摘要：文章首先阐述了面向CDIO理念的电子电路课程虚拟仿真实验教学设计，然后从教学目标、教学思路、教学进程、教学重点、教学评价五个方面论述了面向CDIO理念的电子电路课程虚拟仿真实验教学实践。

　　关键词：虚拟仿真实验教学；电子电路课程；CDIO理念

　　CDIO[Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）、Operate（运作）]理念是国际工程教育改革的新型理念。当前，国内较多高校的电子信息类专业计划通过引入CDIO理念，积极探索基于新工科建设的人才培养创新实践新机制。但由于电子技术工程领域具有强实践、重应用、快发展、损耗大等特点，且电子信息类专业课程实验设备更新慢、实验器件费用高、实验实践性学时有限，加之学生动手实践机会少，接触行业市场少，导致其缺乏解决实践性问题的经验和能力。

　　2019年9月，教育部发布《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，提出要“积极发展‘互联网+教育’，探索智能教育新形态”。虚拟仿真实验采用虚拟现实技术构建虚拟实验环境，由此，学生可以像在真实的实验环境中一样，完成各种预定的实验项目，且取得的学习或训练效果等同甚至优于在真实环境中取得的效果。因此，在电子信息类专业电子电路课程实验教学中，教师面向CDIO理念，积极进行电子电路课程虚拟仿真实验教学设计，科学落实电子电路课程虚拟仿真实验教学实践，有助于更好地打造以学生为中心的电子信息类智能教育新形态，更好地为学生配置电子电路课程实验资源和空间，以进一步提升实验教学效果。

　　一、面向CDIO理念的电子电路课程虚拟仿真实验教学设计

　　在电子信息类专业学生培养中，电子电路课程作为专业基础课，承担着培养学生应用电子电路知识和技术解决专业领域问题能力的重任。其中，实验教学环节可以为学生提供直观感知、认识、理解、应用电子电路的实践机会，有着极其重要的作用。但现场实验往往存在场地、设备、时间等限制，导致实验效果有限，亟待改进提高。而电子电路课程虚拟仿真实验可突破现场实验时间、实验空间、实验环境的限制，不仅可让学生随时随地进行实验，也能为学生提供大量在虚拟仿真实验环境里对虚拟实验对象“仿真试误”的机会，尤其是让学生通过自行设定相应实验参数，反复进行特定电子电路知识和技术内容实践练习，将极大地提升学生电子电路设计的科学化和专业化水平。因此，在电子电路课程虚拟仿真实验教学设计中，教师可综合虚拟仿真技术、电子电路技术、计算机网络技术，面向CDIO理念，从互动引导、层次递进、师生协同的实验教学进程设计，任务驱动、虚实融合、理实交互的实验教学方法设计，数据支撑、过程评价、综合评估的实验考核标准设计三个方面着手。

　　（一）互动引导、层次递进、师生协同的实验教学进程设计

　　电子电路课程虚拟仿真实验教学进程设计分为任务接触阶段、任务布置阶段、任务熟悉阶段、任务实施阶段和任务评测阶段五个阶段，如图1所示。实验任务接触阶段，教师、学生进入电子电路课程虚拟实验仿真环境，教师制定实验方案，学生选择实验课程和项目。任务布置阶段，教师展示电子电路课程虚拟平台，学生体验实验课程的电子电路虚拟实验环境。任务熟悉阶段，教师发布电子电路课程虚拟仿真实验设计任务和要求，学生梳理实验任务要点，师生进行任务目标和需求交流。任务实施阶段，教师讲解分析基本设计思路，学生思考探索实验思路，并与教师线上进行互动，同时学生通过电子电路课程虚拟仿真实验环境的“交流—设计—仿真”人机交互方式，与虚拟电子电路、各类电子器件和仪表实时互动，进行操作练习，实现电子电路课程知识和技术边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。任务评测阶段，电子电路课程虚拟仿真实验操作结束后，通过填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，评价掌握情况，同时可以根据评价结果和兴趣，反复进行电子电路课程虚拟仿真实验，进而提高电子电路课程学习效果。

　　（二）任务驱动、虚实融合、理实交互的实验教学方法设计

　　1.任务驱动下的实验构思、设计。电子电路课程虚拟仿真实验教学中，教师以课程理论知识的应用为背景，导入实验任务，建立实验任务设计概念；在实验任务布置中化整为零，将电子电路系统划分为若干相对简单且易于理解的电子电路子功能模块，学生分工协同或以个人为主，结合相应的教学知识单元，逐步由浅入深、循序渐进地完成实验任务。电子电路课程虚拟仿真实验教学中，以教师讲授为主，学生思考和提问为辅，让学生掌握实验原理、实验内容、实验中涉及的知识点、虚拟实验器材的选择与使用方法，以及虚拟仿真实验开展过程中的注意事项，由此引发学生思考，提升其进一步学习的兴趣，使学生尽快进入学习状态。

