多是依靠用戶個人認知、思維意識創造，在仿真技術應用時，用戶對獲取的反饋信息展開邏輯推斷、科學推理等思維活動，對未來事物、不規律現象等合理預測，以此來掌握實驗原理，獲取更多的專業知識。

2 虛擬仿真教學現狀分析

為貫徹落實習近平總書記關于高校人才培養的重要講話精神，提升自身教學能力、競爭能力，很多高校在基于自身發展情況的基礎上，推動各專業教育與信息化技術的深度融合，作為信息化技術的核心內容，虛擬現實技術因其本身在教育領域的應用優勢，得到更多的關注，由此出現了各種虛擬仿真實驗軟件，如Matlab仿真軟件Simulink、LabView、格西測控大師等，此外部分高校開始積極地與網絡科技公司尋求合作，開發與高校專業教學所需的虛擬仿真教學平臺，突破時間、空間的限制，推動線上+線下教學的融合，兼顧網絡化、智能化、個性化的教學模式，逐漸形成了教學效果優良、教學內容布局合理、教學方式備受歡迎的信息化教育新體系，在推動專業教學質量提升、塑造更好教育環境等方面取得了較好的成果，學生對專業學習的興趣、積極性進一步上升[2]。

3 電工電子技術課程教學中虛擬仿真技術應用

實現電工電子技術課程教學中虛擬仿真技術應用，涉及多個方面的內容，比如更新教育理念、搭建平臺、選擇教學內容等，以下進行具體分析：

3.1 更新教育理念

實現虛擬仿真技術的有效應用，首要步驟是更新教育理念，提升教師對虛擬仿真技術的了解與掌握程度，并實現其靈活應用，關注以下要點：①建議教師能夠積極地接觸虛擬仿真技術，靈活利用各種仿真實驗軟件，探究虛擬仿真技術與電工電子技術課程之間的聯系，尋找其關聯點，制定完整的教學方案，落實到實際教學過程中，為學生提供更好的學習環境。②真正地體現“以學生為中心”，教師需了解到虛擬仿真技術的定位是輔助學生展開專業學習，其最終目的是調動學生在電工電子實驗中的主動性、積極性，激發對系列理論知識、專業技能的渴求，不論選擇任意哪一種虛擬仿真教育，最終落腳點應是最大限度地提升學生的學習效果[3]。③在引入虛擬仿真技術，搭建仿真平臺或者應用仿真軟件時，應明確學生對此的真實需求，通過問卷調查、溝通交流、加強觀察等方法掌握學生對虛擬仿真課程教學的意見與建議，包括虛擬仿真技術應用方式、與課程教學結合程度等，在各個方面關注學生在其中的學習反饋，以此為基礎調整虛擬仿真技術在電工電子技術中的應用方式，以此來發揮其更大的作用與價值。

3.2 搭建平臺

與網絡科技公司達成合作意向，靈活應用計算機網絡技術、虛擬現實技術、大數據技術等搭建虛擬仿真平臺，賦予以下功能：①用戶管理。平臺管理員、教師、學生能憑借身份證號登錄平臺，平臺會根據其登錄信息判斷其基本身份，賦予其對應的功能，其中學生可通過平臺來進行電工電子虛擬現實實驗，很多現實世界中缺少實驗設備、材料的實驗能夠依托平臺展開，教師則可通過平臺數據來判斷各個學生在平臺上的實驗項目、實驗次數、實驗誤差等，以此來全方位的了解各個學生在電工電子課程學習中的真實狀態，對學生進行分類管理。②教務管理。教務管理，可依托憑平臺設計選課系統，管理員按照教師的課程安排，給各個教師排課，明確各項重要信息，包括開課學期、每周課時、課數、上課人數等，讓教師對此有基本的準備，可利用課下時間制定虛擬現實教學方案，學生則可通過教務管理模塊查看課程安排，協調好自己的上課時間，在課下做好預習[4]。③實驗室維護管理。虛擬現實平臺中有多種類型的虛擬現實實驗可供教師選擇，多為常規類型，能直接調取使用，若是教師所教授電工電子課程與平臺所提供的內容有著一定的出入，平臺則提供修改、整理功能，教師可根據課程教學所需、學生當前學習水平等因素，更新平臺實驗內容，滿足教師、學生的多元化需求。④實驗安排。教師端，教師能根據虛擬實驗平臺上各個學生的報名情況，確定實驗人數，設計實驗起止時間，規劃各個學生在虛擬實驗環境下能夠分配的實際操作時間，確?？赡苣軌蚝侠硪巹?，避免耽誤電工電子課程的正常推進；教師可結合課程安排，限定各個學生在規定時間內完成其所分配的實驗，實驗成績比例，主要涉及兩部分：實驗電路搭建、實驗報告制作，結合實驗所需元器件，直接從平臺虛擬截面選擇各個虛擬元器件，正確連接電路后，選擇虛擬測量儀表，如示波器、電流表、電壓表等，準確測量實驗數據，填寫實驗報告，得出可靠結論。⑤實驗批改在虛擬仿真平臺中，分別可以設置學生端口以及教師端口，學生端口供應學生們學習，教師則負責將學習要點通過教師端傳達給學生們，當然，學生端會進行成績考核，當成績提交以后，直接傳達至教師端口，教師可以實時掌握學生的學習動態。同時，虛擬仿真平臺產生的實驗內容成果學?；蚶蠋煋碛邢嚓P知識產品，注重對相關實驗教學項目自有或共有知識產權的保護，注重對學生個人信息等的保護，嚴格遵守我國教育、知識產權、互聯網等相關法律法規[5]。⑥實驗復習。教師完成實驗批閱后，鼓勵學生再次進入實驗界面，結合教師批改內容查漏補缺，或者在收集各項實驗數據后重新進行實驗，雖然該次實驗不會計入最終成績，但是對穩固學生知識體系來說有著較好的作用。

