電工電子學(xué)課程研究性實驗教學(xué)模式改革與實踐

王心剛, 賀 利, 張冬至, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

電工電子學(xué)課程研究性實驗教學(xué)模式改革與實踐

王心剛, 賀 利, 張冬至, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

提出一種適用于電工電子學(xué)課程研究性教學(xué)模式的實驗教學(xué)方式。該教學(xué)方式將實用性或趣味性電路與課程內(nèi)容融于一體，采用制作的實物電路激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的熱情，引導(dǎo)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識。該實驗教學(xué)方式貫穿于整個課程學(xué)習(xí)期間，實驗內(nèi)容靈活多樣，成效明顯。實踐證明，這種實驗教學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力、動手實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

電工電子學(xué)； 研究性教學(xué)模式； 實驗教學(xué)； 自主學(xué)習(xí)

0 引 言

對于“電工電子學(xué)”這門理論性和實踐性都很強的課程，各高校都在實驗教學(xué)方面進行了多方面的改革，來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，比如提高實驗教學(xué)的比重，將實驗內(nèi)容分類分層次，減少驗證性實驗，增加設(shè)計性和綜合性實驗，引入仿真軟件，開放實驗時間等措施，取得了很好的教學(xué)效果[1-11]。

我校為了更好地貫徹教育部的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，成立了拔尖班和卓越班。拔尖班和卓越班的學(xué)生是通過選拔的精英學(xué)生，他們吸收知識快、學(xué)習(xí)積極性高，且采用小班授課。學(xué)校鼓勵在這些班開展教學(xué)模式改革，因此作者對裝控拔尖班2013級“電工電子學(xué)”課程采用研究性教學(xué)模式授課。研究性教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、提高工程實踐和創(chuàng)新實踐能力等方面展現(xiàn)出很大的作用，許多高校在不同課程中進行了實踐，并取得了一定的效果[12-15]。

作者根據(jù)多年的授課經(jīng)驗，針對課程實踐性強的特點，授課過程中強調(diào)動手做電路，用電路吸引學(xué)生學(xué)知識，用電路引導(dǎo)學(xué)生運用知識。實驗教學(xué)上采取全程實驗?zāi)Ｊ?，實驗時間貫穿課程學(xué)習(xí)期間，實驗教學(xué)與理論教學(xué)有機融合，給學(xué)生充分的思考、驗證、分析、實踐的時間，學(xué)中做，做中學(xué)，在學(xué)與做中消化吸收運用知識。

1 研究性教學(xué)模式中“電工電子學(xué)”實驗流程

研究性教學(xué)模式中理論教學(xué)和實驗教學(xué)融為一體，不再細分。理論教學(xué)采取精講基礎(chǔ)知識、泛講器件應(yīng)用電路、微視頻輔助教學(xué)等措施，使學(xué)生在扎實掌握基礎(chǔ)知識的同時，減少理論教學(xué)的學(xué)時，并將這部分學(xué)時用于實驗教學(xué)上。傳統(tǒng)實驗課所占學(xué)時約為總學(xué)時的20%，研究性教學(xué)模式下實驗課學(xué)時約為總學(xué)時的40%。實驗學(xué)時的增多，為學(xué)生動手實踐提供了時間保障。實驗教學(xué)流程如圖1所示，主要包括選題、確定方案、制作電路、功能展示、提交電路報告等環(huán)節(jié)。

1.1 選題

開學(xué)第一次課給學(xué)生詳細講述了本課程學(xué)習(xí)的要求，給出期末成績評分標準，將電路任務(wù)發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自主選擇，一人一題，一周后確定名單。

