電路分析實(shí)驗(yàn)“三維三段式”教學(xué)模式探索與實(shí)踐

劉淑琴 嵇英華

摘 要：根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行“電路分析”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革探索。通過增加實(shí)踐項(xiàng)目比重，從“虛擬儀器仿真、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課外設(shè)計(jì)制作”三個(gè)階段整體構(gòu)建實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；相應(yīng)地從“能力水平、情感態(tài)度、過程方法”三個(gè)維度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)教學(xué)與學(xué)習(xí)效果，突出工程師人才培養(yǎng)目標(biāo)，鍛煉電子信息工程專業(yè)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：三維三段式 電路測(cè)試 實(shí)驗(yàn)改革 目標(biāo)體系

中圖分類號(hào)：TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（a）-0126-02

電路課程是電子電氣類專業(yè)最基礎(chǔ)、最核心的課程之一，該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段與方式直接影響到學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的形成，擔(dān)負(fù)著引領(lǐng)工程意識(shí)“啟蒙”教育的重任。電路系列課程的教學(xué)改革已成為電子電氣類專業(yè)教學(xué)改革的重中之重。

電路分析課程的教學(xué)進(jìn)程安排一般設(shè)置在大一下學(xué)期或者大二上學(xué)期，同期開設(shè)的還有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，是后續(xù)專業(yè)課程如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路的基礎(chǔ)課程，所需的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技能和基本分析方法都可以在該課程中接觸和學(xué)習(xí)[1-4]。通過與工程實(shí)踐密切相結(jié)合等多種途徑，電路分析課程的課堂教學(xué)改革已取得較大成效。然而，目前與電路理論教學(xué)密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革卻進(jìn)展緩慢，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐操作能力及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析能力亟待提高。如何基于“大工程”觀的現(xiàn)代工科教育理念，對(duì)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式進(jìn)行有效深入改革，一直困繞著人們，并已成為與此相關(guān)的電子電氣信息類專業(yè)教學(xué)改革的瓶頸。

隨著多媒體技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的應(yīng)用推廣，很多網(wǎng)絡(luò)在線優(yōu)秀課程出現(xiàn)在慕課中，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)與工程實(shí)踐結(jié)合的途徑帶來了新的機(jī)遇。同時(shí)“以學(xué)為主”的新興教學(xué)法不斷改變了以往的“以教為主”的現(xiàn)狀。為適應(yīng)“以學(xué)為主”的教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，結(jié)合自身?xiàng)l件和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工程規(guī)范、電路設(shè)計(jì)、電路安裝、電路測(cè)試等教學(xué)內(nèi)容，從“能力水平、情感態(tài)度、過程方法”三個(gè)維度，通過整體構(gòu)建“虛擬儀器仿真、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課外設(shè)計(jì)制作”環(huán)環(huán)相扣、螺旋式上升的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與實(shí)踐能力進(jìn)行了深入探索與實(shí)踐。

1 三維多層次目標(biāo)體系

根據(jù)美國(guó)學(xué)者L·迪·芬克提出的關(guān)于課程設(shè)計(jì)的“創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷”[1]，在教學(xué)設(shè)計(jì)中改變以往的實(shí)驗(yàn)體系，在學(xué)科知識(shí)中融入實(shí)際應(yīng)用案例，建立驗(yàn)證-制作-測(cè)試三位一體的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，采用“虛擬儀器仿真、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課外設(shè)計(jì)制作”三段式培養(yǎng)步驟流程，將知識(shí)應(yīng)用到新情況或者領(lǐng)域中，從而獲得解決問題的能力。

以往很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均是基礎(chǔ)驗(yàn)證性為主，利用已有的模型電路通過儀器儀表的測(cè)試得到有關(guān)的電壓電流數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析電路原理是否正確。由于低年級(jí)學(xué)生基本上是第一次使用專業(yè)測(cè)試儀器儀表，最先接觸到驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭麄儷@得基本的實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)試技能，完成理論到實(shí)踐的第一步[2]。隨著課堂教學(xué)的深入，學(xué)生已能夠理解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，再單純地驗(yàn)證一些電路理論，將無法有效地提高學(xué)生的分析能力和動(dòng)手能力。遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的原則[3]，將電路分析實(shí)驗(yàn)構(gòu)成部分?jǐn)U展為三個(gè)層次的模塊：基礎(chǔ)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)制作、測(cè)試拓展。

