電路分析基礎(chǔ)實驗教學(xué)的優(yōu)化與實踐

李艷梅，陳慶華

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

電路分析基礎(chǔ)實驗教學(xué)的優(yōu)化與實踐

李艷梅，陳慶華

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

實驗教學(xué)的根本目的是培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，在科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了實驗教學(xué)目標(biāo)的三個維度，確定了電路分析基礎(chǔ)實驗課優(yōu)化的三個重點，即優(yōu)化實驗內(nèi)容和實驗器材、重視實驗教學(xué)全過程的質(zhì)量控制及建立多元化實驗教學(xué)評價模式。進(jìn)而提出三個優(yōu)化重點的具體實施措施,包括增加綜合性、設(shè)計性實驗比重，改進(jìn)實驗儀器，加強(qiáng)實驗教學(xué)前期、中期、后期的質(zhì)量把關(guān)，建立全壽命周期良性循環(huán)教學(xué)模式，淡化實驗報告在考核結(jié)果中的權(quán)重，建立多要素考核機(jī)制。針對實踐情況，提出了完善教學(xué)改革的建議。

電路分析基礎(chǔ)；實驗教學(xué)；優(yōu)化；實踐

電路分析課程是電類專業(yè)及部分相關(guān)專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是低年級大學(xué)生連接后續(xù)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路等專業(yè)課程的首門專業(yè)實驗課程[1]。電路分析實驗是鞏固電路理論知識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決實際工程問題能力的重要環(huán)節(jié)[2]。學(xué)生通過實驗教學(xué)，鞏固和加深理解所學(xué)知識、拓寬專業(yè)知識面、提高綜合運用能力，培養(yǎng)基本科研能力和創(chuàng)新能力[3]。

肇慶學(xué)院電路分析實驗課程主要對電子科學(xué)與技術(shù)、通信、電氣工程專業(yè)的學(xué)生授課，包含7個實驗，每個實驗3個學(xué)時。文中探討了改進(jìn)電路分析實驗課程的教學(xué)所取得的較好實驗效果。

1 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

1.1 科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵

教學(xué)目標(biāo)是實驗教學(xué)的出發(fā)點，是實驗教學(xué)的靈魂。合適的實驗?zāi)繕?biāo)支配著實驗教學(xué)的全過程，規(guī)劃了教與學(xué)的正確方向[4]。

1958年，美國學(xué)者赫德(P.D.Hurd)提出了科學(xué)素養(yǎng)的概念，這是一個融科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)價值觀等多種因素為一體的復(fù)合概念。OECD(國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織)認(rèn)為“科學(xué)素養(yǎng)是運用科學(xué)知識，確定問題和作出具有證據(jù)的結(jié)論，以便對自然世界和通過人類活動對自然世界的改變進(jìn)行理解和作出決定的能力”；中國科技部制定的相關(guān)文件將科學(xué)素養(yǎng)理解為：科學(xué)態(tài)度；科學(xué)知識、技能；科學(xué)方法、能力；科學(xué)行為、習(xí)慣。眾多權(quán)威資料中將科學(xué)素養(yǎng)分為三個維度：一是科學(xué)知識維度；二是科學(xué)技能方法維度，包括科學(xué)方法和科學(xué)技能兩個因素；三是科學(xué)觀念維度。

1.2 實驗教學(xué)的根本目的

1971年，美國著名學(xué)者克洛普弗(Klopfer)提出理工科大學(xué)實驗教學(xué)重點在以下5個方面：(1)知識和理解能力；(2)訓(xùn)練動手能力；(3)實踐科學(xué)的探索過程，包括觀察、測量分析數(shù)據(jù)、確定問題以及找出解決問題的方法；(4)了解科學(xué)家的工作方法；(5)培養(yǎng)對科學(xué)的興趣和科學(xué)態(tài)度[5]。顯然，第(1)～(4)個方面是我們傳統(tǒng)意識中關(guān)注的實驗教學(xué)目的，包括提高動手能力、提升探索創(chuàng)新能力。第(5)個方面則是實驗教學(xué)的根本目標(biāo)。由此可見，克洛普弗對實驗教學(xué)目標(biāo)的理解和科學(xué)素養(yǎng)概念的內(nèi)涵不謀而合，因此將電路分析實驗教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)明確為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)?；诳茖W(xué)素養(yǎng)的三個維度，圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)的變化，把現(xiàn)代大學(xué)本科實驗教學(xué)目標(biāo)也分為科學(xué)態(tài)度、實驗方法、實驗?zāi)芰θ齻€維度[6]

1.3 確定實驗教學(xué)改革的重點

以科學(xué)素養(yǎng)和實驗教學(xué)目標(biāo)的三個維度為切入點，制定了電路分析“實驗教學(xué)全壽命周期循環(huán)模式”(如圖1所示)，重點對其中的實驗內(nèi)容設(shè)計、硬件設(shè)施配套、實驗教學(xué)過程、實驗評價方式開展了優(yōu)化和實踐工作。

