基于ELVIS II的虛實互動實驗?zāi)Ｊ?/h1>
2020-07-14 17:51:03吳蘇胡秋月馬知遠
科教導(dǎo)刊 2020年14期
吳蘇 胡秋月 馬知遠
摘 要 本文基于以學(xué)員為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高實踐能力，實現(xiàn)教學(xué)資源共享，利用ELVIS 多功能教學(xué)實驗平臺，提出了虛實互動的實驗?zāi)Ｊ剑O(shè)計了教學(xué)案例，驗證了其可行性，在節(jié)約教育投資、共享教育資源等方面具有重要的意義。
關(guān)鍵詞 教學(xué)改革 虛實結(jié)合 口袋實驗 理實一體
中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.015
Abstract Based on the concept of student-centered teaching， this paper cultivates students' ability of independent learning， improves their practical ability， and realizes the sharing of teaching resources. Using Elvis multi-functional teaching experiment platform， this paper puts forward the experiment mode of virtual reality interaction， designs teaching cases， and verifies its feasibility， which is of great significance in saving educational investment and sharing educational resources.
Keywords teaching reform; selective focus; pocket experiment; integration of theory and Practice
0 引言
近年來，伴隨著科技的突飛猛進，社會對于人才的要求不再是單純知識型，而是從知識、技能、素質(zhì)三個方面提出要求，不僅要強調(diào)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更加強學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。關(guān)于大學(xué)課堂教學(xué)方法和模式的研究已成為現(xiàn)代教育教學(xué)改革的核心問題，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足現(xiàn)在信息化時代的要求，現(xiàn)階段高教工作模式正進入一個數(shù)字化、信息化的時代。
電子技術(shù)系列課程作為學(xué)科基礎(chǔ)必修課，是一類實踐性很強的課程，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識的同時，在課下開展實驗，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，而傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗需要實驗設(shè)備的配合，在實驗室進行，如果開課班級較多，則實驗室的容納人數(shù)有限，使得實驗課程的開展受到時間和地點的限制，不利于學(xué)員隨時隨地開展自主探索，影響學(xué)員對知識的理解程度，導(dǎo)致理論和實踐脫節(jié) 。
本課題針對這一問題，提出了一種“虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式”，其核心是基于NI ELVIS多功能教學(xué)實驗平臺構(gòu)建，通過在面板上搭建電路，利用ELlVIS II 上的數(shù)據(jù)采集卡采集實驗平臺上的測試信號，通過平臺上集成的虛擬儀器分析處理，通過計算機處理并顯示輸出。對于教師，能夠及時展示實驗結(jié)果，輔助知識的遷移，對于學(xué)生可以利用該便攜的實驗平臺在任何時間、任何地點進行自主實驗，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
1實驗平臺
1.1 硬件環(huán)境
ELVIS II是NI公司推出的教學(xué)平臺，實現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實驗設(shè)計一體化的功能。該教學(xué)平臺插入一塊原型實驗面板，并集成了包括萬用表、示波器、信號源、直流電壓源、波特儀等12種實驗室常用儀器。ELVIS非常適合教學(xué)實驗和電子電路原型設(shè)計與測試，為電子技術(shù)類課程提供了動手實踐的實驗室體驗。
1.2 軟件環(huán)境
