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摘要：结合山东科技大学信息与电气工程学院电路实验教学建设的实际情况，详细介绍了基于Multisim的远程电路实验建设过程中所做的具体工作、心得和体会。阐述了基于Multisim远程虚拟电路实验相对传统硬件实验的优势。实践证明，基于Multisim的电路虚拟实验在培养学生创新能力和实际动手能力方面发挥了极其重要的作用，并且在留学生培养方面发挥了一定的成效。
关键词：Multisim；远程虚拟实验；留学生培养；创新能力
作者简介：刘庆雪（1980-），男，山东邹城人，山东科技大学信息与电气工程学院，讲师；公茂法（1959-），男，山东临沂人，山东科技大学信息与电气工程学院，教授。（山东 青岛 266590）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）33-0191-02
在当前新的形势下，大学教育应全面符合经济和科技的发展，高校的教育理念应由知识教育转变为素质教育，其核心是创新教育。目前，学生的实践教育形式主要通过大量的专业实验和现场实习来完成。工科院校的电路实验教学在开展素质教育、培养学生综合应用能力等方面有着举足轻重的地位。
近年来，电路实验教学设备虽然得到改善，但单一硬件实验手段基本没有发生根本变化。一是硬件实验教学设备有限、实验室空间有限，而随着招生规模的逐年扩大，学生人数急剧膨胀，专业设置也不可同日而语，教学的难度和强度都相对加大，对实验设备、仪器的要求也在提高。二是实验学时有限，学生精力有限。在这种情况下，电路的实验效果必然受到影响。
随着计算机技术特别是远程开发实验技术的飞速发展，使传统的以定量估算和电路实验为主的设计方法产生了根本变化。[1]它突破了传统教学模式受时间、地点和实验设备和师资条件等的限制，用先进的网络通信技术，创建一个远程开放的实验环境，利用虚拟实验、远程控制实验形式辅助远程教学中的实验教学，同时降低实验室建设费用，提高实验设备使用效率。而且将现代化的、信息化的教学手段引入电路实验教学中，使学生能够随时了解和掌握实验教学内容，在电路实验设计中不受元器件的限制和固定实验设备的束缚，以达到更理想的实验效果，从而提高实验教学效率。[2]
在这一背景下，许多电子电路仿真软件应用而生，如：Pspice，Multisim，Simulink等，由于Multisim相对来说较简单，而且易于操作，界面直观，我们把它应用到电路虚拟实验中。
近几年，课题组成员对基于Multisim的虚拟电路实验进行了深入而细致的研究，并进行了一系列改革和实践。完成了电气信息类各专业电路课程实验教学大纲的编写和修订，并根据实验教学大纲的要求，参照传统的电路硬件实验项目，编制了一套基于Multisim的虚拟电路实验指导书，并在此基础上于2010年7月出版教材《电路实训教程》一部，建立了基于电路省级精品课程网站的远程虚拟实验平台，实验教学效果得到显著提高。
一、实验实践教学体系构建
实验实践教学体系以能力培养为主线，构建了“基础验证+综合设计+工程应用+创新研究”的三层次四模块的实验教学体系。
三层次实验内容：包括基本实验、设计性实验、综合性实验和创新性实验，其中又分为必做实验和选做实验。
三层次四模块能力培养模式：按能力培养目标划分，构建了一个相互依托、协调的三层次四模块能力培养体系。
电工电子实验中心建立了多层次模块化课程体系：依据三层次四模块能力培养模块，对实验课程进行优化，设置了相应的实验课程及课外实践模块，并结合多层次实验内容，构建了一个多层次、模块化实验课程体系，贯彻以学生能力培养为主线的教育理念，根据能力培养模块设置课程模块，各模块间相互依托、协调；实验项目按照层次设置，循序渐进、由浅入深、由简单到综合；课内课外实验相结合，可以对学生“因材施教”，使优秀人才能够脱颖而出。[3]
二、制定实验教学大纲
新大纲的编写重点突出对学生综合掌握知识能力和动手能力的培养，比如，基础课程的实验设置，除了安排必要的基础实验外，设置了设计性、综合性设计、创新性实验，注重基础培养和实践能力、创新能力训练。
