《電工基礎(chǔ)》課程整合式實驗教學(xué)研究

任東紅，袁清萍，邢兵鎖，俞昌鎖

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

《電工基礎(chǔ)》作為高職院校電氣、機(jī)電等電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，是后續(xù)電機(jī)與電氣控制技術(shù)、電工實訓(xùn)、電氣裝調(diào)類專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其一般開設(shè)于大學(xué)一年級第一學(xué)期。其理論性較強(qiáng)[2]，涉及較多原理性內(nèi)容，公式及推導(dǎo)較多，要求學(xué)生具有較好的邏輯推導(dǎo)能力及數(shù)學(xué)功底，同時要求學(xué)生具有一定的動手能力。

一、電工基礎(chǔ)教學(xué)存在問題分析

（一）課程的特點

《電工基礎(chǔ)》是一門理論知識較強(qiáng)，同時根據(jù)高職學(xué)生的特點，也是對實踐要求較高的課程，涉及到的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)知識較多，對于高職學(xué)生相對難以理解，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來較大困難。

（二）教學(xué)中存在的問題

高職院校 《電工基礎(chǔ)》教學(xué)一般以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔。教師在教授課程時，以讓學(xué)生掌握電工常識和基本定律為主要教學(xué)目標(biāo)，在完成教學(xué)目標(biāo)的同時，采用部分實驗予以論證，整體實驗和動手較少。此種教學(xué)模式，對于現(xiàn)階段的高職學(xué)生，主要存在以下幾大問題。

1.學(xué)生對理論知識缺乏興趣

高職院校學(xué)生普遍文化課基礎(chǔ)較薄弱，學(xué)習(xí)缺乏主動性，缺少自信，對理論知識具有害怕恐懼心理，將學(xué)習(xí)視為一種負(fù)擔(dān)。針對簡單淺顯的理論知識，學(xué)生可以被動接受，但是，當(dāng)遇到較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)時，學(xué)生基本無法理解，也無法接受，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，失去學(xué)習(xí)后續(xù)知識的信心，不利于本門課后續(xù)知識的教授，同時也影響了學(xué)生對今后電類課程學(xué)習(xí)的自信心[3]。

2.教師教學(xué)目標(biāo)不明確

根據(jù)高職學(xué)院《電工基礎(chǔ)》課程標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生通過本門課的學(xué)習(xí)后在電工技術(shù)的理論、實訓(xùn)技能和職業(yè)素質(zhì)方面都能獲得較大進(jìn)步，因此我們的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生在理論、實操以及素養(yǎng)方面都有所收獲，這就要求教師的教學(xué)內(nèi)容要符合教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)過程中不能脫離教學(xué)目標(biāo)，不能只片面完成一個或者兩個方面。

3.教師教學(xué)方法單一

目前，高職院校一般采用理論為主，實驗為輔的方法開展《電工基礎(chǔ)》的教學(xué)，此種教學(xué)模式仍然存在理論與實驗的界限，無法做到真正的理實一體化，無法呼應(yīng)“做中學(xué)，學(xué)中做”的新時期高職院校的授課要求。會出現(xiàn)學(xué)生光做實驗，實驗結(jié)束后，并未將其與理論知識結(jié)合起來的現(xiàn)象。同時由于部分高校實驗條件有限，導(dǎo)致部分教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法仍以講授為主，教學(xué)效果不理想。

二、電工基礎(chǔ)課程改革研究

針對目前高職院?！峨姽せA(chǔ)》教學(xué)中普遍存在的問題，本文提出了三種改革方法，具體如下：

（一）整合教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)課時

根據(jù)目前高職院校課程安排，電工基礎(chǔ)主要有五方面的內(nèi)容，分別是電路的基本概念和基本定律、電路的分析方法、正弦交流電路、三相交流電路以及磁路與變壓器知識。由于高職學(xué)生初高中物理電學(xué)知識相對薄弱，因此電工基礎(chǔ)中電路的基本知識和基本分析方法的學(xué)習(xí)時長占比較大，加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)電學(xué)知識學(xué)習(xí)。同時為了給后續(xù)其他學(xué)科學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，交流電知識也將作為重點介紹。磁路與變壓器在后續(xù)課程中會重點介紹，因此在本門課中將作簡單引入，所占課時較少。調(diào)整后的電工基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容和課時如下表，其中按照高職院校教學(xué)安排，《電工基礎(chǔ)》課程每周開設(shè)4節(jié)，共16周，總課時為64節(jié)：

