線上線下結合的“電路實驗”教學改革與創(chuàng)新

李新國，陳 瑤

（湖南第一師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410205）

“電路”是電子信息工程、電子科學與技術、通信工程等電子信息類專業(yè)學生入校后開設的第一門專業(yè)基礎課?！半娐贰苯虒W主要體現(xiàn)在兩個方面：一是已知電路結構與相關參數(shù)求解電路的其他參數(shù)，二是根據(jù)已知電路參數(shù)設計具體電路[1]?！半娐贰钡闹饕虒W內容有電路器件、電路定律與定理、電路分析方法、交流電路、諧振電路、變壓器電路、三相交流電路等?！半娐贰钡那捌谡n程有“大學物理”和“高等數(shù)學”，后續(xù)課程有“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”“高頻電子線路”等，“電路”在電子信息類專業(yè)的課程體系中起著承上啟下的作用?！半娐穼嶒灐笔请娐防碚摰尿炞C與具體應用，開設好“電路實驗”對打造電路“金課”具有重要意義。

一、“電路實驗”簡介

“電路實驗”屬于實踐教學范圍，它是對電路原理與電路概念的驗證與應用。許多高校將其單列為一門實驗課程，也有一些高校將其嵌入在電路理論教學中。“電路實驗”對大一電子信息類學生的專業(yè)啟蒙教育非常重要。在高考中，實驗考題占的分值很少，高中階段學生接觸的實驗不多，許多新入校的大學生對實驗一無所知，既沒有實驗習慣，也沒有實驗方法，更沒有獨立實驗能力。通過電路實驗，大一學生在老師的指導下，認識了許多的電子儀器儀表，掌握常用電子設備的使用方法，熟悉電路搭建、電路參數(shù)測量等方面的知識，為以后“模擬電子技術”與“數(shù)字電子技術”等課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計奠定堅實基礎?！半娐穼嶒灐敝饕须娐吩?shù)的測量、電路定律與定理的驗證、實用電路的設計等項目。只有通過理論與實踐的有機結合，才能學好“電路實驗”課程。

二、“電路實驗”教學模式

（一）線上實驗教學模式

線上實驗教學模式就是將所有的實驗項目、實驗要求、實驗內容放于網(wǎng)上。學生根據(jù)實驗要求在網(wǎng)上進行實驗，并通過網(wǎng)絡將實驗結果提交給老師。老師根據(jù)學生的實驗數(shù)據(jù)給出實驗成績。為了確保線上實驗教學模式良好實施，必須具備網(wǎng)絡實驗教學平臺，學生在網(wǎng)絡實驗教學平臺的幫助下開展實驗。由于網(wǎng)絡實驗教學平臺上的儀器、儀表都是虛擬的，所以虛擬的設備沒有線下實驗室的實體儀器、儀表設備真實可靠。但線上實驗教學模式可以展示線下實驗室無法實現(xiàn)的實驗過程與實驗場景，比較適應于電路設計與制作等創(chuàng)新性實驗。而對于驗證性實驗與綜合性電路實驗來說，線上實驗則沒有優(yōu)勢。

（二）線下實驗教學模式

線下實驗教學模式主要是將實驗項目放在實驗室內進行。學生根據(jù)實驗要求，通過搭建實驗電路，使用實驗儀器設備測量實驗參數(shù)，得出實驗結果。為了客觀地記錄實驗過程和結果，要求學生撰寫并提交紙質實驗報告，老師根據(jù)學生在實驗過程中的表現(xiàn)與實驗報告的數(shù)據(jù)評定實驗成績。為了保證線下實驗教學高質有效，實驗室必須配備精密的儀器設備，具有良好的實驗環(huán)境。雖然線下實驗教學得出的實驗數(shù)據(jù)真實可靠，但無法展示復雜的實驗場景與實驗過程?！半娐贰本€下實驗適合于電路定律與定理的驗證、電路參數(shù)的測量等驗證性實驗項目。對于設計性與創(chuàng)新性實驗，線下電路實驗相對線上實驗來說實現(xiàn)起來比較困難[2]。

