基于集成式测量仪器的电子线路课程实验平台研究文献综述

 2023-08-10 15:10:36
  1. 文献综述(或调研报告):

国外研究现状与发展:国外在教授电子线路,电气工程等基本原理的课程中,例如入门电路理论中,对教科书的依赖程度更高,而大多数教材缺乏对许多重要的概念的特征表述[1],教科书和讲师可能会通过使用习惯性的语言助长误解例如“使用电流”,“电流”或“电压就是力或电流强度”这样的错误观念,甚至涉及到电路表述的不一致和多重表示。国外学者研究探讨了学生对电路的基本概念的错误理解的类型和来源,例如教科书和讲师在讲解电路知识的时候经常在实物和示意图之间切换,而很少解释清楚电路组件的两端特性。结果是,学生可能能够理解原理图的行为,但不了解实际电路的操作。因此Bull等人,通过调研总结了44个与电路有关的错误解释[1],包含基本数量知识,定律,网络定理,电路的分析,相量和电抗电路等概念,从而Alexander和Kulikowich[2]开发了一个交互模型来描述从教科书中学习的内容,通过这个模型极大的纠正了以往教学中的概念错误表述和错误理解,帮助教材的重新编写和表述,同时学生知道然后使用这些研究成果来计划和制定学习任务,帮助他们自己丰富或修改了他们最初的知识理解。同时国外调查结果表明在教学过程中频繁使用更加形象和具体化,更加贴近实际的图表能够积极地增进概念理解,推广电路科学模型。国外研究发现,要实现这种最大程度的模型教学,最好的方式就是引导学生进入实验室,亲身实践,从而加深和构建对知识的正确理解,而虚拟物理实验室更好的解决了这个问题,它能够更大的激发学生兴趣度和参与度,对概念的理解也能更丰富。

麻省理工学院于20世纪80年代开始建立Weblab在线实验室并投入使用。随后,美国政府在天体物理学、海洋学、核科学等领域建立了虚拟实验室示范项目,各大专院校的电气工程专业也开始建立虚拟实验室。例如,犹他州立大学将Matlab与LabView结合起来,

使用两个软件开发在线EMC课程。近年来,对虚拟实验室在新能源教学和电力系统故障分析教学中的应用也进行了研究[14]。电路课程已经成为本科生工程教育的主要基础课程。校园内的本科生确实需要与电路相关的教学和实验。由于实际电路实验室设备和教学安排的限制,学生不能去实验​​室做他们喜欢的实验。国外学者开发出VL 虚拟[3]系统可以为学生提供解决问题的极好方法,使用VL系统,学生可以预览和准备实验,这可以提高学生到实际实验室之前的技能,并减少学生操作错误的风险,对电子线路的课程教学具有促进作用。

对于虚拟实验室,国外通过统计分析和模型测试的方法,得出对虚拟仪器的感知和实用性被认为是对学生产生影响的最重要的影响因素[4]

在此基础上,Susan Bobbitt Nolen and Milo D. Koretsky[5]提出虚拟实验室对教学设计带来的启示,影响学生参与程度,而这种影响客观来说是积极的,正向的,当然由于一些实验的条件约束,结果是有一定局限性。

国内研究现状与发展:在国内电子线路课程的教学长期沿袭着传统的教育教学方法,教师在进行课堂授课的过程中,常常是一个人掌控全局,使得学生一直处于课堂教学的被动一方,难以跟随教师的脚步进行积极的思考,在这种情况之下,国内也在进行改革,在电路原理的教学改进中,从原来的传统灌输式教学,逐步转变为了引导式教学法,在改进的过程中可以总结为以下四个方面[6]:1.引导学生思考,培养学生兴趣2.运用项目教学,增加实践机会;3.注重实验教学,完善教学不足;4.丰富教学方法,创新教学手段。

针对传统教学方法的不足,国内学者指出结合上述四个改进方法在授课过程中结合教学内容适当引入一些实际工程项目,通过分析实际案例,引导学生理解和掌握一些平时觉得很抽象的重要知识点。这样不但有利于激发学生的学习兴趣、加深学生对一些重要知识点的理解和掌握,还能锻炼学生的工程实践能力,提高工程化人才的培养水平,经过数年的实践表明,该教学方法取得了较好的效果。

值得一提的是,在国内有学者创新构建了一种情景化课堂游戏设计方法[7]应用在大学电子信息类课程的教学中,针对大学电子信息类课程普遍存在知识点抽象、难以理解且较散杂的问题,分析电子信息类课程的教学特点,提出一种情景化课堂游戏设计的方法,该方法将多个知识点融入到具体的故事背景中,以课堂游戏的组织形式来进行课堂教学,能活跃课堂气氛,并有效提高教学效果,这套教学方法的核心在于将知识点故事情景化,然后针对课堂教学设计规则,角色分配让学生最大限度参与其中,通过构建合理“剧情”,将知识点融入剧情中进行讲解,有助于消除学生对抽象知识的畏难情绪。

与国外研究现状相似的是,国内早在2010年之前就有人做出了基于MULTISIM2001虚拟实验平台[8]的电路设计与研究和基于VRML与3DMAX的电路虚拟实验平台[9]的设计与实现,用于辅助电子线路等相关课程的教学,激发学生主动学习的兴趣和动力,很大度上提高了学生分析问题、解决问题以及工程实践的能力。以电机学的虚拟实验室平台为例[10],引入电机学虚拟实验室,教师可以在课堂对抽象难懂的理论知识进行仿真演示, 学生能够在课后对所学知识和实验项目进行虚拟仿真验证,既提高了课堂学习的积极性和效率以及实验课程的学习兴趣。

同时由于本次新型冠状病毒引起的肺炎疫情影响下,我们看到电子线路课程的教学方式不再局限于线下,基于各种网络平台的直播式授课也极大的发展了起来,在这一方面来看,国内早在疫情之前,就有学者讨论过应用网络平台提高“电路分析”课程教学质量的研究[11],并得出结论应用网络平台可以实现更大范围的信息资源共享,使学生的学习方法更多样、智能培养更高效、学生的学习效率也更高,可以更有效地提高电路分析课程的教学质量。同时结合虚拟实验,国内学者探究了基于互联网教学探究虚拟实验室的实施开展[12],提出并认为虚拟实验室是互联网教学未来的一个发展方向,虚拟实验室的实施开展可以根据不同的教学内容需求和教师的能力情况,从实验动态仿真、微课程、可视化动态课件三个方面进行实施开展。于是出现了互联网 实景实验平台的互补模式教学方法[13],通过视频传输保证实时观察实验现象,既保留了虚拟实验的优点,又降低了网络虚拟实验的失真度。网络平台提高了设备使用率,因此可以减少设备数量,提高设备质量,从而让学生获得更好的实验体验。

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