电路课程作为第一门专业基础课，是为后续课程打下坚实的理论基础。因此，大纲中对实际元件模型分析的要求非常低，实际变量的模型也作为一般内容去了解。这样安排有利于集中有限的学时把基本内容学懂学透，避免内容泛泛，广而不精。而且相关内容在后续课程里面还要详细地展开，所以也可以避免不必要的重复。
三、编写基于Multisim10的电路虚拟实教材
根据课程组多年电路教学经验和心得编写了教材《电路实训教程》，并于2010年7月由中国石油大学出版社出版。本书可以帮助学生顺利进行虚拟仿真实验。这样可以使学生通过与硬件实验结合，相互促进，加深对实验内容的理解。本书体现了以下特色。
1.突出虚拟实验优势
近年来，随着招生规模的逐年扩大，大学教育已不再是精英教育，学生人数急剧膨胀，专业设置也不可同日而语。因此教学的难度和强度都很大，对实验设备、仪器的要求也在提高。另外，学生个体的学业水平、思维方式、动手能力都存在差异，要求在同样的、规定好的时间内完成同样的实验操作显然是不合理的。在传统综合、设计实验中，常常受到实验元器件以及实验设备的品种、规格和数量上不足的限制，不能满足各种新电路的设计和调试的要求且内容更新缓慢，学生只能在规定的时间和空间完成老师制定的设计项目，学生有些独特的想法和设计思路难以实现。另外，设计过程中电路的安装、调试、测量过程往往需要反复多次，难免出现错误连线和器件损坏的现象，不仅使电路调试费时费力，还可能造成错误的性能分析，使设计性实验达不到预期的效果。我们应该拓展实验方式，以计算机为媒介，以网络为平台搭建一个更大的实验空间。
而虚拟仿真实验为电路实验教学理念的更新和教学手段的改革提供了条件。只要在计算机上安装仿真实验软件，其逼真的界面及人机交互使仿真电路实验就可以像在实验室实际操作一样，元器件可随便调用，参数可以随意修改，一个设计方案不成功可以重新再设计，元器件不会损坏，实验仪器不会出现故障，也避免了电路实验中由强电所引发的安全问题，而且不受时间、地点、人数的限制，学生可以不受规定实验项目的限制，满足了不同层次学生的需要，大大扩展了实验空间和实验范围。实验过程不仅充满乐趣，而且大大提高了设计工作的质量和效率，使学生充分发挥其主观能动性和创造性。
2.实验内容循序渐进、由浅入深、由简单到综合
考虑到有些使用者基础薄弱，并根据实践能力培养的需要，实验项目按照层次设置，循序渐进、由浅入深、由简单到综合。这样，学生在没有教师亲自指导的情况下基本可以实现远程的学习和实验。
3.体现实验教学新理念，构建实践实验教学新模式
考虑到电路课程是面向电气信息类专业本科生开设的第一门非常重要的专业基础课程，既有很强的理论性又有较强的工程实践性。因此，在充分认识电气信息类本科专业实践的重要性的基础上，指导书和教材中体现了“实践是创新的源泉，在实践中创新”的新理念，并在实践和实验教学环节中充分体现和实施。在实验设备、师资力量等条件得到实质性改善的前提下，使学生能够真正动手实践，彻底改变仅仅眼睛看实验看实践的状况。
4.加大综合性设计性实验比例
电路实验分为验证性实验和综合设计性实验，前者比较简单直观，易于理解且实验目的明确，而后者目前在整个实验中所占比例还比较小，但随着实验教学改革的推进，其数量和要求也越来越高。当前实验教学改革的目的就是要培养学生的创新思维、创新能力和综合素质。综合性、设计性实验在这方面有着独特的优势，它让学生自己设计实验方案、选择仪器设备、制定实验流程、处理分析数据、完成实验报告，充分发挥了学生的创造力。学生根据给定的题目，或者自拟题目，查阅资料，设计实验步骤，进行实验，写出实验报告。实验的主要目的是培养学生的实践能力和创新能力，通过实验操作，总结提炼，使思维方式得到升华。因此，在完成传统经典实验的基础上，适当地加大设计性实验的比例，不仅可以更好地调动学生的积极性和创造性，而且也让学生有更多的自主发挥的空间。
四、建立了基于电路省级精品课程网站的虚拟实验平台