（三）線上線下結合的實驗教學模式

通過線上與線下實驗教學模式的分析，我們發(fā)現(xiàn)線上線下實驗教學的實驗環(huán)境、實驗手段、實驗儀器設備、實驗成績評定各有優(yōu)缺點。我們只有實施線上線下相結合的辦法，才能彌補彼此的不足，從而形成一種新的實驗教學模式。線上線下相結合的實驗教學模式有兩種類型：第一種是“先上后下”：首先將所有實驗項目上傳到網(wǎng)絡，要求學生在網(wǎng)上根據(jù)實驗要求完成實驗，然后將網(wǎng)上完成的實驗項目再進入實體實驗室內，利用實驗室現(xiàn)有的實驗設備再完成所有實驗。第二種是“上下同步”：簡單驗證性實驗在線下實驗室內完成，復雜創(chuàng)新性實驗在網(wǎng)上完成，實驗室完成的實驗項目不上傳到網(wǎng)上，網(wǎng)上完成的實驗項目不在實驗室重復進行。筆者認為“電路實驗”適合于“上下同步”的實驗形式，對于電路定律定理等驗證性實驗項目在線下進行，對于電路設計等創(chuàng)新性實驗項目在線上進行，線上線下結合能夠提高實驗質量，會收到良好的實驗效果。

三、“電路實驗”課程存在的問題

（一）實驗項目存在的問題

實驗項目的選定在實驗教學中占有非常重要的地位。實驗項目選得過于簡單，達不到課程實驗的要求，實驗項目選得過于復雜，難以實現(xiàn)其實驗效果。實驗項目的分布章節(jié)和各章節(jié)實驗項目配置的多少也影響整個實驗課程的質量。電路實驗改革前，我們按邱關源編著的《電路》第五版教材內容，設置的實驗項目有：電路儀器儀表的使用、基爾霍夫定律、疊加定理、戴維寧定理、零輸入響應時間參數(shù)測量、交流電路參數(shù)測量、諧振電路、三相電路參數(shù)測量共八個實驗。其中前面的四個實驗屬于驗證性實驗，后面四個屬于設計與綜合性實驗。筆者分析這些實驗項目設置存在的問題有：（1）實驗類型分配不合理，驗證性實驗較多，設計與綜合性實驗較少，沒有創(chuàng)新性實驗項目；（2）實驗分布的章節(jié)不科學，直流電路相關章節(jié)的實驗較多，交流電路相關章節(jié)的實驗較少，沒有設置磁路或變壓器方面的實驗項目；（3）實驗項目比較單一，實驗項目主要是電路參數(shù)的測量，沒有電路的設計或電子產品的設計；（4）沒有設置線上實驗項目，電路實驗項目全部在線下實驗室進行，沒有提供網(wǎng)絡實驗教學平臺進行線上電路實驗。這些問題的存在，反映出電路實驗課的教學質量不高。

（二）實驗過程存在的問題

電路實驗進行的過程，就是搭建實驗電路測量實驗結果或設計實驗電路完成某些既定功能的過程。實驗過程對提高學生動手能力起著非常重要的作用。實驗過程規(guī)范有序，得到的實驗結果也就真實可靠，我們要高度重視學生實驗過程的跟蹤與考查。目前在電路實驗過程中存在的主要問題有：（1）實驗過程簡單。電路實驗全部在線下實驗室進行，并且實驗電路簡單，沒有在線實驗平臺，難以展示復雜真實的實驗場景。（2）設備利用率不高。電路實驗的設備主要是實驗箱和萬用表，學生很少使用示波器、頻率計等其他儀器設備，存在部分實驗設備長期閑置的問題。（3）抄襲與模仿現(xiàn)象嚴重。由于實驗人員較多，設備臺套數(shù)不足，一個實驗要分多組，每組有多人進行。一組人員搭接好實驗電路以后，往往被其他組人員模仿，得出的實驗數(shù)據(jù)也可能被另一組人員參考，這樣造成大部分的實驗電路和實驗數(shù)據(jù)雷同，嚴重影響實驗效果。（4）實驗數(shù)據(jù)誤差較大。不同的組員搭建相同的電路、使用不同的儀表去測同一參數(shù)，往往會測出不同的實驗數(shù)據(jù)。例如在驗證疊加定理的實驗中，要求測某一支路的電流，張三利用萬用表直流檔測得的電流是0.5mA，李四利用直流電流表測得的電流是0.7mA，兩者的誤差為0.2mA。為了使實驗數(shù)據(jù)接近真值，還有學生通過電路計算得出實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

