電路原理實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的策略研究

崔曉

【摘? ? 要】電路原理實(shí)驗(yàn)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)階段最先接觸到的實(shí)驗(yàn)課程，教師通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和刻意引導(dǎo)，在培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)方面起著不可或缺的基礎(chǔ)性作用，體現(xiàn)在工程近似與折中觀念的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案的多樣性培養(yǎng)工程直覺(jué)能力、變通測(cè)試方法培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)以及電路仿真培養(yǎng)工程安全意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】工程素養(yǎng)? 電路原理? 實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.108

與理科學(xué)生的“認(rèn)識(shí)客觀世界”的培養(yǎng)目標(biāo)相比，工科學(xué)生的職業(yè)發(fā)展決定著他們將要承擔(dān)“改造客觀世界”的任務(wù)，需要具備現(xiàn)場(chǎng)解決工程項(xiàng)目中的實(shí)際問(wèn)題的能力。工程項(xiàng)目通常具有不確定性、非線性的特點(diǎn)，使得工程背景和現(xiàn)場(chǎng)條件的各不相同，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循，這就需要培養(yǎng)的工科學(xué)生具備在復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中識(shí)別主要矛盾，化繁為簡(jiǎn)地形成經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，在工程實(shí)踐中不斷完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)，形成良好的工程素養(yǎng)。

一、工程素養(yǎng)及其構(gòu)成要素

工程素養(yǎng)是從事工程技術(shù)工作的工程師們所具備的基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)理論、基本技能。它的主要內(nèi)容包括工程意識(shí)、工程知識(shí)、工程能力和工程倫理。調(diào)查表明，大學(xué)生的工程倫理水平最高，工程能力水平、工程知識(shí)的掌握程度也較高，工程意識(shí)最為薄弱。工程意識(shí)是工程人對(duì)工程造物活動(dòng)的看法、態(tài)度和行為傾向，是他們對(duì)于自身社會(huì)角色及其價(jià)值、責(zé)任和理想的自我體驗(yàn)和自覺(jué)反映。工程意識(shí)可以體現(xiàn)在創(chuàng)新意識(shí)、合作意識(shí)、安全意識(shí)、實(shí)踐意識(shí)、質(zhì)量意識(shí)等方面。意識(shí)是行動(dòng)的導(dǎo)向，在學(xué)習(xí)中有了工程意識(shí)，才會(huì)主動(dòng)參與到工程實(shí)踐中，以合格工程師的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)嚴(yán)格要求自己。對(duì)于工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，工程素養(yǎng)需要在大學(xué)階段的學(xué)習(xí)中初步形成，在工作崗位的實(shí)踐中進(jìn)一步養(yǎng)成。

二、電路原理實(shí)驗(yàn)課的地位與學(xué)生表現(xiàn)現(xiàn)狀

電路原理課程一般安排在大二的第一學(xué)期，是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)工科學(xué)生接觸電類(lèi)工程概念與工程分析方法所學(xué)的第一門(mén)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課，是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，不僅要完成電路原理自身的教學(xué)內(nèi)容，還承載著培養(yǎng)興趣和奠定基礎(chǔ)的作用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)，掌握一些基本的電路概念和定律等原理知識(shí)，理論學(xué)習(xí)內(nèi)容較多;更要了解不同電路理論的應(yīng)用條件和背景、電路模型的適用性及其對(duì)實(shí)際電路的影響，形成工程的概念和思維方法，如工程建模的方法、近似處理的方法、工程處理中的優(yōu)化與折中等。作為與其配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，電路原理實(shí)驗(yàn)課是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它在學(xué)生的理論知識(shí)與工程知識(shí)間起著橋梁作用，是培養(yǎng)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)科技術(shù)素質(zhì)和工程素質(zhì)的基礎(chǔ)，也是他們終身發(fā)展的基礎(chǔ)，該課程的教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到電類(lèi)畢業(yè)生未來(lái)的工作和發(fā)展。