网站提供课程的多媒体课件下载；建有互动讨论系统，为学生进行课业的答疑解难；实时地公布各种教学信息、实验技术研究新成果及有关的教学参考资料；建有实验预约系统、网上选课管理系统、考勤管理系统等，负责学生的实验活动管理；建有虚拟实验室，使学生能够通过网络进行远程虚拟实验。
电路虚拟实验平台的主要任务是实现虚拟实验功能，同时还应具有一定的辅助实验教学功能，并能通过网络方便地访问远程教学系统中的相应资源。
虚拟实验平台具有以下几个基本功能：能够为实验人员提供课程学习基本资料的访问和下载；具有与实验教学要求相适应的辅助功能，如自主学习和预习功能、实验指导和演示功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料查询功能等；具有良好的开放性，学生可根据自己的兴趣和需要定制实验内容等。
基于Multisim的网络虚拟实验平台的建设要突出自身优势：加强直观教学，变抽象为形象。由于电路课程本身比较枯燥，如果仅凭单调的文字叙述，学生将会失去学习的兴趣，学习效果也就可想而知。而Multisim软件本身形象化的界面设计和逼真的电路仿真，可以调动学生学习的积极性。电路是实际电气系统特性的近似数学模型。它为学习电气工程提供了重要的基础。模型、数学技术和电路理论将为未来的工程学探索构成智慧的框架。因此，再配合多种媒体的使用和教学演示实例合现场录像，包括例题、习题等，通过Multisim的演示，生动有趣、形象直观、理论联系实际，可大大激发起学生学习工程专业的兴趣。[4]而且网络资源应满足不同层次学生的需要，扩展实验空间和实验范围。让学生的实验过程不仅充满乐趣，而且能够大大提高设计工作的质量和效率，使学生充分发挥其主观能动性和创造性。
五、留学生培养
以理工科为主的院校由于专业设置所限，与中国文化相关的文科和艺术类专业较少，留学生的专业选择面相对较窄，加之汉语言培训对于大部分理工科院校来说并非强项，因此，理工科院校来华留学生教育的招生工作及培养模式有其特殊的一面。[5]留学生在来中国前基本上没有汉语基础，因此基本不具备汉语交流能力。
1.编写英文版Multisim电路实验教材和实验指导书
考虑到留学生的汉语水平，课程组参照中文版教材和指导书，结合国外文献资料，编制了专门针对留学生学习用的英文版教材和实验指导书，以供留学生学习和使用。
2.充分利用科研资源，加强实践能力和创新能力的培养
在科研条件方面，加强优势互补、资源共享，努力实现人才、设备、资金等资源的良性重组和优化配置，使外国留学研究生获得更好更多的研究条件、研究机会，营造创新能力培养的环境，提高培养质量。
3.将留学生纳入中国学生课堂
本着相互学习相互提高的原则，将外国留学生引入中国学生课堂中去，这样使得学生们的学习积极性得到了很大的提高。在一定程度上也帮助了留学生学习汉语，中国学生英语水平也得到了提高，推进了双语教学工作。
六、结论
实践证明，教学效果明显提升，学生创新活动成果突出。与传统实验方式相比，基于Multisim的远程实验更能突出实验教学中以学生为中心的开放式实验教学模式，而且通过电路仿真，可以熟悉常用电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合分析、开发设计和创新能力。基于网络的虚拟实验教学突破了传统实验教学的单一形式，构建了一种全新的实验教学模式，对远程开放实验教学的研究具有指导和借鉴意义。
参考文献：
[1]齐幼菊.教学模式改革是现代开放远程教育的关键[J].远程教育杂志,2001,(4):28.
[2]李宁,吕玉琴,刘杰,等.“电路分析基础”课程教学大纲修订的研究[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2004,6(1):78.
[3]齐宏,冼建生.计算机仿真、虚拟实验和网络实验室[J].中国远程教育,2004,(23):71.
[4]陈攀峰,刘骁.Multisim仿真软件在电路实验教学中的应用[J].中国电力教育,2006,(S4):110.