1.1 基礎(chǔ)驗(yàn)證性項(xiàng)目

該內(nèi)容覆蓋了電路分析大約一半容量的知識(shí)點(diǎn)。通過經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解戴維南定理、動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)、串并聯(lián)諧振、濾波器和雙口網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)輔助手段上采用Multisim仿真軟件進(jìn)行有關(guān)電路原理的驗(yàn)證，在之后結(jié)合實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生建立實(shí)驗(yàn)邏輯思維，自上而下的實(shí)驗(yàn)體系思路。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上注意和后續(xù)課程的銜接，提出思考問題留待學(xué)生課后尋找答案。其中Multisim軟件操作培訓(xùn)利用兩次課堂教學(xué)教授入門知識(shí)，在隨后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中熟悉應(yīng)用。

1.2 設(shè)計(jì)制作性項(xiàng)目

RLC所組成的一階、二階動(dòng)態(tài)電路有很多應(yīng)用，作為前期的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ强尚械?。首先作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)，前提是學(xué)生均學(xué)完暫態(tài)電路理論知識(shí)且完成使用雙蹤示波器觀測(cè)和分析波形的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)元件與測(cè)試設(shè)備，提供實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)電路圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄并進(jìn)行結(jié)論分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差太大的要求重新設(shè)計(jì)。根據(jù)學(xué)生個(gè)人能力不同，設(shè)置不同難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如：選擇不同輸入信號(hào)分析RC一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)、設(shè)計(jì)一階電路的時(shí)間常數(shù)測(cè)定方案并與理論值比較、二階動(dòng)態(tài)電路諧振點(diǎn)測(cè)試與衰減系數(shù)測(cè)算等。通過實(shí)驗(yàn)前知識(shí)點(diǎn)的分解講述和討論，學(xué)生完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量高于平時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解也要更廣義一些。

1.3 研究拓展性項(xiàng)目

在設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目后期，學(xué)生能夠從測(cè)試中獲得一些經(jīng)驗(yàn)，建立了實(shí)踐性思維體系，能夠了解項(xiàng)目管理流程。此時(shí)教師應(yīng)積極地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注知識(shí)拓展應(yīng)用。設(shè)計(jì)制作中和學(xué)生增強(qiáng)互動(dòng)，了解學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題，并引導(dǎo)學(xué)生拓展有關(guān)學(xué)科的關(guān)聯(lián)性。

為了給學(xué)有余力的學(xué)生提供拓展思維的途徑，電路分析實(shí)驗(yàn)教材編寫中加入了有關(guān)拓展性小知識(shí)和有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。拓展性內(nèi)容主要是將一些知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際生活或者工業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的角度去說明這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的延伸面。比如說實(shí)際電源的兩種等效模型，從理論的角度容易分析兩者等效性成立的條件，那么采用什么的實(shí)驗(yàn)手法可以驗(yàn)證這個(gè)條件成立？同時(shí)提出在實(shí)際工程實(shí)踐中如何根據(jù)功耗條件選擇等效模型。這樣學(xué)生就不僅了解到電源等效變換的方法，同時(shí)也聯(lián)系到實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到舉一反三的效果。

除了拓展思維外，該階段還增加了能力拓展要求，教師利用Altium designer軟件將前期設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的電路圖制作成PCB版，讓學(xué)生再次測(cè)試制版后的電路參數(shù)來校驗(yàn)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

從基礎(chǔ)驗(yàn)證到設(shè)計(jì)制作再到測(cè)試拓展，三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建一體式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從虛擬到現(xiàn)實(shí)，依次遞進(jìn)。多階梯層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)K體現(xiàn)了多維教學(xué)的特點(diǎn)，可以根據(jù)不同學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行有效傳授知識(shí)和技能。學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段興致很高，調(diào)試成功的喜悅讓他們體會(huì)到學(xué)習(xí)的快樂。從學(xué)生們課后交流的情況來看，他們?cè)谠搶W(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程中收獲頗豐，特別是后期的電路模塊制作，他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅藰O大提高。

2 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)成績(jī)?nèi)S評(píng)價(jià)體系

在芬克創(chuàng)建的綜合性大學(xué)課程設(shè)計(jì)原則中，反饋與評(píng)估是其中非常重要的一環(huán)。根據(jù)芬克的設(shè)計(jì)理念，他認(rèn)為反饋與評(píng)估是基于教學(xué)目標(biāo)來反向設(shè)計(jì)的，這樣能更好地理解教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

所進(jìn)行的電路分析實(shí)驗(yàn)改革不僅是期望學(xué)生具備基本的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技能，學(xué)會(huì)如何分析項(xiàng)目需求并制作設(shè)計(jì)電路，熟悉使用專業(yè)制圖軟件完成專業(yè)制版；而且更主要在于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任人與團(tuán)隊(duì)精神。為合理評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與能力養(yǎng)成效果，就需要從“能力水平、情感態(tài)度、過程方法”三個(gè)維度，定性與定量結(jié)合、全面公平地評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