3.3 選擇教學內容

關注以下要點：①適當、準確的選擇教學內容是展開虛擬仿真電工電子技術課程教學的重點工作，需考慮兩方面因素，其一是理論鋪墊與支撐，其二是需與崗位需求、行業發展實踐結合，比如可選擇“三相交流電路電壓電流的測量”，能讓學生在參與虛擬仿真實驗時，避免接觸到380V高壓電路，整個實驗過程更加安全，又如“認識三相異步電動機”可讓學生比較直觀、全面地觀察設備內部工作原理，了解旋轉磁場的產生過程，還可選擇“二極管單向導電性實驗”，利于學生從空穴、電子層面理解、掌握二極管特性[6]。②需注意的是，并非所有的電工電子技術課程都適宜與虛擬仿真技術結合，需要教師對系列教學內容進行分析、篩選合適的內容展開教學，通常來講，虛擬仿真教學內容多包括兩種類型：第一種是在現實實驗中依靠當下實驗設備、條件難以實現、成本較高、危險較大的電工電子內容，依靠虛擬仿真技術的模仿功能，模仿對應的實驗環境、實驗流程，解決其中的高消耗、高成本、運行困難問題，避免學生陷入比較危險的場景中，雖然實驗過程可能與實際情況有著一定差距，但是對比其帶來的收益來說有著較大的可行性；第二種是應體現教學重難點、學生感興趣的內容，教師可通過虛擬仿真技術將學生的所學內容與其實際生活聯系起來，從需求導向、問題導向兩個層面入手，開發難度適宜、時長合理、內容緊湊、原理準確的虛擬仿真電工電子項目，引導學生完整實物制作，如下表1所示各個項目。

表1 虛擬仿真實驗項目表

3.4 建立教師隊伍

重新建立多元化的教師隊伍，是開展虛擬現實教學的基礎、前提與有力支撐，依靠當前的教師團隊還無法負擔起各項虛擬現實教學任務。關注以下要點：①建議高校能夠傾注更多的資金、資源，引入一大批專業的、多元化的教師隊伍，包括電工電子技術課程傳統教學教師、網絡工程師、虛擬仿真軟件工程師等，更好地服務于基于網絡、軟件的專業課程教育，明確各類教師在電工電子技術虛擬教學中的基本任務，注重各類教師的團結協作，鼓勵傳統教師在其中積極的承擔責任，做好中間聯絡，在教學內容篩選、教案制作上發揮主導作用，與虛擬仿真軟件工程師等進行會議討論，就如何利用虛擬仿真技術達成共識，從而能突破時間與空間的限制，搭建一個師生互動、內容多方式呈現、三維展示的網絡教育體系，讓基本上所有的學生能夠依托于虛擬現實技術學習、掌握大部分的電工電子理論知識、實踐技能，在不斷的實踐中實現知識、技能的不斷驗證、綜合學習。②建立完整的監督機制，高?？沙闪⒈O督部門，針對電工電子專業在各個階段開設的虛擬現實課程，監督其具體開設方法、學生成長力度、具體體驗感、學生反饋、教師在其中扮演的角色，監督人員可作為學生團體中的一員，跟隨學生一同進行虛擬現實體驗，以此來發揮出更大的監督作用，根據監督結果，綜合對虛擬仿真軟件、教師的評價，得出最真實、全面的評價結果，以此來作為對教師年終評價的最終篇章，提升教師對此的重視程度[7]。

3.5 案例分析

結合Proteus仿真軟件，探究其在電工電子技術課程中的應用，學生可借助Proteus仿真軟件中的元器件仿真模型進行電路設計，學生可通過軟件完成仿真調試、看到調試結果，為學生布置任務：

（1）以直流電路分析過程中的疊加原理為例，設計仿真圖，如下圖1所示，研究線性電路疊加定理中各個支路中電壓或者電流的分布情況。

圖1 疊加定理的仿真實物接線圖

（2）對數字電路中的組合邏輯電路展開分析與設計，用與非門設計三人表決器。第一，結合輸入輸出分析結果，畫出對應的邏輯電路，結合邏輯電路圖，繪制電路原理圖；第二，結合實際電路圖，通過Proteus仿真軟件繪制事務連線圖，展示三人表決器部分功能。

（3）進行電路中三極管放大狀態虛擬仿真實驗，選擇適宜的NPN性三極管實驗項目，從虛擬仿真實驗結果中得出IB、IC、IE分別為0.02mA、0.16mA、0.18mA，如此可驗證三極管本身的電路放大作用，IB+IC=IE，在復習電路連線的同時驗證實驗結果。通過Proteus虛擬仿真搭建電路模型，避免元器件在連接時出現接觸不良、損害干擾，提升成功率；此外Proteus虛擬仿真過程直觀清晰，測量與調試、實驗與結果比較統一，利于學生接收與理解，可有效提升學生學習信心，引導學生展開拓展性學習，給予學生更好的學習體驗。

4 結語

綜上，文章就電工電子技術課程教學中虛擬仿真技術應用進行了綜合論述與分析，建議給予其足夠的重視，分析虛擬仿真技術在應用過程中的優勢與不足，發揚優勢、彌補不足，逐步完善教學過程，在教學的各個方面體現虛擬仿真技術，如此才能不斷提升教學實效，促進學生共同進步。