　　2.虚实融合中的实验设计、实现。电子电路课程虚拟仿真实验教学中，在构思实验方案后，教师可采用虚拟仿真、电路实作形式，借助“互联网+”电子电路课程虚拟仿真实验室，设计虚拟实验电子电路。在虚拟实验电子电路实现有效虚拟仿真效果后，学生进入“互联网+”电子电路课程虚拟仿真实验室，进行电子电路实作实验。课后，教师通过“互联网+”电子电路课程虚拟仿真实验室进行总结和拓展，为学生提供一个课堂内外互通的平台，提高课程学习效果。“互联网+”电子电路课程虚拟仿真实验室也可以为学生提供日常使用各类电子电路仪器设备的场所和机会，使学生在不进入现场实验室的情况下，共享电子电路设备资源，拓展电子电路课程学习时间和空间。

　　3.理实交互化的实验实现、运作。电子电路课程虚拟仿真实验教学的实现、运作中，学生利用虚拟仿真实验环境，通过讨论、分工、合作等互动交流方式，以理论为基础，通过实验验证知识，深化课程关联知识点、技术方法。学生在课程虚拟仿真环境中还能一边练习电子电路元件选型和参数计算，一边学习电子电路应用特性和设计方法，一边调整电子电路测试分析和性能效果，使得自身可在虚拟仿真实验练习中学习课程理论、在课程理论实践中掌握技能，进而增强自身的课程学习兴趣，达到事半功倍的效果。此外，电子电路课程虚拟仿真实验的理实交互化特点—“即练即学、即学即练”，也可以促进师生之间、学生之间实现交流和思维的碰撞，激发学生的创造力和想象力。

　　（三）数据支撑、过程评价、综合评估的实验考核标准设计

　　电子电路课程虚拟仿真实验平台可以实时收集学生仿真电路、仿真实验效果等相关数据，故教师可综合学生在虚拟仿真电路环境中的现场实验操作、仿真技能和实验完成等情况，科学客观评测实验效果，合理考核学生实验情况，将实验评价内容分散到各实验环节中分别完成验收，增强考核结果的客观性和效果性[8]。笔者认为，最终实验考核验收应采取方案设计、电路仿真、电路实作、报告总结四个方面相结合的标准，这样既实现了过程评测、突出重点的效果，又提高了课程实验考核结果的综合评估性。

　　二、面向CDIO理念的电子电路课程虚拟仿真实验教学实践

　　“数字电路”是电子信息类专业“三大电”系列的最后一门电子电路课程，因此笔者现结合“数字电路”课程，对面向CDIO理念的电子电路课程虚拟仿真实验教学实践加以论述。

　　（一）教学目标

　　“数字电路”课程虚拟仿真实验教学中，要求设计一个60秒或5秒倒计时的电子秒表时序电路。即以时序电路分析为切入点，在时序电路的时序状态、脉冲信息等设计中，利用脉冲信号实现对计数循环模块的脉冲控制，并根据输出脉冲频率，使计数器在规定时间内完成状态转换，之后选用4输入显示数码管或7输入显示数码管，将计数循环电路模块的状态转换用数字显示出来，使学生深入细致地掌握时序电路工作机制和效果，并进一步掌握时序逻辑电路的设计方法及基本步骤[9-10]。

　　（二）教学思路

　　电子秒表时序电路虚拟仿真实验构思环节，教师讲解电子秒表时序电路设计要求，之后师生交流设计思路；设计环节，学生通过独立思考、查找网络资料或小组讨论电子秒表时序电路设计方案；实现环节，在开放式虚拟仿真实验教学管理平台上，学生独立完成虚拟电子秒表时序电路的构建、仿真和调试；运作环节，学生在现场实验室实作验证电子秒表时序电路，探索应用场景。