ELVIS II是基于圖形化編程語言LabVIEW與原型創(chuàng)建環(huán)境，該平臺嵌入Multisim 仿真軟件，采用虛實結(jié)合的方式，通過先仿真后實現(xiàn)的工程設(shè)計思路，所見即所得，進一步培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力，提升了電路設(shè)計的效率，教學(xué)效果明顯提高。具體在有個電路設(shè)計中，先進行Multisim電路仿真，利用虛擬仿真環(huán)境搭建3D電路，并嘗試不同布線，以便實物連接時選擇最優(yōu)方案;用LabVIEW 軟件通過計算機與NI ELVIS II 教學(xué)平臺聯(lián)接，通過軟件編程測試環(huán)境，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，便于學(xué)生可視化理解頻帶、頻譜、I-V曲線等各種電路特性。
2虛實結(jié)合教學(xué)模式
“模擬電子技術(shù)”課程普遍被學(xué)生反映較難學(xué)習(xí)，被稱為“魔電”，其魔性主要因為其知識點較多、內(nèi)容比較抽象、工程實踐性強，通過與學(xué)生的調(diào)查和交往發(fā)現(xiàn)，他們的厭學(xué)情緒主要來源于理論教學(xué)過程中的理論授課模式，各種理論知識抽象，學(xué)習(xí)成績一般的學(xué)生難以快速理解，進而越來越難跟上課程的進度。
虛實結(jié)合的教學(xué)模式極大活躍了課堂氣氛，教師在課上根據(jù)相關(guān)知識點，通過NI ELVIS II教學(xué)實驗平臺上，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了模擬實際的環(huán)境模型，采用虛實結(jié)合的形式使學(xué)生加深對基本概念和基礎(chǔ)原理的理解，較快建立起模擬電子技術(shù)的基本理論構(gòu)架，在課下，通過布置課堂DIY實驗，使學(xué)生了解到本節(jié)課程知識的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教與學(xué)之間的交互性。
2.1課堂教學(xué)設(shè)計
“濾波器的設(shè)計和應(yīng)用”是工程上常用的電路，同樣也是模擬電路課程教學(xué)中的難點。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過多媒體課件展示直流濾波電路的原理和結(jié)構(gòu)，對于電路性能指標、幅頻響應(yīng)等工程實際應(yīng)用卻無法在課堂中即學(xué)即現(xiàn)地展示出來。利用NI ELVIS II 教學(xué)平臺和各種基本半導(dǎo)體元器件，我們設(shè)計實現(xiàn)了“低通濾波器電路”，實驗包括硬件電路和軟件仿真兩個部分。
（1）按照圖1、圖2對濾波電路的信號源和電源電壓進行設(shè)置。經(jīng)過Multisim仿真，觀察輸出信號，發(fā)現(xiàn)輸出信號與輸入信號反相。進一步調(diào)整信號源的輸入信號頻率，電源的電壓值，觀察電路輸出有無變化，與理論結(jié)果是否一致。
（2）進入3D ELVIS II，學(xué)生可嘗試不同的布局布線，比如圖3所示。
2.2課下實驗探究
為幫助學(xué)員能夠即時觀察復(fù)雜理論知識的實驗展示效果，并且親自動手實踐，鞏固理論知識學(xué)習(xí)，設(shè)計實現(xiàn)了濾波電路測試系統(tǒng)，可變電源輸出電壓12V～0V，通過實際調(diào)整輸入信號頻率、電路參數(shù)，觀察濾波電路輸出信號波形，F(xiàn)FT頻譜，鞏固和理解濾波器截止頻率、帶寬和波形失真等理論知識，實驗測試界面如圖4所示。
3結(jié)語
本文采用的虛實結(jié)合的教學(xué)模式，將理論與實踐相結(jié)合，大大改善傳統(tǒng)的純理論傳授教學(xué)模式的弊端， 讓學(xué)生所見即所學(xué)，另一方面，基于虛實結(jié)合硬件環(huán)境的高集成性，易測量性，不僅可以緩解實驗室資源的緊張情況，以便學(xué)生課下隨時隨地自主實踐，從而使學(xué)生較快的將知識的理解內(nèi)化遷移為技能的掌握，使學(xué)員被動學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)， 將句號課堂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱柼栒n堂，大大提高教與學(xué)之間的交互性。
參考文獻
[1] 汪源，王連勝，梁志勇.NI ELVIS在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：35-37.
[2] 柳征，姜文利.電子工程本科專業(yè)課教學(xué)方法改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010（6）：80-81.
[3] 李悅麗，張漢華.電路課程教學(xué)中的實例教學(xué)法探討[J].中國電子教育，2013（2）：54-56.
[4] 榮海林，姚福安.基于MyDAQ 的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實驗室開發(fā)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017（12）：133-136.