圖1 實驗教學(xué)全壽命周期循環(huán)模式

2 優(yōu)化實驗內(nèi)容和實驗器材

2.1 增加綜合性、設(shè)計性實驗的比重

2.1.1 增加獨立的設(shè)計性實驗

實驗?zāi)芰蛯嶒灧椒ㄊ强蒲腥藛T必備的技能之一，也是培育科學(xué)素養(yǎng)的一個重要因素。通過在原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加獨立的設(shè)計性實驗，可以提高學(xué)生設(shè)計實驗的能力，培養(yǎng)探索創(chuàng)新實驗方法的本領(lǐng)。

在原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了電阻分壓器的設(shè)計、萬用表的組裝和調(diào)試以及電阻衰減器設(shè)計等。例如：電阻分壓器的設(shè)計，由老師引導(dǎo)學(xué)生，根據(jù)輸入電阻對被測設(shè)備的影響和電阻本身的特性，選擇合適量級、耐壓和額定功率的輸入電阻，學(xué)生自己確定分壓比，設(shè)計分壓器的結(jié)構(gòu)，評定分壓器的精度；萬用表的組裝和調(diào)試，實驗室提供電壓表、電流表、可變電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻箱各一只，自耦調(diào)壓器和直流穩(wěn)壓電源各一臺，教師講授萬用表的電路圖及測量原理，學(xué)生自己完成電路組裝、實驗調(diào)試等。通過上述設(shè)計性實驗的開展，明顯提高了學(xué)生獨立思考、解決實際工程問題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

2.1.2 拓展原有驗證性實驗

在原有驗證性實驗的基礎(chǔ)上，引入綜合性、設(shè)計性內(nèi)容。充分讓學(xué)生“溫故而知新”，鞏固、加深對理論課電路定律的認(rèn)識，培養(yǎng)靈活運用知識的能力。例如：在“元件伏安特性實驗中”增加非線性電阻反相特性測試的內(nèi)容；虛擬實驗由學(xué)生自己設(shè)計電路圖，測試一階動態(tài)電路時間常數(shù)τ等。

2.2 增加“軟硬結(jié)合型”實驗

首先，從較為簡單的“驗證KCL、KVL的虛擬實驗”入手，使學(xué)生初步了解并簡單應(yīng)用Pspice電路仿真軟件、科學(xué)計算軟件Matlab。通過使用這些計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，繪制電路所需的元器件和仿真分析所需的儀器儀表均可用鼠標(biāo)直接拖動放到屏幕上，通過鼠標(biāo)連線，生成完整的電路，省去了用實際元器件安裝調(diào)試電路的過程，既經(jīng)濟(jì)又高效[7]。

其次，將“疊加定理”實驗用實際電路和電路仿真兩種方式對比進(jìn)行實驗，納為一個實驗。通過兩者的現(xiàn)場對比分析，不僅加深了對計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的理解和應(yīng)用，也認(rèn)識了兩者的差異。如實踐中存在的電源內(nèi)阻、元器件模型、儀表測量誤差、元件和引線的布局等多種因素都會影響兩者間的不同結(jié)果[8]。

2.3 優(yōu)化實驗器材，提高實驗效率

通過改進(jìn)實驗器材，縮短實驗操作時的非技術(shù)因素和時間。例如：對元件伏安特性實驗中需要的電子元件接插件進(jìn)行升級。之前使用的接插件，需要通過螺絲刀擰動接插件上的螺絲，實現(xiàn)元件的連接與拆卸，更新后的為自動彈簧式，只需按鈕操作即可，避免了前者因手動操作造成的連線不通、重復(fù)連接的問題，同時也節(jié)省了時間；在“RC一階電路”實驗中，使用可調(diào)電容箱代替分立的電容元件，省掉了實驗中更換不同容值的分立電容的環(huán)節(jié)，因電容元件體積較小且引出端易斷，容易發(fā)生“找不到”和“一次性使用”的現(xiàn)象。引進(jìn)的電容箱改善了上述弊端，在“提高效率”和“長期節(jié)約經(jīng)濟(jì)效益”上一舉兩得。

3 注重教學(xué)全過程質(zhì)量改進(jìn)

正如產(chǎn)品的質(zhì)量是“生產(chǎn)出來的”，而不是“檢驗出來”的一樣，實驗教學(xué)全過程的每一個環(huán)節(jié)決定了實驗教學(xué)的整體質(zhì)量。

