電工與電子技術(shù)實驗課程線上教學(xué)的研究與實踐

鄧紅雷， 張仙玲， 汪娟娟

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

電工與電子技術(shù)實驗是電工教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和工程思維的重要手段。多年來，我校電工與電子技術(shù)實驗一直都在實驗室進行，除了少部分電路和模電實驗采用軟件仿真模擬的形式外，大多數(shù)實驗都以在實驗臺搭建實物電路的方式進行。2020年疫情持續(xù)時間長，按照教育部“停課不停學(xué)”的指示與部署，為了不影響教學(xué)進度，我校部分專業(yè)在春季開展了電工與電子技術(shù)實驗課程的網(wǎng)上教學(xué)工作，將電工與電子技術(shù)實驗從現(xiàn)場搬到線上教學(xué)。

1 線上電工實驗教學(xué)的優(yōu)點與存在的問題

1.1 優(yōu)點

（1）授排課方便。電工實驗，學(xué)生人數(shù)與學(xué)時很多，現(xiàn)場實驗往往受到場地、實驗儀器、教師和學(xué)生時間以及理論課程進度的限制，只能分小班授課，見縫插針，實驗室總是排得滿滿的，甚至很多實驗課程只能放在理論課結(jié)束后的下一個學(xué)期進行，易造成實驗和理論課程脫節(jié)，使實驗課程失去了對理論課程的幫助理解加深認識的作用。而網(wǎng)上實驗授課只要有手機、電腦和網(wǎng)絡(luò)，可以隨時進行，授課排課異常方便，不受時間和場地的限制［1-2］。

（2）節(jié)約成本，操作安全。常規(guī)現(xiàn)場實驗，無論老師再怎么強調(diào)，總會出現(xiàn)部分學(xué)生接錯電路，造成元器件損壞的情況。多年經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，一個電工實驗班大約有10%的同學(xué)，會出現(xiàn)因運放芯片電源正負極極性、整流橋交直流、電容正負極接錯，造成元器件損壞的情況，甚至還曾發(fā)生過電容因極性接反發(fā)生爆炸造成學(xué)生眼睛受傷的情況。由于參與電工實驗的人數(shù)很多，累積下來，元器件的損耗花費也是一筆不菲的開支。而線上實驗是仿真實驗，沒有元器件的損耗，不僅安全，而且可以節(jié)約大量開支［3］。

（3）避免線路連接處接觸不良的問題。有現(xiàn)場實驗經(jīng)驗的老師都知道，線路接觸不良是最難發(fā)現(xiàn)和檢查的問題。實驗臺和導(dǎo)線運行時間過長時，會出現(xiàn)插孔氧化、連接導(dǎo)線插頭老化的現(xiàn)象，有時學(xué)生明明接線無誤，但是實驗結(jié)果就是不正確，對于這類故障，學(xué)生是很難自己檢查出來的，往往需要老師的幫助，如果這種情況發(fā)生過多，必然會拖累實驗課堂的進度，而網(wǎng)上實驗則不存在此類問題。

（4）實驗結(jié)果和波形更穩(wěn)定，更便于測量。實際現(xiàn)場實驗，由于實際元器件的差異性，得到的實驗結(jié)果會有一定的波動。而網(wǎng)上仿真實驗，由于元器件參數(shù)一致性好，實驗結(jié)果和波形會更穩(wěn)定，差異性更小，更容易判斷實驗結(jié)果的正確性；可同時采用多個虛擬儀表測量多個信號，無需增加額外的實驗設(shè)備；示波器一般具有回溯功能，可以直觀測量電容的充放電過程；實驗室不方便測量的電流波形，可通過電流探針將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過示波器顯示出來。

（5）接線更規(guī)整，易于檢查。現(xiàn)場實驗，受試驗臺插孔位置的限制，部分同學(xué)會圖一時方便，亂引亂插，造成器件和導(dǎo)線在試驗臺上比較凌亂，一旦出現(xiàn)錯誤，往往不易檢查。網(wǎng)上仿真實驗，由于元器件擺放空間相對寬裕，不會出現(xiàn)導(dǎo)線滿天飛的情況，檢查相對更方便容易。