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吳蘇 胡秋月 馬知遠
摘 要 本文基于以學(xué)員為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高實踐能力，實現(xiàn)教學(xué)資源共享，利用ELVIS 多功能教學(xué)實驗平臺，提出了虛實互動的實驗?zāi)Ｊ剑O(shè)計了教學(xué)案例，驗證了其可行性，在節(jié)約教育投資、共享教育資源等方面具有重要的意義。
關(guān)鍵詞 教學(xué)改革 虛實結(jié)合 口袋實驗 理實一體
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近年來，伴隨著科技的突飛猛進，社會對于人才的要求不再是單純知識型，而是從知識、技能、素質(zhì)三個方面提出要求，不僅要強調(diào)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更加強學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。關(guān)于大學(xué)課堂教學(xué)方法和模式的研究已成為現(xiàn)代教育教學(xué)改革的核心問題，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足現(xiàn)在信息化時代的要求，現(xiàn)階段高教工作模式正進入一個數(shù)字化、信息化的時代。
電子技術(shù)系列課程作為學(xué)科基礎(chǔ)必修課，是一類實踐性很強的課程，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識的同時，在課下開展實驗，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，而傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗需要實驗設(shè)備的配合，在實驗室進行，如果開課班級較多，則實驗室的容納人數(shù)有限，使得實驗課程的開展受到時間和地點的限制，不利于學(xué)員隨時隨地開展自主探索，影響學(xué)員對知識的理解程度，導(dǎo)致理論和實踐脫節(jié) 。
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1.1 硬件環(huán)境
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1.2 軟件環(huán)境
ELVIS II是基于圖形化編程語言LabVIEW與原型創(chuàng)建環(huán)境，該平臺嵌入Multisim 仿真軟件，采用虛實結(jié)合的方式，通過先仿真后實現(xiàn)的工程設(shè)計思路，所見即所得，進一步培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力，提升了電路設(shè)計的效率，教學(xué)效果明顯提高。具體在有個電路設(shè)計中，先進行Multisim電路仿真，利用虛擬仿真環(huán)境搭建3D電路，并嘗試不同布線，以便實物連接時選擇最優(yōu)方案;用LabVIEW 軟件通過計算機與NI ELVIS II 教學(xué)平臺聯(lián)接，通過軟件編程測試環(huán)境，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，便于學(xué)生可視化理解頻帶、頻譜、I-V曲線等各種電路特性。
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虛實結(jié)合的教學(xué)模式極大活躍了課堂氣氛，教師在課上根據(jù)相關(guān)知識點，通過NI ELVIS II教學(xué)實驗平臺上，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了模擬實際的環(huán)境模型，采用虛實結(jié)合的形式使學(xué)生加深對基本概念和基礎(chǔ)原理的理解，較快建立起模擬電子技術(shù)的基本理論構(gòu)架，在課下，通過布置課堂DIY實驗，使學(xué)生了解到本節(jié)課程知識的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教與學(xué)之間的交互性。
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（1）按照圖1、圖2對濾波電路的信號源和電源電壓進行設(shè)置。經(jīng)過Multisim仿真，觀察輸出信號，發(fā)現(xiàn)輸出信號與輸入信號反相。進一步調(diào)整信號源的輸入信號頻率，電源的電壓值，觀察電路輸出有無變化，與理論結(jié)果是否一致。
（2）進入3D ELVIS II，學(xué)生可嘗試不同的布局布線，比如圖3所示。
2.2課下實驗探究
為幫助學(xué)員能夠即時觀察復(fù)雜理論知識的實驗展示效果，并且親自動手實踐，鞏固理論知識學(xué)習(xí)，設(shè)計實現(xiàn)了濾波電路測試系統(tǒng)，可變電源輸出電壓12V～0V，通過實際調(diào)整輸入信號頻率、電路參數(shù)，觀察濾波電路輸出信號波形，F(xiàn)FT頻譜，鞏固和理解濾波器截止頻率、帶寬和波形失真等理論知識，實驗測試界面如圖4所示。
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參考文獻
[1] 汪源，王連勝，梁志勇.NI ELVIS在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：35-37.
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[3] 李悅麗，張漢華.電路課程教學(xué)中的實例教學(xué)法探討[J].中國電子教育，2013（2）：54-56.
[4] 榮海林，姚福安.基于MyDAQ 的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實驗室開發(fā)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017（12）：133-136.
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