虛擬仿真數(shù)字電子技術教學模式開發(fā)
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摘要：在新工科背景下，數(shù)字電子技術教學模式的轉(zhuǎn)變與開發(fā)在電子信息工程本科教學中顯得尤為重要，虛擬仿真技術在數(shù)字電子技術教學模式開發(fā)中具有獨特優(yōu)勢。本文分析了虛擬仿真技術的教學優(yōu)勢，結(jié)合建構(gòu)主義和教學心理學教學方法，開發(fā)了基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術教學模式，與傳統(tǒng)教學模式相比，該教學模式具有提高學生探索積極性、擴展學生知識面、提高學習成績以及降低教學成本等優(yōu)勢。
關鍵詞：新工科；數(shù)字電子技術；虛擬仿真技術；教學模式
2016年1月18日，在十八屆五中全會中指出了“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調(diào)：“我們要促進科技同產(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想?！倍鹿た频膬?nèi)涵正是為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、《中國制造2025》等一系列國家戰(zhàn)略[2]。綏化學院作為地方應用型本科院校，具有服務地方，立足于地方性、應用型、開放式、國際化的辦學定位，同時制定厚基礎、強應用、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”是電子信息工程專業(yè)的核心基礎課程，為后續(xù)的“單片機原理與接口技術”“DSP及傳感器原理”等課程的基礎，而傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術教學模式具有知識面固定、教學內(nèi)容老化、教學方法單一以及實驗教學成本高等弊端，無法滿足我國新時期新工科建設的具體實際教學要求，即同時適應當前行業(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?；诖?，本文為了響應“新工科”的教學背景，設計并開發(fā)了基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術教學新模式。
1虛擬仿真技術的優(yōu)勢分析
為提高新時代背景下高等學校實驗教學質(zhì)量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真教學項目，利用線上+線下相結(jié)合的教學模式擴展學生的知識層面、增加學生的學習資源、提升學生與教師的互動能力，虛擬仿真技術可以依賴于網(wǎng)絡云端的教學資源，有利于教學資源協(xié)調(diào)建設、高效管理與應用[4]。在資源共享的平臺上，有助于提高教學質(zhì)量，促進高校之間、校企之間協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)“產(chǎn)出導向”的培養(yǎng)模式，數(shù)字電子技術中涉及成本較高的耗材時，學生可采用仿真平臺，通過模型建立、參數(shù)選擇以及仿真計算等過程，在了解芯片電路工作機理的同時，還了解了軟件和平臺的應用，潤物細無聲中拓展了學生的知識，激發(fā)了學生的學習興趣。
2教學模式的開發(fā)
在經(jīng)典的建構(gòu)主義中，教師的講解并不是學生學習知識的有效渠道，通過學生在錯綜復雜的政治、社會、經(jīng)濟及文化背景下，教師作為學生學習的輔助資源，學生自主有效地借助社會中的學習資料和資源，通過意義建構(gòu)的方法捕獲工作中所需的知識與能力[5]。而虛擬仿真教學技術的特性和優(yōu)勢恰好有利于實現(xiàn)建構(gòu)主義學習理論中的四要素，即“情境”“協(xié)作”“會話”“意義建構(gòu)”，其中情境對于理工科數(shù)字電子技術中抽象的學習顯得尤為重要，集成芯片由上萬個甚至上億個電子元器件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對機械零部件更加復雜，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雜的連帶關系，為此如何運用虛擬仿真技術開發(fā)和實現(xiàn)有效的教學情境可以增進學生數(shù)字電子技術的理解非常重要。為真實體現(xiàn)復雜芯片結(jié)構(gòu)在工作過程中情境的真實有效性，在教學設計中需規(guī)范情境所包含的知識，同時更應該增加知識在生產(chǎn)生活中的運用場合，增加其與應用型本科教學的契合度，虛擬仿真技術兼有技術實現(xiàn)的真實存在感和良好交互特性，將其結(jié)合三維動畫技術、先進的生活性、發(fā)展性教育理念，鼓勵學生在虛擬仿真學習情境中進行探究、訓練和體驗，通過人機交互的方式加深對數(shù)字電子技術中抽象復雜知識的應用理解[6]。在認知心理學的教學范疇內(nèi)，將學生所學的知識分為陳述性和程序性，對于大量內(nèi)容為陳述性知識的數(shù)字電子技術而言，需要虛擬仿真平臺具有較高的擬合度，因此基于虛擬仿真技術的數(shù)字電子技術教學中更應完全遵循科學的客觀規(guī)律因素，即應該合理運用物理引擎、選用合理的仿真平臺，針對性地模擬數(shù)字電子技術在現(xiàn)實中的客觀規(guī)律，從而準確、高效地把知識在真實中運用的方式呈現(xiàn)給學習者。基于以上對虛擬仿真技術與教學方法的研究，本課題小組所設計的教學策略如圖1所示。
3與傳統(tǒng)教學的比較
利用本項目組開發(fā)的教學模式，數(shù)字電子技術課程包含48學時線上學習和32學時教師線上+線下指導，對比三個年級采用傳統(tǒng)教學模式與“基于虛擬仿真技術的數(shù)字電子技術教學模式”的學生學習成績進行分析，其統(tǒng)計表如表1所示，其中2017級同學采用傳統(tǒng)教學模式授課，2018和2019級同學采用“線上+線下混合式”教學模式進行授課。通過以上三個年級學生成績對比分析可知，其中2017級同學采用傳統(tǒng)教學模式，2018和2019級同學采用“基于虛擬仿真的數(shù)字電子技術”教學模式，本項目組所開發(fā)的新教學模式不僅提高了優(yōu)秀學生占比，同時降低了不及格學生比例，總體學習成績和積極性得到了明顯提升，同時提高了班級的平均成績，為后續(xù)學生學習單片機原理與接口技術、DSP以及傳感器原理等專業(yè)課打下了堅實的基礎，通過以上教學實踐課充分說明：本項目所開發(fā)的教學模式能夠有效促進學生整體知識水平的提高，對班級平均成績的提高和不及格率的降低具有顯著效果。本教學模式克服了傳統(tǒng)教學中存在的問題，對應用型本科院校電子信息工程專業(yè)中數(shù)字電子技術的教學改革具有一定的促進意義，為滿足新時期的信息化教育注入新活力。
參考文獻：
[1]貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念服務“一帶一路”建設推動會計改革與發(fā)展：會計與“十三五”規(guī)劃發(fā)展理念大家談[J].會計研究，2016(1)：5-18.
[2]王明國.“一帶一路”國際合作高峰論壇的制度邏輯[J].教學與研究，2017(8)：58-66.
[3]王迎輝，盧振生，王九龍，等.基于VR技術的汽車構(gòu)造實驗教學系統(tǒng)開發(fā)[J].綏化學院學報，2020，40(6)：133-135.
[4]郭婷，楊樹國，江永亨，等.虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究[J].實驗技術與管理，2019，36(10)：215-217+220.
[5]鄭云翔.新建構(gòu)主義視角下大學生個性化學習的教學模式探究[J].遠程教育雜志，2015，33(4)：48-58.
[6]韓旭.三維實驗中的虛擬手仿真與受限交互研究[D].大連：大連理工大學，2019.
作者：白曦龍 王迎輝 盧振生 楊倩 唐紅霞 王九龍 單位：綏化學院電氣工程學院