[5]邢娅浪,赵锦成.“电路分析”课程教学改革的实践与思考[J].中国电力教育,2010,(10):85.
（责任编辑：刘辉）
关键词：Multisim；远程虚拟实验；留学生培养；创新能力
作者简介：刘庆雪（1980-），男，山东邹城人，山东科技大学信息与电气工程学院，讲师；公茂法（1959-），男，山东临沂人，山东科技大学信息与电气工程学院，教授。（山东 青岛 266590）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）33-0191-02
在当前新的形势下，大学教育应全面符合经济和科技的发展，高校的教育理念应由知识教育转变为素质教育，其核心是创新教育。目前，学生的实践教育形式主要通过大量的专业实验和现场实习来完成。工科院校的电路实验教学在开展素质教育、培养学生综合应用能力等方面有着举足轻重的地位。
近年来，电路实验教学设备虽然得到改善，但单一硬件实验手段基本没有发生根本变化。一是硬件实验教学设备有限、实验室空间有限，而随着招生规模的逐年扩大，学生人数急剧膨胀，专业设置也不可同日而语，教学的难度和强度都相对加大，对实验设备、仪器的要求也在提高。二是实验学时有限，学生精力有限。在这种情况下，电路的实验效果必然受到影响。
随着计算机技术特别是远程开发实验技术的飞速发展，使传统的以定量估算和电路实验为主的设计方法产生了根本变化。[1]它突破了传统教学模式受时间、地点和实验设备和师资条件等的限制，用先进的网络通信技术，创建一个远程开放的实验环境，利用虚拟实验、远程控制实验形式辅助远程教学中的实验教学，同时降低实验室建设费用，提高实验设备使用效率。而且将现代化的、信息化的教学手段引入电路实验教学中，使学生能够随时了解和掌握实验教学内容，在电路实验设计中不受元器件的限制和固定实验设备的束缚，以达到更理想的实验效果，从而提高实验教学效率。[2]
在这一背景下，许多电子电路仿真软件应用而生，如：Pspice，Multisim，Simulink等，由于Multisim相对来说较简单，而且易于操作，界面直观，我们把它应用到电路虚拟实验中。
近几年，课题组成员对基于Multisim的虚拟电路实验进行了深入而细致的研究，并进行了一系列改革和实践。完成了电气信息类各专业电路课程实验教学大纲的编写和修订，并根据实验教学大纲的要求，参照传统的电路硬件实验项目，编制了一套基于Multisim的虚拟电路实验指导书，并在此基础上于2010年7月出版教材《电路实训教程》一部，建立了基于电路省级精品课程网站的远程虚拟实验平台，实验教学效果得到显著提高。
一、实验实践教学体系构建
实验实践教学体系以能力培养为主线，构建了“基础验证+综合设计+工程应用+创新研究”的三层次四模块的实验教学体系。
三层次实验内容：包括基本实验、设计性实验、综合性实验和创新性实验，其中又分为必做实验和选做实验。
三层次四模块能力培养模式：按能力培养目标划分，构建了一个相互依托、协调的三层次四模块能力培养体系。
电工电子实验中心建立了多层次模块化课程体系：依据三层次四模块能力培养模块，对实验课程进行优化，设置了相应的实验课程及课外实践模块，并结合多层次实验内容，构建了一个多层次、模块化实验课程体系，贯彻以学生能力培养为主线的教育理念，根据能力培养模块设置课程模块，各模块间相互依托、协调；实验项目按照层次设置，循序渐进、由浅入深、由简单到综合；课内课外实验相结合，可以对学生“因材施教”，使优秀人才能够脱颖而出。[3]
二、制定实验教学大纲
新大纲的编写重点突出对学生综合掌握知识能力和动手能力的培养，比如，基础课程的实验设置，除了安排必要的基础实验外，设置了设计性、综合性设计、创新性实验，注重基础培养和实践能力、创新能力训练。
电路课程作为第一门专业基础课，是为后续课程打下坚实的理论基础。因此，大纲中对实际元件模型分析的要求非常低，实际变量的模型也作为一般内容去了解。这样安排有利于集中有限的学时把基本内容学懂学透，避免内容泛泛，广而不精。而且相关内容在后续课程里面还要详细地展开，所以也可以避免不必要的重复。