3.1 從細(xì)節(jié)入手，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度

在以實驗操作和實驗結(jié)果為核心的實驗教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)實驗基本素養(yǎng)的培養(yǎng)。制定了嚴(yán)格的實驗制度，強(qiáng)調(diào)以科學(xué)的態(tài)度對待實驗數(shù)據(jù)的真實性，不得馬虎，不得涂改和抄襲實驗數(shù)據(jù)，實驗完成后，指導(dǎo)教師要檢查原始數(shù)據(jù)，并簽字認(rèn)可；通過加強(qiáng)安全意識培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研態(tài)度，實驗中嚴(yán)禁用手觸摸裸露帶電導(dǎo)體，每一次改、拆接線路都必須在斷電下進(jìn)行，避免出現(xiàn)不必要的故障；發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，如儀表指針猛打，有燒焦臭味、冒煙、電弧及有人觸電等，應(yīng)立即切斷電源，報告指導(dǎo)教師，查找原因，排除故障；實驗完畢后，學(xué)生做好儀器的復(fù)位工作，并關(guān)閉電閘，清潔實驗臺面和儀器，待指導(dǎo)教師核準(zhǔn)后方可離開。這對樹立學(xué)生從工程實際出發(fā)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，培養(yǎng)注重細(xì)節(jié)、善始善終、科學(xué)化、規(guī)范化的科研素質(zhì)，有著積極的作用。

3.2 將預(yù)習(xí)落到實處

凡事預(yù)則立，將自主預(yù)習(xí)、提交、評價預(yù)習(xí)報告納入實驗全過程，是提升教學(xué)質(zhì)量的重要手段。預(yù)習(xí)不僅可以提高學(xué)生的實驗?zāi)芰?，也是師生雙向溝通的橋梁。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生明確了實驗?zāi)康?、?nèi)容和步驟，也了解了實驗儀器的操作規(guī)程。對于設(shè)計性實驗，由學(xué)生獨立撰寫實驗方案。將預(yù)習(xí)結(jié)果以預(yù)習(xí)報告的形式提交實驗教師，要求學(xué)生最遲在實驗課的前一天提交預(yù)習(xí)報告，由指導(dǎo)教師根據(jù)預(yù)習(xí)報告確定學(xué)生預(yù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的實驗難點，在實驗課時雙方教與學(xué)更高效、更有針對性。

就電路分析而言，實驗預(yù)習(xí)包括實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)和實驗設(shè)備預(yù)習(xí)[9]。根據(jù)兩者預(yù)習(xí)結(jié)果，撰寫預(yù)習(xí)報告。預(yù)習(xí)報告不是簡單地抄寫實驗講義，更不能千篇一律，而是加入自主思考結(jié)果的部分，體現(xiàn)自身對該實驗?zāi)康牡睦斫狻嶒瀮?nèi)容的認(rèn)知程度、薄弱環(huán)節(jié)、儀器設(shè)備的使用要點等。

例如，RC一階電路的預(yù)習(xí)，通過對實驗所用儀器GFG-8015G型函數(shù)信號發(fā)生器的預(yù)習(xí)，了解性能指標(biāo)、面板構(gòu)造、使用方法，并深入思考實驗講義中“使用注意事項”背后的問題。如為什么輸出端短路會損壞儀器，輸出接地端如果沒有和被測電路的接地端連接會給實驗帶來什么影響；根據(jù)實驗?zāi)康?，自己是否可以提出實驗步驟或者那些內(nèi)容是自己的短板。通過這種細(xì)致認(rèn)真的預(yù)習(xí)，可以切實培養(yǎng)學(xué)生獨自思考、自主學(xué)習(xí)、鉆研進(jìn)取的科研素養(yǎng)。

3.3 充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性

樹立“教”為“學(xué)”服務(wù)的理念，“教”為輔，“學(xué)”為主。 在部分驗證性實驗中，改變學(xué)生依照實驗內(nèi)容和實驗步驟按部就班“按方抓藥”的慣例，讓學(xué)生獨立思考，集體討論，分組撰寫實驗方案。實驗前，老師抽查實驗方案，并適當(dāng)講解修正。在實驗過程中，由學(xué)生根據(jù)具體實驗情況和實驗中遇到的問題補(bǔ)充完善實驗方案。

嘗試在實驗講義中，不直接給出電路連接方法，由學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康?，自己畫出電路圖并實際布線。在元件伏安特性實驗中，由學(xué)生設(shè)計混聯(lián)電路的測試電路；在三相交流電路中，學(xué)生自己動手實現(xiàn)三相交流負(fù)載電路的星形連接和三角形連接。

3.4 加強(qiáng)實驗后的雙向溝通總結(jié)

樹立重視過程、不斷改進(jìn)質(zhì)量的提升觀。實驗操作結(jié)束后，預(yù)留一定的時間，供師生雙方就具體實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題、產(chǎn)生的困惑或引發(fā)的新思路等展開討論，并以紀(jì)要的形式納入教學(xué)材料。對實驗效果進(jìn)行分析，將分析結(jié)果反饋至實驗教學(xué)目標(biāo)設(shè)計和實驗內(nèi)容的改進(jìn)中，形成(參見圖1)全壽命周期教學(xué)循環(huán)模式。