　　（三）教学进程

　　电子秒表时序电路虚拟仿真实验主要引导学生对时序逻辑电路的设计与应用进行学习，具体教学进程（以60秒为例）如下。

　　步骤1：熟悉仿真软件环境，交互建立电路文件。步骤2：交互构思设计思路和总体方案设计。

　　步骤3：交互选择虚拟电路元器件和仪表。步骤4：交互设置虚拟电路元器件参数。

　　步骤5：交互设计电路脉冲源部分，并观察仿真运行效果和输出脉冲信号，记录信号参数和波形。

　　步骤6：交互设计个位计数器部分，并观察仿真运行效果和输出信号，记录状态图。

　　步骤7：交互设计十位计数器部分，并观察仿真运行效果和输出信号，记录状态图。

　　步骤8：交互设计个-十位计数器时序关系，并观察仿真运行效果和输出信号，记录状态图。

　　步骤9：交互设计完成所需秒表的状态逻辑关系，并观察仿真运行效果和输出信号，记录状态图。

　　步骤10：交互设计二-十进制译码部分，并观察仿真运行效果和输出信号，记录输出信号。

　　步骤11：交互设计LED显示部分，并观察仿真运行效果和输出信号，记录输出信号。

　　步骤12：交互虚拟时序电路仿真，并观察仿真运行效果和显示时间状态，记录显示时间状态。

　　步骤13：根据实验要求，交互优化设计虚拟时序电路和仿真显示效果，如图2所示。

　　步骤14：交互输出电路仿真文件和仿真工作效果。

　　步骤15：实验室现场验证效果，如图3所示。

　　步骤16：虚拟时序电路实验总结，撰写实验报告。

　　（四）教学重点

　　1.深化知识理解。电子秒表时序电路虚拟仿真实验中，学生需要自行设定实验电路相应参数，将不可及的电子电路课程知识当中的抽象概念、虚拟仿真实验转化为直观、可控的虚拟仿真信号、虚拟仿真图形、虚拟仿真数据等形式，由此学生可更为全面地展示、说明元件特性、电路信号等非可见物理现象，并加深对元件参数、模块特性、电路功能等电子电路课程知识的理解。

　　2.强化技能掌握。电子秒表时序电路虚拟仿真实验中，学生需要独立完成单稳态触发器、多谐振荡器、时序电路、各计数器模块电路分级调试及总调试实验项目，通过逐步理解、掌握典型功能单元的设计处理流程，能够提升其对元件应用、信号传输、现象分析、电路设计等电子电路课程技能的掌握程度。

　　3.提升实践能力。电子秒表时序电路虚拟仿真实验中，学生需要由浅入深地逐步开展实验，独立思考、练习、实现实验电路的前后级模块物理连接、特性调配、信号耦合、功能实现等关联交互，提升问题分析、方案构建、调试实践、功能应用等能力。

　　（五）教学评价

　　电子秒表时序电路虚拟仿真实验突出“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的“数字电路”实验教学理念，构建“交流—设计—仿真”的虚拟时序电路设计仿真实验方案，相比传统实验形式，实验教学效果的提升主要表现在以下三个方面。一是实验教学实践性更突出。本实验以时序电路分析和设计为切入点，以时序状态、脉冲信息、电子元器件特性等为实验变量，在软件仿真、人机交互、线上交流等虚拟仿真环境中，实施虚拟时序电路仿真实验，实现了边练习、边学习、边调整，不足之处可及时得到改正，能突破现实中专业化电子信息工程人才培养的瓶颈。二是实验评价更客观。本实验从虚拟仿真电路环境中的现场实验操作、仿真技能和实验完成情况等角度科学客观评测实验效果；在虚拟时序电路人机交互、实验报告撰写等实验环节中，学生可以反思自己的全部操作，并对自己知识、技能、能力等学习情况进行客观合理评价。三是能扩大实验教学的影响。本实验以学生在虚拟时序电路仿真环境中与器件、模块、电路的互动为主，实验时间灵活、实验空间可达，实际课堂中所学时序电路知识可全时空应用于虚拟仿真实验中，能够进一步强化电子电路课程的时间覆盖性、空间可达感，有效扩大电子电路课程实验教学的影响。

　　为了更科学合理地评价虚拟仿真实验教学效果，本着自愿参与原则，在“数字电路”课程虚拟仿真实验教学后进行的教学情况调查中，笔者收集了电子信息类专业各班级学生的反馈意见和建议，并进行整理统计，结果发现，67.0%以上的学生对实验体验评价为较好以上，如图4所示。实验教学反馈表明，通过设计虚拟仿真实验项目，学生实验体验度和收获感有明显提升，该教学方法有必要在同类课程中加以推广。

　　三、结语

　　现有电子信息类专业的电子电路课程教学中，现场实验存在多种实际困难。因此，在教育部发展智能教育新形态的意见指导下，笔者基于CDIO理念，在电子电路课程虚拟仿真实验教学中，科学制定了“交流—设计—仿真”的虚拟仿真实验教学方法和步骤，并在所在学校电子信息类专业进行了初步教学实践。经实践发现，学生在虚拟电子电路仿真环境中，能够将电子电路课程理论知识应用于虚拟仿真实验，学习电子器件和电子电路特性，并在有限的时间里实现了电子电路信号的传输、处理和应用。另外，评估结果表明，电子电路课程虚拟仿真实验有效提升了实验教学效率和效果，有助于进一步解决电子信息工程人才培养面临的现实问题。

       参考文献：

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