1.2 確定方案

方案確定包括查閱資料、篩選方案、電路仿真、PPT答辯、提交設(shè)計報告等步驟。學(xué)生邊上課邊查資料，選擇實現(xiàn)電路的方案。由于學(xué)生是在課程初期選擇方案，所選方案來自查閱的各種資料，學(xué)生沒有能力判斷方案是否可行，或者方案在實施時是否難度合適，這就需要和教師反復(fù)溝通，最后確定合適的方案。這一環(huán)節(jié)教師起了引導(dǎo)和決策的角色，非常關(guān)鍵。方案確定后，學(xué)生自己分析電路原理，并將電路仿真，仿真時學(xué)生會發(fā)現(xiàn)查閱來的電路并不是很完善，里面存在的諸多問題，需要繼續(xù)完善方案。在完善方案期間，學(xué)生需要自學(xué)一些超出課程范圍的知識。對于這些超綱內(nèi)容，學(xué)生自學(xué)無法理解透徹的，教師單獨輔導(dǎo)講解。

理解方案原理并完成電路仿真后，全班分成3組進行PPT答辯，答辯時學(xué)生不僅要講清楚電路原理，還要回答教師的問題。

這一環(huán)節(jié)，教師要付出相當(dāng)多的時間去和學(xué)生進行密切交流，保證學(xué)生有問題及時得到解決。

1.3 制作電路

制作電路分3步驟：

(1) 熟悉實驗室環(huán)境、儀器儀表和基本元器件的使用。為了讓學(xué)生熟悉實驗室環(huán)境、儀器儀表和基本元器件的使用，有些理論課內(nèi)容放在實驗室里進行，比如二極管、三極管、基本放大電路、運算放大器、數(shù)字電路芯片等內(nèi)容，在實驗室學(xué)生邊聽理論知識，邊搭建簡單電路并熟悉器件。這里的簡單實驗可以采用實驗書中的常規(guī)實驗。每個學(xué)生設(shè)計的電路不同，里面會用到不同的器件，學(xué)生需自主設(shè)計實驗電路，熟悉所用到的特殊器件。

(2) 在面包板上搭建、調(diào)試電路。這是做電子電路的常規(guī)步驟，由于電子元件參數(shù)的分散性、偏差、非線性等原因，根據(jù)理論計算的參數(shù)和仿真的參數(shù)制作出的實際電路，總會出現(xiàn)問題，為了便于調(diào)試電路參數(shù)，先在面包板上搭建電路，調(diào)節(jié)參數(shù)。將方案用元器件搭建出來，看到實物，學(xué)生的興趣非常高。當(dāng)電路中出現(xiàn)問題，總是先自己分析查找，有些故障比較容易查出，有些故障查起來比較困難。由于時間充足，學(xué)生并不急于完成電路，能沉下心想辦法排除故障。有些故障排除耗費兩天課余時間，把電路搭建十多遍的都有。還有些故障，教師需自已搭建電路和學(xué)生一起分析故障原因，找到解決方案。這一環(huán)節(jié)要求教師動手能力要強，熟悉一些實用電路。學(xué)生在做實物電路中遇到的問題千奇百怪，開始學(xué)生能沉下心思考，自己實在解決不了，請同學(xué)幫忙，如果還解決不了，求助于教師。如果教師不能及時解決，意味著后續(xù)環(huán)節(jié)就得拖延，學(xué)生就會產(chǎn)生焦慮急躁的情緒。因此，采用這種教學(xué)模式的教師前期一定要做好準備工作，盡可能多地儲備知識。

(3) 在電路板上焊接電路。很多學(xué)生是第一次焊接電路，教師要給學(xué)生演示如何使用電烙鐵、如何防止虛焊、器件如何排列、布局、如何走線等。通過這個階段的訓(xùn)練，學(xué)生動手能力有了明顯提高。為后續(xù)的電工電子實習(xí)或參加電子設(shè)計競賽打下了良好的基礎(chǔ)。

1.4 電路功能展示

學(xué)生完成電路后，自己準備好講解內(nèi)容，教師錄制學(xué)生電路功能展示視頻。錄制好的視頻可作為教學(xué)資料保存，在今后的授課中可以放給學(xué)生觀摩。電路功能展示環(huán)節(jié)不僅督促學(xué)生獨立完成電路、熟悉電路的工作原理、熟悉電路的工作過程，還鍛煉學(xué)生的口頭表達，增加學(xué)生的成就感。