4 建立多元化教學(xué)評價模式

根據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的三個維度，建立多元化教學(xué)評價模式。將實驗教學(xué)評價貫穿于全部實驗過程，從不同側(cè)面對學(xué)生進(jìn)行考查和激勵，從而引導(dǎo)學(xué)生更加重視平時實驗的積累和實驗技能的訓(xùn)練[10]。淡化實驗報告在實驗考核中的權(quán)重或優(yōu)化實驗報告內(nèi)容，在原有的實驗報告中增加預(yù)習(xí)報告、課堂講授摘要、創(chuàng)新思考等部分[11]。對于驗證性實驗，重點考核放在學(xué)生對實驗操作過程的規(guī)范性和實驗結(jié)果的正確性[12]；對于綜合性實驗，重點考核學(xué)生以多元實驗方法為載體，對復(fù)合型知識的理解和應(yīng)用；對于設(shè)計性實驗，學(xué)生根據(jù)實驗條件，自己設(shè)計實驗方法，制定具體的實驗操作步驟，完成實驗。在此基礎(chǔ)上，制定了如表1所示的電路分析基礎(chǔ)實驗成績評價表。當(dāng)然，這并不是說這種評價方式最合理，也不意味著實驗考核一定要機(jī)械地采納這種評價方法，而是體現(xiàn)了多元化實驗教學(xué)評價改革的一種導(dǎo)向。

5 取得的效果及建議

通過對電路分析基礎(chǔ)實驗教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化和實踐，綜合調(diào)查顯示，學(xué)生獨立動手完成實驗的能力有所提高,科學(xué)規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)逐步形成,總體教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

在全國第11屆大學(xué)生電子設(shè)計競賽廣東賽區(qū)比賽中，我院參賽成績較往年有了很大的進(jìn)步，25支代表隊中，有一項作品榮獲省一等獎，多項作品獲省二、三等獎。針對實踐情況，提出以下3點建議：

表1 電路分析基礎(chǔ)實驗成績評價表

(1)對于綜合性、設(shè)計性實驗，建議由現(xiàn)在的每個實驗3個學(xué)時增加為4個學(xué)時，以滿足實驗深度、教學(xué)任務(wù)量的需求。

(2)實驗教學(xué)改革是一項長期工作，貴在落實、持續(xù)改進(jìn)。建議學(xué)校層面建立相應(yīng)的規(guī)章制度，重視實驗教學(xué)工作，完善實驗教學(xué)公開課制度。建立學(xué)生評教機(jī)制，加強(qiáng)實驗教學(xué)全程的質(zhì)量監(jiān)測，及時解決出現(xiàn)的問題，總結(jié)經(jīng)驗，動態(tài)改進(jìn)實驗教學(xué)質(zhì)量并固化實驗教學(xué)成果。

(3)實驗教學(xué)優(yōu)化后，實驗教師的工作量較以往有所增加，學(xué)生的任務(wù)量也較以往飽滿、復(fù)雜。建議建立相應(yīng)的激勵制度、開展多種競賽活動，設(shè)置優(yōu)秀示范課評獎、充分調(diào)動、發(fā)揮教師和學(xué)生的積極性和主觀能動性。

6 結(jié)束語

通過電路分析基礎(chǔ)實驗課的優(yōu)化和實踐，有利于提高實驗教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)，也為其他課程教學(xué)改革提供了寶貴的經(jīng)驗。任何一門課的教改都是一個動態(tài)持續(xù)改進(jìn)的螺旋上升過程。落實、優(yōu)化改革措施，固化改革成果，勢必推動高校整體實驗教學(xué)水平的大幅度提高。

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Implementation and Optimization in the Circuit Analysis Experiment

LI Yanmei, CHEN Qinghua

(Faculty of Electronic Information and Mechanical Electrical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

We put forward the basic purpose of experiment teaching is fostering scientific literacy of students. Then, we confirm three key points of teaching-reform in the circuit analysis experiment based on the connotation of scientific literacy, optimize experiment contents and experimental apparatus, pay attention to quality control of the whole process of teaching, set up diversification experiment teaching assessment model. Meanwhile, we propose concrete measure based on the three points. These includes increasing the number of integrity and designable experiments, improving experimental apparatus, reinforcing the quality control of during the whole experimental process, establishing virtuous period cycle teaching modal, desalting the score of test report.Finally,we put forward some proposal of improving teaching-reform in the circuit analysis experiment.

circuit analysis; experiment teaching; optimization; implementation

2013-12-30；修改日期: 2014-02-26

李艷梅(1981-)，女，碩士研究生，工程師，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)、實驗室管理。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.029