三、编写基于Multisim10的电路虚拟实教材
根据课程组多年电路教学经验和心得编写了教材《电路实训教程》，并于2010年7月由中国石油大学出版社出版。本书可以帮助学生顺利进行虚拟仿真实验。这样可以使学生通过与硬件实验结合，相互促进，加深对实验内容的理解。本书体现了以下特色。
1.突出虚拟实验优势
近年来，随着招生规模的逐年扩大，大学教育已不再是精英教育，学生人数急剧膨胀，专业设置也不可同日而语。因此教学的难度和强度都很大，对实验设备、仪器的要求也在提高。另外，学生个体的学业水平、思维方式、动手能力都存在差异，要求在同样的、规定好的时间内完成同样的实验操作显然是不合理的。在传统综合、设计实验中，常常受到实验元器件以及实验设备的品种、规格和数量上不足的限制，不能满足各种新电路的设计和调试的要求且内容更新缓慢，学生只能在规定的时间和空间完成老师制定的设计项目，学生有些独特的想法和设计思路难以实现。另外，设计过程中电路的安装、调试、测量过程往往需要反复多次，难免出现错误连线和器件损坏的现象，不仅使电路调试费时费力，还可能造成错误的性能分析，使设计性实验达不到预期的效果。我们应该拓展实验方式，以计算机为媒介，以网络为平台搭建一个更大的实验空间。
而虚拟仿真实验为电路实验教学理念的更新和教学手段的改革提供了条件。只要在计算机上安装仿真实验软件，其逼真的界面及人机交互使仿真电路实验就可以像在实验室实际操作一样，元器件可随便调用，参数可以随意修改，一个设计方案不成功可以重新再设计，元器件不会损坏，实验仪器不会出现故障，也避免了电路实验中由强电所引发的安全问题，而且不受时间、地点、人数的限制，学生可以不受规定实验项目的限制，满足了不同层次学生的需要，大大扩展了实验空间和实验范围。实验过程不仅充满乐趣，而且大大提高了设计工作的质量和效率，使学生充分发挥其主观能动性和创造性。
2.实验内容循序渐进、由浅入深、由简单到综合
考虑到有些使用者基础薄弱，并根据实践能力培养的需要，实验项目按照层次设置，循序渐进、由浅入深、由简单到综合。这样，学生在没有教师亲自指导的情况下基本可以实现远程的学习和实验。
3.体现实验教学新理念，构建实践实验教学新模式
考虑到电路课程是面向电气信息类专业本科生开设的第一门非常重要的专业基础课程，既有很强的理论性又有较强的工程实践性。因此，在充分认识电气信息类本科专业实践的重要性的基础上，指导书和教材中体现了“实践是创新的源泉，在实践中创新”的新理念，并在实践和实验教学环节中充分体现和实施。在实验设备、师资力量等条件得到实质性改善的前提下，使学生能够真正动手实践，彻底改变仅仅眼睛看实验看实践的状况。
4.加大综合性设计性实验比例
电路实验分为验证性实验和综合设计性实验，前者比较简单直观，易于理解且实验目的明确，而后者目前在整个实验中所占比例还比较小，但随着实验教学改革的推进，其数量和要求也越来越高。当前实验教学改革的目的就是要培养学生的创新思维、创新能力和综合素质。综合性、设计性实验在这方面有着独特的优势，它让学生自己设计实验方案、选择仪器设备、制定实验流程、处理分析数据、完成实验报告，充分发挥了学生的创造力。学生根据给定的题目，或者自拟题目，查阅资料，设计实验步骤，进行实验，写出实验报告。实验的主要目的是培养学生的实践能力和创新能力，通过实验操作，总结提炼，使思维方式得到升华。因此，在完成传统经典实验的基础上，适当地加大设计性实验的比例，不仅可以更好地调动学生的积极性和创造性，而且也让学生有更多的自主发挥的空间。
四、建立了基于电路省级精品课程网站的虚拟实验平台
网站提供课程的多媒体课件下载；建有互动讨论系统，为学生进行课业的答疑解难；实时地公布各种教学信息、实验技术研究新成果及有关的教学参考资料；建有实验预约系统、网上选课管理系统、考勤管理系统等，负责学生的实验活动管理；建有虚拟实验室，使学生能够通过网络进行远程虚拟实验。