1.5 提交項目報告

電路完成后，學(xué)生需要提交項目報告，主要包括電路原理、仿真電路、實際調(diào)試出來的電路圖、原理分析、故障排除情況說明、知識點應(yīng)用的體會等內(nèi)容。

2 研究性教學(xué)模式中“電工電子學(xué)”實驗教學(xué)的特點

2.1 實驗時間充足

傳統(tǒng)實驗一個實驗通常2個學(xué)時。由于學(xué)生對實驗課的重視程度不夠，很多學(xué)生預(yù)習(xí)報告敷衍了事，做實驗比著葫蘆畫瓢，不了解實驗電路原理，看到別的同學(xué)完成電路，著急浮躁，遇到問題不能靜心解決，甚至抄別人的數(shù)據(jù)交給老師，實驗老師即使發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題，也沒有時間和設(shè)備讓學(xué)生重做。

研究性教學(xué)模式下的實驗教學(xué)，實驗時間貫穿整個學(xué)期。實驗流程中的每一環(huán)節(jié)都留有充分的時間，每一個學(xué)生有問題都可以通過課前課后、QQ群等方式和教師溝通，得到教師及時的指導(dǎo)；教師發(fā)現(xiàn)某個學(xué)生的問題，及時反饋給學(xué)生，督促修改完善電路；同學(xué)之間可以交流電路原理，幫忙查找故障原因。提供充足的實驗時間讓學(xué)生定心靜氣地研究電路并制作電路。

2.2 過程考核維持學(xué)生高漲的學(xué)習(xí)熱情

有趣的電路引發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，如何讓這股熱情一直持續(xù)下去,實驗時間充足是研究性教學(xué)模式下“電工電子學(xué)”實驗教學(xué)的一大優(yōu)點，但如果不加以過程考核，學(xué)生很容易由學(xué)期初的興趣盎然變成學(xué)期末的敷衍了事。

過程考核從實驗流程中的第二個環(huán)節(jié)起，每一部分在期末總評中都占一定比例，比如確定方案和制作電路中的常規(guī)實驗、創(chuàng)新性實驗占20%，制作電路中的面包板調(diào)試和電路焊接占30%，功能展示和電路報告10%，另外為督促學(xué)生徹底弄清電路原理和制作電路時出現(xiàn)故障的原因，設(shè)置電路問題回答環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)占10%。

2.3 實驗教學(xué)促進學(xué)生的自主學(xué)習(xí)

學(xué)期初，學(xué)生要查資料確定電路方案，此時學(xué)生對電路原理并不理解，但知道后面要完成它，這就督促學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中格外用心，比如在后面實驗電路實例中單相電實現(xiàn)三相電的電路就是理論學(xué)習(xí)中的一道課后習(xí)題，做這個電路的學(xué)生會主動地去研究這道題。對于不理解原理的電路，比如需要自學(xué)的三相整流電路，要求學(xué)生先搭建仿真電路，觀察電路波形或測量電路數(shù)據(jù)，用現(xiàn)象或數(shù)據(jù)總結(jié)電路功能，進而幫助理解電路原理。因此本課程學(xué)習(xí)完，學(xué)生還自學(xué)了Multisim仿真軟件[16]，并能熟練使用它。

2.4 教學(xué)相長的實驗?zāi)Ｊ?/p>

在完成電路的過程，學(xué)生選擇的方案、遇到的問題都是教師無法預(yù)料的，因此需要教師不僅要有扎實的理論知識，還要有過硬的動手能力，否則學(xué)生方案是否正確，在做電路過程中遇到的千奇百怪的問題很難及時回答，影響教學(xué)進度，甚至?xí)?dǎo)致學(xué)生對完成電路喪失信心。在解決學(xué)生問題的過程中，教師不斷地學(xué)習(xí)、創(chuàng)新、實踐，提高了業(yè)務(wù)能力。

