电路虚拟实验教学系统的研究与应用 - 图文(5)

北京邮电人学顾：Ｉｊ论文模拟ＩＵ路虚拟实验教学系统的研究’，ＩⅣ用鬯？ｉ耋耋缓篓翳！鲮莠缓翳鍪露露蘩墓ｉｉ骖ｅ簟ｊ；ｉｉｉ§蒸ｉ、。∥矗。。一一．。』羔≤墨畿ｊ！五，敫；≥，多ｊ：ｊ：：：¨…。：ｊｚＵ厶ｈ酗Ｉｔ扛?’ｎ¨ｔｌ－对ｏｔ如ｌｃ?扣ｃ?ｌｔ”ｌ?‘珏ｈ。＾，玉ｈｄｗ珏ｄｐ一西型纛刨剑臼ｌ口ｊ≯ｌ咧害：馥！，受业，量ｉ—ｊ｜目盈Ｊ矿—————］剿童坦ｉ型ｌｉ！ｉ｜：｜舅Ｘ剧图１－２ＰＳｐｉｃｃ仿真时若电路中有悬空节点的情况（３）仿真过程和结果表现形式方面在仿真过程中，ＰＳｐｉｃｅ在仿真过程中若遇到电路连接上的错误，会给予文本提示错误信息，没有仿真结果，直到电路搭接无误后，仿真才会完成，得出结剁乃Ｊ。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ，在仿真过程中，它不提供电路错误提示，虽然会有仿真结果，但是结果是错误的。＠ｕｃｓ不光会有文本提示电路连接上的错误信息，还会提示部分参数设置上的错误信息，虽然三种软件都能提供图形仿真分析结果，但是Ｍｕｌｔｉｓｉｍ可以通过虚拟仪表来查看仿真结果，比较直观；ＰＳｐｉｃｅ提供了文本的仿真结果和Ｓｐｉｃｅ语法描述的电路文档，对于电路各个节点的电压或电流的静态工作点可以通过文本的形式查看。Ｏｕｃｓ的仿真结果需要在仿真后在元器件组建列表中的图表组中选择查看结果的形式，比如图表或者表格之类，同时选择想要查看的结果的名称，结果就会以图表或者表格的形式表现出来。．１．３．３在教学中的优势与不足上文中三种电路仿真软件界面友好，操作方便，均可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上运行，直观的图形用户界面使用户能够很快的熟悉操作，创建电路，进行电路仿真北京邮ＩＵ人学倾Ｉｊ论义模拟｝Ｕ路Ｊ．最拟实验敦！学系统的训究’』肪川试验。不必担心凶对电路不熟悉而连接错误造成器材不必要的损耗，学牛可以利用计算机随时随地开展实验练习，较之现在很多高校实验室采用的电子屯路实验箱、电路实验板，能让学牛在电路的搭接过程中更熟悉电路的结构，并且节省时间、空间，不仅弥补了实验教学不足带来的遗憾，同时培养了学牛．的动手能力和创新能力。实验结束后，可以将所完成的实验以相应格式保存，供ｆ１后使用，或用作教师课后评分使用。以ＰＳｐｉｃｅ为例，不仅能够完成实验电路的仿真，保存实验电路图，仿真结果等，同时，电路图和实验结果可以复制粘贴在Ｗｏｒｄ文档上，方便实验结束后实验报告的完成。但是对于初学电子电路类课程的学牛而言，通过这样的仿真软件．ｆＩＪ’以补充实验室教学的不足，但是对于一些进行远程学习的学生而言，本身就没有条件进行实验学习，这三款软件中只有Ｍｕｌｔｉｓｉｍ提供了虚拟仪器，．方便查看实验结果，因而它的操作环境更接近实验窒环境，操作更简单一些。此外这些仿真软件毕竟属于专业型的工程软件，并不是专门为辅助教学而设计的。对于电子电路的初学者来说，很多地方涉及到比较专业的术语，学生不能立刻熟悉软件的功能和操作；且这样的软件功能比较强大，实际上有很多功能在实验教学中用不到的，如果在使用前未对学生进行相应的说明，会让学生在操作过程中不知所措。同时，这样的软件所提供的电子元器件绝大部分是以电路符号的形式呈现的，所谓的电路图的搭接，不过是把电路图从书本上搬到了电脑上，学牛面对的是一堆电子元件的符号，而非实物，缺乏逼真感，与实物实验存在着差别【２４ｊ，不能很好的锻炼学生在实验过程中的动手，动脑能力。