表1 電工基礎(chǔ)課時分配

（二）提高實驗教學(xué)比例

《電工基礎(chǔ)》課程內(nèi)容涉及面較廣，基本涵蓋了簡單的直流電路到單相、三相交流電路的所有基本知識，同時涉及到磁路和變壓器的基本概念。這些內(nèi)容偏于理論，學(xué)生如果通過教師講授被動學(xué)習(xí)難免枯燥，學(xué)習(xí)積極性低，學(xué)習(xí)收獲少，因此，理實一體化的教學(xué)是目前教學(xué)的必走之路。多數(shù)學(xué)校已經(jīng)開展了理實一體化教學(xué)，但是各學(xué)校教學(xué)條件不一，教學(xué)要求有高低，因此實驗部分有差異。目前，根據(jù)高職學(xué)生特點，設(shè)置的實驗教學(xué)內(nèi)容共32課時，占總課時比例50%，具體實驗教學(xué)內(nèi)容及課時分配如下：

表2 實驗教學(xué)內(nèi)容安排

（三）整合實驗教學(xué)手段

雖然自《電工基礎(chǔ)》課程實現(xiàn)理實一體化教學(xué)以后，實驗教學(xué)比例大大增加，但是傳統(tǒng)實驗有著不可避免的缺點，主要如下：

1.《電工基礎(chǔ)》課程實驗以驗證性實驗為主，探索性試驗為輔，實驗設(shè)備固定落后，實驗過程無法調(diào)動學(xué)生積極性和創(chuàng)新性[4]。

2.傳統(tǒng)實驗教學(xué)釆用實驗室實際教學(xué)，用到的實驗設(shè)備較多，每個學(xué)校需要配備較多的實驗器材，占用較多的教學(xué)場地，因此對學(xué)校的教學(xué)場地和經(jīng)濟(jì)有著一定要求。同時電工實驗教學(xué)中設(shè)備儀表容易損壞，需要及時更換及維修，對學(xué)校的實驗條件要求較高，可能會影響教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)效果。

3.傳統(tǒng)實驗存在安全問題，電學(xué)傳統(tǒng)實驗教學(xué)中安全問題在所難免，特別是交流電路實驗，安全必須嚴(yán)格把關(guān)，一旦疏忽，可能會造成財產(chǎn)損失和人員傷亡，后果不堪設(shè)想，因此實驗安全性是設(shè)計實驗時教師必須考慮的重要方面。

鑒于以上問題，目前許多院校都在嘗試使用軟件仿真實驗代替部分傳統(tǒng)實驗；一方面可以解決傳統(tǒng)實驗對實驗場地和實驗設(shè)備的要求過高，另一方面，通過電腦軟件的使用學(xué)生可以反復(fù)實驗，增加實驗的創(chuàng)新性，加深對實驗的理解，同時由于是操作計算機(jī)，而非高壓設(shè)備，實驗具有絕對安全性；因此，本校也可考慮在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增加仿真實驗，整合實驗手段。

三、Multisim仿真軟件使用

目前最常用推薦的電路仿真軟件為Multisim仿真軟件，學(xué)生只需安裝該軟件，在學(xué)校已配備的計算機(jī)教室基礎(chǔ)上即可完成相應(yīng)的電工基礎(chǔ)實驗，無需學(xué)校另置實驗設(shè)備。同時學(xué)生可利用軟件反復(fù)實驗，提高實驗效率，避免占用過多教學(xué)課時[5]。Multisim仿真軟件具有完善的電路設(shè)計及仿真功能、具有大量虛擬儀表，實現(xiàn)在線分析功能。學(xué)生可通過該軟件，構(gòu)建和設(shè)計各類電路，通過儀器儀表（電流表、電壓表、萬用表、示波器）來判斷所構(gòu)建電路的可行性，加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，極大地培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。