（6）可以進行破壞性實驗?，F(xiàn)場破壞性實驗，比如功率因數(shù)提高、電動機的正反轉(zhuǎn)控制等強電實驗，接線故障時，會造成短路，除了燒保險絲、引起熱繼電器和開關(guān)保護跳閘，嚴重時甚至損壞會電氣設(shè)備，而仿真實驗進行破壞性實驗則不會出現(xiàn)這些問題。

1.2 存在的問題

（1）紙上談兵，直觀性差，成就感不強烈。線上仿真實驗，元器件僅僅是一個個符號，缺乏直觀性，實驗課程都結(jié)束了，學(xué)生可能還沒有見過實物的樣子，實驗成功后的興奮度也不強。現(xiàn)場實驗，如功率因素提高實驗，燈管亮了；電動機控制實驗，電動機正反轉(zhuǎn)起來了；計數(shù)器正常工作了，數(shù)碼管隨計數(shù)脈沖跳變了。效果非常直觀，都能給學(xué)生自豪感，成就感，留下非常深刻的印象。

（2）學(xué)生作弊更容易，實驗效果評估難度加大。原來現(xiàn)場實驗，獨立操作，盡管可能會抄襲鄰座的接線方式，但是大部分工作還是由學(xué)生本人獨立完成的。而線上實驗，部分同學(xué)遇到困難或者想偷懶時，通過QQ、微信，同學(xué)之間可以直接傳送仿真電路圖，復(fù)制粘貼電路更容易與方便，實驗報告、實驗電路與實驗數(shù)據(jù)造假更容易。

（3）答疑和解決問題相對不便?，F(xiàn)場實驗，學(xué)生遇到困難，自己無法解決時，可以隨時找老師、找鄰座同學(xué)咨詢，非常方便。線上實驗則只能通過騰訊會議或者QQ語音，以語音和屏幕共享等方式進行答疑，由于聯(lián)系方式是一對多，勢必會對其他同學(xué)造成干擾。

（4）部分實驗開展存在局限性。電路、模電和數(shù)電實驗都可以方便采用仿真軟件進行，但是電氣部分的實驗如電動機控制實驗、PLC實驗仿真開展不方便。

（5）易出現(xiàn)不收斂問題。有時單個電路模塊仿真調(diào)試沒有問題，但作為子電路接在一起時就出現(xiàn)仿真錯誤，最常見的問題是不收斂，出不了結(jié)果，想解決的話，要么有大量的仿真經(jīng)驗，知道哪些地方可能造成不收斂，要么能從仿真軟件出來的那一堆提示信息中找到重點，要么抓瞎碰運氣。

2 線上實驗教學(xué)實施措施

為了最大化利用線上實驗教學(xué)的優(yōu)點，克服其缺點，上好電工學(xué)線上實驗課，采取了如下的一些措施，經(jīng)過半年多的線上教學(xué)的實踐，取得了較為滿意的效果。

2.1 選擇合適的仿真與教學(xué)軟件

工欲善其事，必先利其器，一個簡單方便實用的網(wǎng)上實驗教學(xué)與仿真軟件，是做好線上實驗教學(xué)的基礎(chǔ)。目前常用的線上教學(xué)工具有騰訊課堂、雨課堂、QQ和騰訊會議等。比較與測試結(jié)果表明，騰訊課堂、雨課堂理論授課比較方便，騰訊會議可以方便地開啟視頻共享調(diào)試程序，更有利于監(jiān)督學(xué)生與提問答疑。因此，采用騰訊會議進行電工與電子技術(shù)課程線上實驗教學(xué)更合適。

對于電路仿真，Electronic Workbench、Proteus、Pspice、Matlab等軟件都可以實現(xiàn)，但是從電路創(chuàng)建、虛擬儀器調(diào)用、仿真參數(shù)設(shè)置、電路調(diào)試及結(jié)果觀察的便捷性和直觀性來看，Multism明顯更勝一籌［4-5］。Multism 14是美國國家儀器公司（NI公司）推出的新版本，可以完成模擬/數(shù)字電路、集成運放、射頻電路、電子測量、電源電路等眾多電路的設(shè)計及仿真，特別適宜于指導(dǎo)學(xué)生開展電工綜合性設(shè)計和實驗，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力。