2.5 實驗成果明顯

課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生將學(xué)期初的任務(wù)書做成了可以操作的實用電路，成就感不言而喻。學(xué)生完成的電路教師可以作為教學(xué)資料保存起來，在今后的教學(xué)中使用。

學(xué)生完成的部分電路如圖2所示。

圖2 學(xué)生完成的實驗電路作品

3 實驗電路實例

研究性教學(xué)模式中實驗電路的選擇很關(guān)鍵。電路內(nèi)容除了涉及本學(xué)期所學(xué)內(nèi)容外，還有些內(nèi)容需學(xué)生自學(xué)完成。

在選擇電路時應(yīng)遵循下以下幾條：① 電路題目最好有實際含義或工程背景。② 電路所涉及內(nèi)容盡量包含課程主要知識點。③ 電路難度適中，學(xué)生通過自學(xué)或答疑能夠理解電路原理。④ 電路具有直觀性、趣味性、實用性。⑤ 電路使用基本器件可以實現(xiàn)。

針對實施班級，筆者設(shè)計了相序指示和缺相保護電冰箱多功能保護器、能畫出聲音的鉛筆、精神壓力緩解器、蓄電池過壓過流保護電路、過量程報警的頻率計、汽車前燈自動變光控制電路、花盆缺水告知電路、反應(yīng)速度測試器、塑料袋封口機等具有實用性或趣味性的、用常規(guī)器件可以實現(xiàn)的26個實驗電路。

比如在相序指示和缺相保護電冰箱多功能保護器中，設(shè)計完成的電路滿足下列要求：① 將單相交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電；② 檢測三相交流電的相序；③ 三相電源缺相檢測；④ 檢測結(jié)果顯示電路。實現(xiàn)該電路，涉及正弦交流電路、半導(dǎo)體器件、比較器、觸發(fā)器、直流穩(wěn)壓電源等課本知識，學(xué)生還需自學(xué)三相整流的知識。圖3是學(xué)生做的缺相檢測及顯示的仿真電路。

4 結(jié) 語

研究性教學(xué)模式中實驗教學(xué)貫穿整個課程學(xué)習(xí)期間，既有常規(guī)實驗幫助學(xué)生理解課本知識，又有學(xué)生自己設(shè)計的個性實驗幫助理解自學(xué)的內(nèi)容，還有綜合性很強的電路引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)運用理論知識，感受學(xué)有所用的樂趣。整個實驗過程，學(xué)生從查閱資料、動手實踐、口頭表達、報告撰寫、相互協(xié)作等方面得到了鍛煉。通過實踐證明，該實驗教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

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Reform and Practice of Research-Oriented Experiment Teaching Mode in the Course of Electrical and Electronics

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

This paper presents a suitable research-oriented mode in experimental teaching for the course of electrical and electronics. The learning of theory knowledge is combining with the making of practical and interesting circuit in this teaching mode. The fabrication of these circuits is beneficial to stimulate the learning enthusiasm of students, as well as guide students to apply what they have learned. The experimental teaching mode is performed throughout the period of the course learning with facile and diverse experimental content, and effective and obvious results are obtained. It is proved that this way of experimental teaching is good to cultivate students' ability of analyzing and resolving problems, practical ability and autonomous learning ability.

electrical and electronics; research-oriented teaching mode; experimental teaching; autonomous learning

2016-05-30

山東省重點教改項目“基于能力培養(yǎng)的電工電子學(xué)課程體系與教學(xué)模式的探索與實踐”(2015Z025)，中國石油大學(xué)(華東)教改項目(YK201320，YK201411)

王心剛( 1969-) ，男，山東高密人，學(xué)士，副教授，研究方向電氣控制及自動化。

Tel.：18266639970; E-mail: wxg7038@ sina.com

G 642.423

A

1006-7167(2017)04-0188-04