１．４研究内容１．４．１研究内容的提出背景实验教学【２５Ｊ是人们利用科学仪器设备等物质条件，人为的控制和模拟自然条件，发展现有理论，培养学牛科学的实验方法和形成综合的实践能力的教学形态。实验教学是理工学科必要的一种教学形态，近年来，我幽的远程教育迅速发展，在远程教育中对实验课程的学习要求也越来越高。与面授式的教育形式有很大不同，远程教育的特点是师牛分离，虽然具有以网络为依托，具有时空自由、资源共享、‘系统开放、便于协作等优点，但是在组织实验教学上却存在许多网难。远程实验窒虽然可以获得比较精准的实验数据和结果，但是需要大量昂贵的远程控制设备，实验室的建设工程比较大，且每次实验只能由一人或一‘组人员进８北京邮Ｉ乜人学坝ｌｊ论文行操作，实验中断或完成不便丁．保存留待后续使用，不利于大面积广泛推广使用。本地虚拟实验系统可以随时利用计算机进行实验操作，节省时间、空间，极大地改善和弥补了目前实验教学所面对的资金设备缺乏所带来的问题，但是只能进行单机操作，在远程网络教学中缺乏交互性。远程虚拟实验系统结合了远程实验室和本地虚拟实验系统的优点，既可以实现远程交互，同时通过计算机软件仿真来实现实验的全部过程，实验结果精确，并且便于保存实验过程和结果等信息。＋目前远程虚拟实验系统以其强大的教育教学优势成为国内外研究的热点，但是我国在这方面的研究较之国外还有很大一部分差距。目前的研究主要集中在系统的设计和开发层面上，对于系统在教育教学领域应用情况方面的研究几乎没有。我于２００８年４月开始进入项目组中参与课题研究，在近一年半的时间里，我主要的工，乍围绕模拟电路虚拟实验系统需求分析工作而展开，涵盖了针对模拟电路虚拟实验的前期调研和文献调研，需求分析，算法分析和接口设计以及等工作。因此，本文没有描述一个完整的模拟电路虚拟实验系统的各个功能模块的设计和开发工作，而是将阐述范围仅限定于在模拟电路虚拟实验系统的介绍和该系统在教育教学的应用设计研究方面，这是本论文的论述重点。１．４．２研究内容一本文借助于研究牛阶段参与的模拟电路虚拟实验系统的开发工作，对模拟电路虚拟实验系统在教学中的应用情况进行设计和研究。在查阅了大量的国内外市｝Ｉ关文献的基础上，并且结合目前模拟电路虚拟实验系统的研究情况，本文将研究重点放在了对模拟电路虚拟实验系统在教学应用的研究上，结合我所参与的项目，对其在教学中的应用进行教学设计，并对该系统在实际应用中的情况进行分析研究，对后续研究进行展望。９：｜匕京邮ＩＵ人学坝Ｉ．论义模拟ｌＵ路虚拟实验教学系统的｜｜ｊＪ『了‘ｏｊＪ■用第二章教育理论和技术基础理论基础２．１．１远程教育理论远程教育（ＤｉｓｔａｎｃｅＥｄｕｃａｔｉｏｎ）１２６１，广义的定义是为了解决师生双方由于物理上的距离而导致的，表现在时空两个纬度上的教育学行为键的分离而采取的，重新整合教学行为的一种教育模式。狭义的定义是指教师和学生在时空上相对分离，学牛自学为主、教师助学为辅，教与学的行为通过各种教育技术和媒体资源实现联系、交－瓦和整合的各类学校或社会机构组织的教育的总称。随着信息技术的成熟和教育事业的发展，远程教育是一种必然趋势，特别是在广大发展中国家，广泛存在教学资金不足，教学资源紧缺等问题。远程教育恰能弥补这一不足。