（三）實驗成績評定存在的問題

“電路實驗”成績的評定有單個實驗成績的評定和期末實驗總成績的評定。對于單個實驗的成績評定往往根據(jù)實驗報告來衡量，誰的實驗報告圖畫得漂亮、字寫得工整、數(shù)據(jù)顯示合理，誰的實驗成績就好。期末實驗成績的評定也是要求完成一個實驗項目，根據(jù)實驗報告完成情況來評定成績，或者通過多個實驗成績采取求平均值的方法來確定等級。這些評定實驗成績的方法，往往忽略了那些在實驗過程中表現(xiàn)優(yōu)秀學生的“功績”，嚴重挫傷了學生的實驗積極性。主動搭建電路、選擇儀表、測量數(shù)據(jù)的學生往往他們的實驗報告寫得并不好，而那些不動手等著抄寫數(shù)據(jù)的學生，實驗報告會寫得很漂亮。許多高校沒有將“電路實驗”單列成一門課程，將實驗成績當成理論考試成績的參考，實驗做得好與做得差一個樣，做與不做也一個樣，沒有客觀公正地考查出學生“電路”課程學習情況，因而難以提高課程的學習效率。

四、“電路實驗”課程的改革措施

（一）實驗項目的改革

我們要提高“電路”課程的教學質量，首先要提高其實驗課的教學質量。我們可通過優(yōu)化實驗項目，整合實驗資源，采取線上線下相結合的模式進行實驗課教學改革。根據(jù)多年的教學經驗，我們提出八個電路實驗項目以供參考：電路元件參數(shù)測量、電路定律與定理驗證、直流電路設計、諧振電路設計、交流參數(shù)測量、交流電路設計、電源變壓器設計、電路綜合設計。其中直流電路設計、諧振電路設計、交流電路設計、電源變壓器設計是設計與綜合性實驗項目，電路綜合設計是創(chuàng)新性實驗項目，它們都適合于線上實驗，學生可利用網(wǎng)絡實驗平臺，查找相關資料，進行相關的實驗仿真，最后設計好電路，得出實驗結果。電路元件參數(shù)測量、電路定律與定理驗證、交流參數(shù)測量是驗證性實驗項目，適用于線下實驗室完成，學生通過使用實驗室的元器件或實驗箱等設備，利用萬用表、示波器等儀器設備測得數(shù)據(jù)來完成實驗項目。

（二）實驗過程的改革

由于電路實驗項目有線上和線下實驗，那么實驗過程改革也必須實施線上與線下相結合的辦法。大部分線上電路實驗都是設計性和創(chuàng)新性實驗，線上電路實驗過程的改革，就是在提供好實驗平臺與相關軟件的基礎上，利用網(wǎng)絡發(fā)布實驗內容，學生根據(jù)老師的具體要求來完成電路的設計與相關參數(shù)的測量。因此，線上電路實驗必須要有電路元件的選擇過程、電路設計的仿真過程以及教師指導和答疑過程，真實反映出電路是學生自行設計的，數(shù)據(jù)是學生自行測量的。只有這樣，網(wǎng)絡虛擬實驗才不“虛擬”。由于大部分線下電路實驗是驗證性實驗，線下電路實驗過程的改革就要體現(xiàn)在實驗電路的搭建與實驗儀器儀表的選擇上。學生按實驗指導書的要求選擇實驗設備、自行搭建電路進行實驗得出實驗結果，最后撰寫真實可信的實驗報告。

（三）實驗成績評定的改革

電路實驗分為線上、線下兩種類型，實驗成績的評定也要線上、線下分別進行。對于線上實驗成績的評定要注重電路元件的選取和實驗電路的仿真。對于線下實驗成績的評定要注重學生實驗電路的搭建過程、實驗儀器儀表的選取和實驗數(shù)據(jù)的處理。實驗報告只能作為實驗成績的參考，不能成為實驗成績的決定因素。筆者根據(jù)多年的“電路實驗”教學經驗認為：（1）“電路實驗”成績必須單列，不能混合在理論課的考試當中；（2）“電路實驗”成績必須是學分制，不能實施等級制；（3）“電路實驗”可以線上線下各設一個實驗項目組織考試，而不能采用平時實驗成績求平均值的辦法；（4）“電路實驗”考試建議采用線上線下結合形式，線上實驗成績占40%、線下實驗成績占60%。利用這些方法，客觀公正地評價學生，得出一個真實反映學生學習能力的實驗成績。