表1說明了實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定包含的四個(gè)方面，其中每個(gè)內(nèi)容都有對(duì)應(yīng)的細(xì)分成績(jī)?cè)u(píng)定表，都包含定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)部分。

例如：制作模塊部分，強(qiáng)調(diào)針對(duì)每個(gè)功能電路測(cè)試過程、也針對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分值給定，綜合調(diào)試成功才能給予滿分的成績(jī)。每個(gè)模塊設(shè)置為25分，根據(jù)完成的功能部分給予相應(yīng)的分值，鼓勵(lì)學(xué)生盡量單獨(dú)完成電路焊接和測(cè)試任務(wù)。對(duì)于電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)的學(xué)生，基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)行的是1人一組的實(shí)驗(yàn)方式，避免了多人成組時(shí)蒙混過關(guān)的現(xiàn)象。而在制作模塊部分，允許采取2人一組的方式，每人做兩個(gè)模塊，最后聯(lián)調(diào)四個(gè)模塊作為實(shí)驗(yàn)組的成績(jī)，培養(yǎng)學(xué)生間的合作關(guān)系，并讓同組學(xué)生有交流和討論的對(duì)象。研究拓展模塊相當(dāng)于附加分值，挑戰(zhàn)難度大的項(xiàng)目即使最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果有出入，考核分值相應(yīng)會(huì)有增加。在近200名學(xué)生中，有大約1/4的學(xué)生選擇了難度為A的研究拓展項(xiàng)目，說明該模塊的設(shè)置還是很有成效的，給學(xué)生提供了提高能力的空間需求。

在基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中有5個(gè)項(xiàng)目，操作成績(jī)是指對(duì)應(yīng)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)平均分，包含預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作[3]。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)不再是單純地定性給出，而是根據(jù)具體的對(duì)應(yīng)量化分值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，綜合了學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的表現(xiàn)。

3 改革效果的評(píng)價(jià)

電路分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了很多方面的改革，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核方式。以往驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不夠深入，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)單一。加入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生通過參數(shù)設(shè)計(jì)、方案對(duì)比深入學(xué)習(xí)各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性，增加了學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)，落實(shí)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作技能訓(xùn)練。

（1）增加了電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生按照電路功能要求設(shè)計(jì)可行性電路，并完成實(shí)際電路的焊接測(cè)試工作，體驗(yàn)從電路原理圖到電路連接圖的轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)基本元器件，學(xué)會(huì)查找芯片資料。整個(gè)過程學(xué)生主體作用更強(qiáng)，有更大的自由空間分析實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，真正做到了理論和實(shí)踐運(yùn)用的聯(lián)接，從而極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。

（2）利用現(xiàn)在流行的慕課等網(wǎng)絡(luò)教程方式，錄制一些基本儀器的使用視頻，解決了以往枯燥講授儀器儀表功能的弊端，讓學(xué)生能夠通過觀看視頻內(nèi)容學(xué)會(huì)測(cè)試方法，體現(xiàn)“三位一體”教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，能力差異不同的學(xué)生可以找到自己不熟悉的內(nèi)容進(jìn)行個(gè)性化自學(xué)。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及時(shí)間安排，與理論教學(xué)的非完全一致性有出乎意料的效果。安排的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)度先于理論課堂教學(xué)一周左右。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師通俗易懂地介紹實(shí)驗(yàn)原理后，可以獲得直接的感觀認(rèn)識(shí)，從而有助于呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論原理之間的關(guān)聯(lián)呼應(yīng)。教師能夠在課堂延伸知識(shí)面時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和波形數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深入地分析原理。這點(diǎn)是該學(xué)期改革中最意外的收獲。

4 結(jié)語

在芬克的教育理念體系中，學(xué)生最終從教學(xué)活動(dòng)所獲得的“有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷”是指學(xué)生從對(duì)信息觀點(diǎn)的基本理解記憶能轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)者，能夠?qū)W會(huì)學(xué)習(xí)從而進(jìn)行有意義的探索?；谶@個(gè)教學(xué)理念，認(rèn)為在改善實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)更關(guān)注學(xué)生關(guān)心的問題，面對(duì)各種冗雜，在教學(xué)互動(dòng)中激發(fā)其好奇心和興趣，在實(shí)踐中反思?；蛟S這樣的電路分析實(shí)驗(yàn)課程才會(huì)一直受到學(xué)生的喜愛。

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