从本质上说，远程教育只是一种与学校教育不同的教育模式，它最突出的特征有：（１）在远程教育系统中的教师和学生是分离的，学生与学牛在大多数情况下也是分离的；（２）远程教育系统中有多种传播教学内容的手段；（３）教师在教学活动中的地位和作用发．牛变化，学牛成为教学活动的中心：（４）远程教学系统是一个交－瓦式的系统。本文所介绍的模拟电路虚拟实验系统也是基于远程教学中实验教学的需要而开发的。在远程教学中，由于师牛分离，以及物理条件的限制，长期以来无法‘开展实验教学活动，通过本文所研究的模拟电路虚拟实验系统，对解决远程教育中实验教学有一定帮助。．’｜，．’●●－－●‘●＾ｆ●●一一●－●－Ｊ２．１７２建构主义学习理论’，＋，＿－－．建构牛义学习理论【２７１是由行为丰义发展到认知丰义以后的进一步发展。建构丰义学习理论认为学习是学习者在与环境的交：巨作用的过程中丰动的建构内部一ＩＬ，理表征的过程。知识是学习者在一定的情境下借助其他辅助手段，利用必要的学习材料和学习资源，通过意义建构方式获得的。建构．十义学习理论强调以学习ｌＯ北京邮电人学坝ｌｊ论义模拟ｆＵ路虚拟实验教学系统的１ｉＪ『究’Ｊｌ训司者为中心，认为∽Ｉ青境”、“协作”、“会话”和“资源”是建构书义学习环境中的基本要素或基本属性。建构丰义对学习有以下几点内容：（１）以学习者为中心：（２）学习时学习者主动建构内部心理表征的过程，强调学习过程要充分发挥学．习者的丰动性：（３）学习过程同时包括两方面的建构，既包括对旧知识的改组和重构，也包括对新信息的意义建构；（４）学习既是个别化行为，又是社会化行为，学习需要交流和合作；（５）强调学习的情境性，重视教学过程对情境的创设；（６）强调资源对意义建构的重要性。模拟电路虚拟实验教学系统是以建构丰义学习理论为基础，设计和开发的适用于以学习者为中心的对现实实验环境的仿真，学生在实验操作中达到学习目的的教学系统。２．１．３学习环境建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助他人（教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。因此，建构丰义强调以学牛为中心的学习环一境的设计，注重学习者个体或写作的知识建构的问题解决。乔纳森等人于１９９９年提出的建构丰义的学习环境模型１２研（ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｉｓｔＬｅａｒｎｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｍ，ＣＬＥ），该模型由以下六部分构成（如图２．１）：ｌ、问题／项目情境：指学习事件的焦点，乔纳森强调要以问题驱动学习。设计者要为学习者提供对象、符号和工具，使学习者在环境中操纵这些变量。２、相关案例：学习过程需要运用相关案例来支持学习者的相关经验。３、信息资源：信息可以使其在情境中的应用产牛相关的意义，提供相关的信息能帮助学习者理解和解决问题。４、认知工具：指能承担和促进特定认知过程的计算机工具。它能帮助学习者完。．成问题求解任务。．。．’．’５、交流与协作工具：建构年义强调学习是通过交流、共享、协作，以社会性的方式实现知识的建构，交流与协作工具可以用来支持学习者在学习过程中的对话和写作，共享知识和价值观，实现共同学习的目的。６、社会／情境支持：社会／情境支持包括物质基础设施ｊ教师和学习者的训练和准备情况，是实施学习活动的必要和重要冈素。