五、“電路實驗”課程改革成效

（一）實驗改革對其他課程的影響

對于電子信息類專業(yè)來說，電路課程的前期課程一般是“高等數(shù)學”與“大學物理”，“電路”課程的后續(xù)課程一般是“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”和“高頻電子電路”。通過“電路實驗”課程改革，對前期與后續(xù)課程都能產生積極影響，主要表現(xiàn)在：（1）學生懂得了“高等數(shù)學”中的微積分知識在電路建模中的應用，認識了“大學物理”電學部分的實驗項目與電路實驗的相通性，電路實驗是對大學物理電學部分實驗的拓展與加深，涉及的知識更寬泛，使用的電路更復雜；（2）學生對“模擬電子技術”中電路的設計與參數(shù)的測量更為熟悉，實驗操作更加得心應手；（3）學生對“數(shù)字電子技術”實驗中計數(shù)器電路的設計、譯碼電路的設計等實驗理解得更透徹，搭建電路更快捷，選擇參數(shù)更準確；（4）學生對“高頻電子線路”中的調諧放大器、功率放大器、振幅調制器等實驗電路更加容易理解，測得數(shù)據(jù)更加可靠。我們通過電路實驗改革前后的對比發(fā)現(xiàn)：學生對后續(xù)課程的學習更有信心，實驗動手能力更強，完成實驗的速度更快，實驗操作更加規(guī)范，排除實驗故障的經驗更加豐富，提高了電子信息類學生專業(yè)課的學習能力。

（二）實驗對課程設計的影響

我校電子信息類專業(yè)的課程設計有“電路綜合”“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”等。根據(jù)我校電子信息工程專業(yè)的教學計劃，在完成“電路”課程后要求進行為期兩周的電路綜合設計，主要是根據(jù)所學的電路理論設計與制作出一種電子產品。通過前期的實驗教學改革，我們有了直流電路設計、交流電路設計和諧振電路設計的基礎，進行電路綜合設計就顯得輕松容易。學生掌握了電路設計思路、熟悉了電路設計過程，能正確地進行元件的選擇、電路的仿真、電路的調試與焊接，從而能在兩周內完成好電子產品的設計與制作任務。根據(jù)我校電子信息工程專業(yè)的教學安排，對“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”和“單片機原理與應用”等后續(xù)課程也要求進行為期兩周的課程設計。學生利用所學的電子理論知識，設計出模擬電路和數(shù)字電路，通過仿真、調試和制作形成電子產品。這類電子產品比電路綜合設計的電子產品電路更復雜，功能更強大，涉及的知識點更多。通過“電路實驗”教學的改革發(fā)現(xiàn)，學生在進行后續(xù)課程的課程設計，既懂得了電子產品設計的要點，也懂得了電子產品設計的靈活性與藝術性，他們設計與制作的電子產品普遍得到了專業(yè)老師的認可。

（三）實驗對電子設計競賽的影響

為了提高學生的電子設計能力，我校在舉辦好校內電子設計競賽的基礎上，積極參加全國（?。┑拇髮W生電子設計大賽。我校舉辦的電子設計競賽面向全校所有專業(yè)學生，學生經過一個月時間的訓練，精心設計制作出電子產品，再邀請校內專家教授針對學生作品進行答辯，最后評定出獲獎名次。獲得一、二等獎的學生才有資格參加全國（全?。╇娮釉O計大賽。通過電路實驗教學的改革，我校學生具備了扎實的電路設計基礎，電子設計能力得到明顯提高。近幾年，我校榮獲全國（?。┐髮W生電子設計競賽一等獎兩項、二等獎一項、三等獎三項。

（四）實驗對學生畢業(yè)設計的影響

電子信息類專業(yè)學生的畢業(yè)設計是綜合檢驗學生電子設計能力的重要環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設計訓練，學生能很好地將自己所學的專業(yè)知識用于電子產品的設計與制作過程中[3]。在以往的畢業(yè)設計選題中，學生往往不敢選擇有一定難度的題目，傾向于選擇與課程設計題目相類似的題目。通過“電路實驗”教學改革，學生已具備了扎實的電路設計基礎，積累了課程設計經驗，畢業(yè)設計的選題都達到了一定難度，并且在電子產品設計與制作階段，也會嚴格按老師要求完成仿真與調試，最后在畢業(yè)答辯中能與老師就某一參數(shù)的正確性和合理性進行辯論，畢業(yè)答辯變成了一場師生專業(yè)知識的辯論賽。畢業(yè)生很有成就感，老師也深深體會到了加強學習、更新知識的必要性。

“電路實驗”是電子信息類專業(yè)學生提高實驗興趣的入門實踐課。通過在電路實驗過程中的嚴格訓練，能引導學生形成良好的實驗習慣，為以后的課程設計和電子設計競賽奠定堅實基礎。因此，我們必須高度重視“電路實驗”課程的改革，使“電路實驗”課程變?yōu)槊鋵嵉摹敖鹫n”。