電動機控制系統(tǒng)的仿真一直是電工學(xué)仿真的難點，一般的仿真軟件難以實現(xiàn)，Matlab/Simulink雖然也可以進行電動機的仿真，但是更側(cè)重于電動機的整個動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程的分析和計算［6］；盡管Multisim主要面向電路設(shè)計與仿真，但它里面有個機械模塊，對機械模塊的部分器件進行整改后，也能方便地實現(xiàn)電動機控制系統(tǒng)的仿真。

經(jīng)過綜合比較，選擇Multisim進行仿真實驗，采用騰訊會議進行電工實驗課程的線上教學(xué)。

2.2 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，做好難點準備工作

現(xiàn)場實驗，學(xué)生可以直接從老師事先準備好的實驗盒中取元器件，只需辨認元器件的參數(shù)大小即可。線上軟件仿真，所有的元件必須從對應(yīng)的元件庫中找，但是元件庫里面元器件種類繁多，有實際器件，還有虛擬器件，教師必須事先確定實驗內(nèi)容、元器件的參數(shù)和型號，不然學(xué)生會很迷惘，無所適從。

此外，還需要對原有教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，甚至對部分實際電路進行改造，以滿足在線實驗的需要。比如功率因素提高，就需要用RL等效電路代替實際的燈管電路，因此，相關(guān)的電阻與電感值必須事先計算和確定下來。

電動機控制系統(tǒng)的仿真實驗是難點之一，也必須事先做好準備。圖1所示電動機的正反轉(zhuǎn)控制是電工學(xué)中常見的一個實驗。由于Multisim 14中沒有現(xiàn)成的接觸器、熱繼電器模塊，必須對原有電路進行改造，以滿足仿真實驗在Multisim 14中電動機控制電路的改造與實現(xiàn)過程的要求［7-10］。

圖1 包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制電路

（1）三相交流電源取自“電源器件”庫（Source）中的“電源”模塊（Power_Sources）中的“三相交流電源”（Three_Phase_WYE），簡寫為Source/Power_Sources/Three_Phase_WYE（注：后續(xù)全部采用簡寫方式），并將頻率設(shè)置為50 Hz，相電壓為220 V。電動機取自“機電類元件”庫中的“三相鼠籠式電動機”模塊，即Electro _ Mechanical/MACHINES/INDCUTION _MACHINE_SQUIRREL_CAGE，采用默認的設(shè)置，電動機額定電流為270A。

（2）組合開關(guān)Q取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/3pst_SB；復(fù)合按鈕S1（正轉(zhuǎn)啟動按鈕）、S2（反轉(zhuǎn)啟動按鈕）取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_DPST，分別用鍵盤上A、C鍵控制；停機按鈕SB1取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_NC，用鍵盤上B鍵控制。

（3）控制電路需兩個交流接觸器，每個交流接觸器包括1個線圈、4個常開觸點、1個常閉觸點，由于Multisim 14中沒有專門的交流接觸器模塊，需要自己設(shè)計改造。改造后的交流接觸器模塊如圖2所示。4個時間繼電器取自Electro_Mechanical/TIMED_NOTO（J1-J4，常開觸頭），1個TIMED_NCTC（J5，常閉觸頭），連接在一起，分別接到輸入口IO1～IO6與輸出口IO7～IO12，注意IO1、IO7是接觸器線圈的輸入輸出口，IO2～IO5是常開觸點的輸入口，IO8～IO11是常開觸點的輸出口，IO6、IO12是常閉觸點的輸入、輸出口。為使控制電路更簡潔，可以選擇“放置/替換為子電路”（place/replaced by subcircuit）將其封裝成一個子電路系統(tǒng)，命名為正轉(zhuǎn)接觸器KMF，如圖3所示；反轉(zhuǎn)交流接觸器可以直接復(fù)制KMF即可，命名為KMR。