圖1為Multisim仿真軟件的主界面。學(xué)生通過仿真軟件可以完成基本的直流電路實驗，例如歐姆定律實驗、伏安特性實驗、基爾霍夫定律實驗等，該類直流實驗原理簡單，學(xué)生可在機(jī)房進(jìn)行仿真練習(xí)，效率較高，同時教師可根據(jù)實際，選擇一至兩個典型實驗在實驗室動手操作，由于學(xué)生已進(jìn)行仿真實驗練習(xí)，對理論知識有一定的理解，通過仿真實驗與實際動手實驗的對比，找出實際操作的誤差所在，同時由于學(xué)生對仿真實驗有一定的了解，動手實驗也具有一定的針對性，增加了實驗的成功率和效率，充分利用教學(xué)學(xué)時。

圖1 Multisim仿真軟件主界面

圖2展示的是直流基爾霍夫電壓定律仿真實驗，電路中提供兩個分別為12V，8V的電壓源，學(xué)生可通過仿真實驗，將三個直流電壓表并聯(lián)在電阻兩端，在線測量出三個電壓表的讀數(shù)分別為7.2V，-4.8V，-3.2V，因此滿足在任一回路中繞行一周∑U=0，從而驗證了基爾霍夫電壓定律。同時在時間和設(shè)備允許下，教師也可在仿真實驗的基礎(chǔ)上，增加實體實驗，將二類實驗結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析誤差原因。

圖2 基爾霍夫電壓定律仿真實驗結(jié)果圖

通過Multisim仿真軟件可以完成三相交流電路實驗，針對典型的三相交流電路實驗中的照明電路實驗，由于負(fù)載正常情況下不對稱，因此我國居民用電采用的是三相四線制供電系統(tǒng)，即三根火線一根零線，確保每相負(fù)載電壓為220V。而在《電工基礎(chǔ)》課程中，三相交流電路實際操作實驗存在較大安全隱患，因此可通過仿真實驗完成此情境的學(xué)習(xí)[4]。圖4是驗證三相負(fù)載Y形連接時電壓電流的關(guān)系，其中三相負(fù)載均為484Ω電阻，即三相負(fù)載完全對稱，從仿真結(jié)果來看，中性線上電流表的讀數(shù)幾乎為0，驗證了三相負(fù)載對稱，中性線電流為0的理論；同時可隨機(jī)調(diào)整電阻大小，改變電路為非對稱電路，觀察實驗現(xiàn)象和電表讀數(shù)，學(xué)生通過簡單操作開拓思維，簡單安全，實驗效率大大提高。

圖3 RL串聯(lián)電路仿真結(jié)果圖（50Hz,60Hz仿真結(jié)果）

四、結(jié)論

文中針對《電工基礎(chǔ)》課程的特殊性，為提高高職院校教學(xué)效率，提出相應(yīng)改革措施，要求在教學(xué)學(xué)時上進(jìn)行整合統(tǒng)一；在學(xué)時分配方面加大實驗教學(xué)比例，提高理論課趣味性；在實驗教學(xué)手段方面，引入multisim仿真教學(xué)手段，結(jié)合仿真教學(xué)對實驗條件要求相對較低、安全性高、可重復(fù)操作等優(yōu)勢，將仿真教學(xué)與實際操作實驗相整合，增加實驗的成功率和效率，同時分別選取直流電路、單相交流電路、三相交流電路中的三個典型實驗，通過使用multisim仿真軟件，可完成既定實驗要求，驗證實驗結(jié)論，針對實驗條件相對薄弱的學(xué)校，可行性較高，可推廣使用。仿真實驗作為聯(lián)系理論知識與實際實驗的橋梁，為許多高校的實驗教學(xué)鋪平道路，但同時，仿真實驗若和動手實驗有一定區(qū)別，若將二者整合起來教學(xué)，教學(xué)效果將會有質(zhì)的提升。

圖4 交流三相負(fù)載Y型連接電流電壓關(guān)系仿真電路圖