以“電路”課程為起點仿真能力三年一貫制培養

王馨梅，李 芳，侯浩錄，鄭莉平，季瑞瑞

(西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西西安 710048)

我校自動化專業是國家“卓越工程師教育培養計劃”試點單位之一，如何理論聯系實際突出工程背景，吸引學生自主學習將他們盡早引上追求卓越工程師的軌道，是兩個急需探索的問題。我們歷經三年教學改革實踐之后，總結出了以“電路”課程為楔入點，在電類專業相關的基礎課到專業課學習的三年內一貫地堅持將仿真軟件教學融入其中。

1 自動化課程體系

電子設計自動化EDA已成為集成電路、印制電路板和電子整機系統設計的重要工具，Multisim軟件是支撐EDA的一個重要平臺。Multisim可以交互式地搭建電路原理圖并對電路進行仿真，且其擁有Spice內核的優勢，已被廣泛使用，其普及程度逐漸超越傳統的PSpice軟件。許多高校電類專業學生已在高年級的“EDA技術”選課或課程設計中接觸Multisim仿真平臺。我們以我校自動化專業為例，從分析課程配置流程圖可知，如果先期在“電路”課程中就初步引入Multisim，且在后續的“數字電子電路”和“模擬電子電路”課程中逐步深入，最后在“檢測與傳感技術”、“電力電子技術”和“EDA技術”等專業課中拓展鞏固，會比較符合學生的學習認知規律［1］。

我國許多高校單獨開設了“Matlab語言與應用”課程。我們在“電路”課程先期初引入Matlab，在其后的“信號與系統”和“自動控制理論”等專業基礎課中逐步深入，最后在“模式識別”、“運籌學”和“智能控制”等專業課中拓展鞏固，會更符合學習認知規律［2］。

我們將“電路”作為第一門電類基礎課，使其成為電類專業學生的Multisim和Matlab通識教育的起點。我們將20課時數1/3分配給“電路”課程，1/3分配給“數字電子電路”和“自動控制理論”，其余分配給后續專業課程，以保障教學軟件Multisim和Matlab融入式教學效果。

2 教學軟件與電路教學融合

“電路”課程是面向全部電類專業開設的公共基礎課。目前國內“電路”教學的實驗課時少，硬件配置有限，缺乏學習平臺。

在“電路”課堂教學中利用Multisim提供的“虛擬電路實驗室”環境，教師和學生可以不受硬件條件限制，任意搭建電路并在虛擬儀器上查看仿真結果，可以加深學生電路測試能力和了解更多元器件知識［1］。利用Matlab提供的強大計算和作圖能力，學生可以快速準確的求解電路問題的數學模型，并繪出格式標準的曲線圖形［2］。

引入 Multisim/Matlab仿真軟件，應嚴格按照“電路”課程章節順序設計具體教學案例，參見表1。

表1 Multisim/Matlab與“電路”結合的教學案例

我們要注意在課程的中后期選擇內容抽象不易理解的問題作為案例，使抽象概念具象化。這樣能提高“電路”授課效果，同時也能充分向學生展現虛擬仿真工具的優越性。需要特別指出的是，表1中8:“設計電蚊拍電路”案例具有一定難度。它用于展示“電路”和“模擬電子電路”兩門課程之間的知識聯系，供學有余力的學生在仿真平臺上探索。

3 三年一貫制的教學模式經驗

在西方國家的大學教學安排中，會有針對性地提前學習工程工具軟件。他們在這方面的探索起步很早，甚至在預科就已開始，并在其后的課程中不斷加強［3-5］。我們學習和借鑒這種思路并接受了被稱為“無縫集成”(Seamlessly Integrated)的概念，從中總結出“及早接觸、循序漸進、有機融合，貫穿始終”的指導思想。

我們歷經三年“電路”課程改革，總結出如下具體實施經驗:

(1)“電路”是電類專業學生的第一門專業基礎課，引入Multisim和Matlab應注意適度適量，避免喧賓奪主。它作為學習Multisim和Matlab知識的入門課程，強調以激發學生興趣和加深對電路的理解為主。

(2)編寫一本供學生自學使用的電子版指導手冊，嚴格按照教材的章節順序來精選Multisim和Matlab示例(并附部分源文件)，以方便學生按課程教學進度自學。

(3)充分重視升入三、四年級后學生的反饋意見和后續課程任課教師的建議。

我校三年的改革實踐表明，Multisim/Matlab三年一貫制融入式教學模式的優點突出，主要體現在以下三個方面:①將Multisim和Matlab貫穿至本專業系列課程中學習，能使學生感受到課程之間的緊密內在聯系，從而增強知識的綜合運用能力。以自動化專業為例，通過循序漸進貫穿始終的Matlab學習，學生能更自然更深刻地體會出“電路”→“信號與系統”→“自動控制原理”三門主干課之間的理論邏輯性;②在理論課的虛擬仿真環境下示范如何分析解決工程問題，實現理論教學與實驗教學的一體化，部分地解決實驗課安排滯后和實驗內容少的問題;③學生可自由探索，不受實驗室硬件條件限制，有助于保護和激發學生的自學積極性。

4 結語

工程計算和仿真分析能力一直是電類學生專業素質教育的重要內容之一，在以卓越工程師為培養目標的教學改革實踐中，我們參考國外大學先進經驗，進行了以“電路”課程為楔入點的Multisim、Matlab三年一貫制融入式教學模式改革。這些具體實施方法，對列入教育部“卓越工程師教育培養計劃”的其它專業試點也有一定的參考價值。

［1］ 菊蓉張寶軍，Multisim應用于電路分析實驗教學的研究［J］，西安:西安郵電學院學報，2006，11(1):123-125

［2］ 張亞琴等.MATLAB在電路分析中的應用研究［J］，沈陽:沈陽師范大學學報(自然科學版)，2009，27(1):59-62

［3］ Wei Zhan et al.Vertical and Horizontal Integration of Laboratory Curricula and Course Projects across the Electronic Engineering Technology Program ［J］.Littleton:American Journal of Engineering Education，2011，2(2):67-80

［4］ 王仲奕等.淺析國外電路教材的寫作特色［J］，南京:電氣電子教學學報，2008，30(S1):22-25

［5］ S.A.Mitkowski et al.Electrical engineering education in the field of electric circuits theory at AGH University of Science and Technology［C］.Kraków:1st World Conference on Technology and Engineering Education，2010:47-53