圖2 改造后的交流接觸器模塊圖

圖3 交流接觸器子電路封裝圖

（4）Multisim 14中的保險絲最大電流只有30A，不能滿足要求，故用Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/OVERLOAD中過載模塊代替，見圖4中S3～S5。由于電動機額定電流為270 A，故保險絲熔斷電流取為270×2.5=675 A。

（5）S6～S9對應(yīng)熱繼電器FR模塊，S6～S8為發(fā)熱元件，S9為動斷觸點，均取自Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/THERMAL_OL，如按照熱繼電器電流整定值為（1.1～1.5）×額定電流的選取原則［7］，取1.5×270=405 A，電動機正常工作時，熱繼電器觸頭會跳開，故將熱繼電器的電流整定值稍微取高一點，取為450 A。

（6）電流表取自Indicators/AMMETER_H，注意要設(shè)置為交流模式。

最后得到的包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制仿真電路圖如圖4所示。

圖4 包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制仿真電路圖

2.3 做好示范性演示操作和建立易錯知識庫

萬事開頭難，第1次仿真實驗課時，由于大部分非電類專業(yè)同學(xué)平時沒有接觸過電器元件，因此往往不知道從何處下手，找不著元器件和儀器在哪里，也不知道如何運行仿真電路和判斷實驗結(jié)果是否正確。老師將課件和教學(xué)視頻發(fā)布在網(wǎng)上，督促學(xué)生提前預(yù)習(xí)，同時要手把手的演示，做好示范性工作，最好當堂搭一個電路，現(xiàn)場演示一番，告訴學(xué)生器件和儀表從哪些庫里面取；如何運行與觀看輸出結(jié)果；儀器設(shè)備如示波器、電壓表、電流表該怎么用。

要有意識地建立易錯知識庫，提高實驗效率。針對每個實驗，事先制定每次實驗的接線和測量易錯項，放入易錯和解決辦法庫，并在以后的實驗過程中不停補充，逐漸修改完善；實驗學(xué)習(xí)有個摸索的過程，學(xué)生剛開始錯誤比較多，所以老師剛開始課程講解時要特別仔細，以便減少學(xué)生后期的出錯概率，要重點注意中西方元器件符號的差異性、示波器的耦合方式、電壓、電流表的交直流、導(dǎo)線的跨接易錯點。

教師可以故意接錯線，通過具體的仿真出錯方式，告訴學(xué)生出錯的原因和可能的解決方法，以便學(xué)生碰到類似問題時自行解決。在使用Multisim進行電路仿真時，有時在原文件中仿真沒問題，但是復(fù)制粘貼到另一個文件后會出現(xiàn)仿真出錯；有時各單個模塊仿真沒問題，但組合起來就出錯。常見的錯誤提示有：①分析計算不成功，因為矩陣是奇異的（Analysis calculation was unsuccessful because the matrix is singular）；② 瞬態(tài)時間點計算未收斂，模擬被取消，有關(guān)更多信息，請參見收斂幫助文件（Transient time point calculation did not converge，Simulation canceled.See convergence help for more information）。對于第1個出現(xiàn)矩陣奇異的解決辦法，可從電路原理入手，看看設(shè)置的參數(shù)是否合理；精度要求是否太高；激勵是否合理等。仿真的電壓源都是理想電壓源，所以無需再放一堆去耦濾波電容，在有些關(guān)鍵路徑上的電容串一個小電阻對解決不收斂可能有奇效。第2個不收斂的錯誤可從以下幾方面進行解決：首先檢查電路連接是否正確；有沒有漏連接、元器件孤懸的地方，如GND、信號線之類的。其次，耐心等待。一些在單獨仿真時很快出結(jié)果的電路模塊，與其他電路模塊合并時，仿真需要計算的數(shù)據(jù)變大，仿真速度變慢，輸出波形的速度也變慢，所以等長一些時間也許就可以輸出波形了。此外，還可嘗試通過修改仿真參數(shù)解決，如按照以下步驟：菜單-＞仿真（simulate）-＞ Analyses and simulation（H）-＞interactive simulation，修改“結(jié)束時間”（End time）為合適的時間，將“最大步長時間”（Maximum time step）修改得更小，初始步長設(shè)置更小。注意，初始步長要小于最大值，同時，將仿真步長設(shè)得更短后，仿真的速度也會相應(yīng)變得更慢。