电路虚拟实验平台的主要任务是实现虚拟实验功能，同时还应具有一定的辅助实验教学功能，并能通过网络方便地访问远程教学系统中的相应资源。
虚拟实验平台具有以下几个基本功能：能够为实验人员提供课程学习基本资料的访问和下载；具有与实验教学要求相适应的辅助功能，如自主学习和预习功能、实验指导和演示功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料查询功能等；具有良好的开放性，学生可根据自己的兴趣和需要定制实验内容等。
基于Multisim的网络虚拟实验平台的建设要突出自身优势：加强直观教学，变抽象为形象。由于电路课程本身比较枯燥，如果仅凭单调的文字叙述，学生将会失去学习的兴趣，学习效果也就可想而知。而Multisim软件本身形象化的界面设计和逼真的电路仿真，可以调动学生学习的积极性。电路是实际电气系统特性的近似数学模型。它为学习电气工程提供了重要的基础。模型、数学技术和电路理论将为未来的工程学探索构成智慧的框架。因此，再配合多种媒体的使用和教学演示实例合现场录像，包括例题、习题等，通过Multisim的演示，生动有趣、形象直观、理论联系实际，可大大激发起学生学习工程专业的兴趣。[4]而且网络资源应满足不同层次学生的需要，扩展实验空间和实验范围。让学生的实验过程不仅充满乐趣，而且能够大大提高设计工作的质量和效率，使学生充分发挥其主观能动性和创造性。
五、留学生培养
以理工科为主的院校由于专业设置所限，与中国文化相关的文科和艺术类专业较少，留学生的专业选择面相对较窄，加之汉语言培训对于大部分理工科院校来说并非强项，因此，理工科院校来华留学生教育的招生工作及培养模式有其特殊的一面。[5]留学生在来中国前基本上没有汉语基础，因此基本不具备汉语交流能力。
1.编写英文版Multisim电路实验教材和实验指导书
考虑到留学生的汉语水平，课程组参照中文版教材和指导书，结合国外文献资料，编制了专门针对留学生学习用的英文版教材和实验指导书，以供留学生学习和使用。
2.充分利用科研资源，加强实践能力和创新能力的培养
在科研条件方面，加强优势互补、资源共享，努力实现人才、设备、资金等资源的良性重组和优化配置，使外国留学研究生获得更好更多的研究条件、研究机会，营造创新能力培养的环境，提高培养质量。
3.将留学生纳入中国学生课堂
本着相互学习相互提高的原则，将外国留学生引入中国学生课堂中去，这样使得学生们的学习积极性得到了很大的提高。在一定程度上也帮助了留学生学习汉语，中国学生英语水平也得到了提高，推进了双语教学工作。
六、结论
实践证明，教学效果明显提升，学生创新活动成果突出。与传统实验方式相比，基于Multisim的远程实验更能突出实验教学中以学生为中心的开放式实验教学模式，而且通过电路仿真，可以熟悉常用电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合分析、开发设计和创新能力。基于网络的虚拟实验教学突破了传统实验教学的单一形式，构建了一种全新的实验教学模式，对远程开放实验教学的研究具有指导和借鉴意义。
参考文献：
[1]齐幼菊.教学模式改革是现代开放远程教育的关键[J].远程教育杂志,2001,(4):28.
[2]李宁,吕玉琴,刘杰,等.“电路分析基础”课程教学大纲修订的研究[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2004,6(1):78.
[3]齐宏,冼建生.计算机仿真、虚拟实验和网络实验室[J].中国远程教育,2004,(23):71.
[4]陈攀峰,刘骁.Multisim仿真软件在电路实验教学中的应用[J].中国电力教育,2006,(S4):110.
[5]邢娅浪,赵锦成.“电路分析”课程教学改革的实践与思考[J].中国电力教育,2010,(10):85.
（责任编辑：刘辉）