2.4 構(gòu)建內(nèi)容與考核方式多元化的在線實驗課程教學(xué)體系

將新的教育教學(xué)模式融入實驗教學(xué)中，以學(xué)生為中心，突破傳統(tǒng)的教學(xué)空間，擴展教學(xué)模式和教學(xué)手段，進行教學(xué)資源整合、拓展和優(yōu)化，構(gòu)建內(nèi)容與考核方式多元法的在線實驗課程教學(xué)體系［11-12］。

目前我校電工電子實驗，根據(jù)難易程度，可以分為基礎(chǔ)實驗?zāi)K與綜合性設(shè)計實驗?zāi)K。針對在線實驗，學(xué)生容易作弊的缺陷以及為了培養(yǎng)學(xué)生運用知識的綜合能力和創(chuàng)新意識，發(fā)揮主觀能動性，可以適當減少基礎(chǔ)性實驗，增設(shè)研究探索型設(shè)計實驗。研究探索型設(shè)計實驗要求學(xué)生根據(jù)擬定的實驗要求，完成資料查閱、實驗方案篩選、器件選擇、電路仿真調(diào)試、設(shè)計報告提交等全部功能，能夠極大增強學(xué)生的積極性，提高學(xué)生實驗內(nèi)容的深度和廣度、實驗的質(zhì)量、效率和靈活性［13-14］。為了提高學(xué)生的參與度與積極性，可以將研究探索型設(shè)計實驗的考核分值提高到20%。

實驗考試采用在線自主綜合實驗的形式，人手1題，內(nèi)容不一，難度比平時實驗要求稍高，在規(guī)定的時間內(nèi)完成?？荚嚂r，學(xué)生開啟手機騰訊會議作為監(jiān)控，在電腦上進行仿真模擬考試，在規(guī)定的時間完成后，再將仿真實驗圖和相關(guān)實驗結(jié)果的電子版?zhèn)鞯嚼蠋熰]箱，由于時間緊，題目不一，基本杜絕了作弊的可能性。因為騰訊會議可以記錄考試過程，仿真實驗也更具可復(fù)現(xiàn)性，因此，老師更能仔細考查學(xué)生的綜合能力［15-16］，包括：① 學(xué)生的動手能力和獨立思考的能力。是否能夠自主地進行實驗？是否能夠正確地使用有關(guān)儀器和設(shè)備；是否能獨立思考解決實驗中出現(xiàn)的一些簡單的問題和小故障。② 學(xué)生設(shè)計實驗的能力。實驗原理圖是否設(shè)計正確；實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)的表格是否恰當。③ 實驗是否成功；數(shù)據(jù)是否合理。

通過增設(shè)研究探索型實驗（20%）與綜合性實驗考查（40%），結(jié)合平時的實驗報告和實驗過程（40%），基本上能夠全面評估與考查一個學(xué)生真實的實驗水平和綜合實驗?zāi)芰?，給學(xué)生一個全面客觀的評價。

3 結(jié) 語

電工與電子技術(shù)實驗采用網(wǎng)上在線實驗方式，具有授排課方便、安全、節(jié)約成本、不存在接觸不良的問題。實驗結(jié)果和波形更穩(wěn)定、接線更規(guī)整、易于檢查、可以進行破壞性實驗的優(yōu)點。實踐表明，通過選擇合適的仿真與教學(xué)軟件，事先調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、做好難點的準備工作，做好示范性演示工作和建立易錯知識庫，選擇合適的教學(xué)方式，增設(shè)探究性實驗，構(gòu)建實驗內(nèi)容與考核方式多元法的實驗課程教學(xué)體系，可以較好地完成電工與電子技術(shù)實驗課程的線上教學(xué)工作，相關(guān)研究與實踐為電工學(xué)實驗的教學(xué)改革提供了可以借鑒的思路。