電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的數(shù)理知識(shí)偏重于培養(yǎng)在理想條件下的解題能力，具備較強(qiáng)的理科思維，在電路原理課程中表現(xiàn)為比較注重解題方法，認(rèn)為會(huì)做題就達(dá)到了學(xué)科要求，實(shí)驗(yàn)只是無(wú)關(guān)緊要的。對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的偏頗導(dǎo)致一些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中表現(xiàn)不夠理想，如：1.態(tài)度上不夠重視，做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)付了事;2.實(shí)驗(yàn)技能不強(qiáng)，對(duì)常用儀器如電流表、示波器掌握不熟練;3.理論應(yīng)用能力欠缺，不能熟練應(yīng)用所學(xué)理論解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。這些表現(xiàn)反映學(xué)生的工程意識(shí)薄弱，需要專(zhuān)業(yè)教師正確的引導(dǎo)和刻意強(qiáng)調(diào)。

三、電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的策略

作為獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課，除了本身具有的理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生的合作精神之外，經(jīng)過(guò)教師精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和有意識(shí)的引導(dǎo)，在提升學(xué)生的工程觀念、工程能力和工程意識(shí)方面，將有著不可替代的作用。

（一）工程近似與工程折中的觀念

RLC串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)測(cè)量，教材中給出的品質(zhì)因數(shù)定義是諧振時(shí)電感感抗（或電容容抗）與電阻R的比值。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)需考慮便捷度，通常是諧振時(shí)電感（或電容）的電壓與電阻電壓的比值。從理論定義到實(shí)驗(yàn)測(cè)定，反映出理論與實(shí)踐的區(qū)別：1.表現(xiàn)在測(cè)試方法上;2.理論值與實(shí)際值的差別。按照實(shí)驗(yàn)步驟，采用諧振時(shí)電感與電容電壓值相等的方法測(cè)出諧振頻率，根據(jù)標(biāo)稱(chēng)的元器件電阻和電感數(shù)值（電容值），由定義式計(jì)算品質(zhì)因數(shù)，與測(cè)定品質(zhì)因數(shù)相對(duì)比，測(cè)定值比理論值小，存在不小的誤差，此時(shí)學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑惑。教師可以提醒學(xué)生，公式適用的是理想元件，計(jì)算時(shí)只考慮了電阻的阻值，而測(cè)試時(shí)電感、信號(hào)源的阻值都是實(shí)際存在的，實(shí)際材料與理想材料有差別，元器件實(shí)物本身與元器件數(shù)學(xué)模型不同，正是這些隱蔽電阻的阻值導(dǎo)致了測(cè)量值與理論值的差異。

元器件的物理模型是對(duì)元器件的抽象，根據(jù)使用條件，抓住主要的本質(zhì)特征，忽略非本質(zhì)的次要因素。不可避免存在的工程誤差就是在工程操作中確?；拘阅苤笜?biāo)的前提下，做出的一種折中，這種誤差的存在具有合理性。模型表征元器件從嚴(yán)謹(jǐn)、周密、完美的理論思維向近似、受限、實(shí)用的工程思維的轉(zhuǎn)變。工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)預(yù)見(jiàn)到誤差的存在，并在參數(shù)上留出冗余，以確保項(xiàng)目整體的質(zhì)量。

（二）測(cè)試方案多樣性培養(yǎng)工程直覺(jué)能力

戴維南定理是電路原理實(shí)驗(yàn)中非常重要的內(nèi)容之一，它是將任意有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效為電壓源與電阻的串聯(lián)形式，電壓源電壓就是該一端口的開(kāi)路電壓，電阻是一端口的無(wú)源等效電阻。實(shí)驗(yàn)室中戴維南定理的測(cè)量方法有多種，可以讓不同分組的學(xué)生選用不同的測(cè)量方案，自選測(cè)試器材，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫綆缀跸嗤慕Y(jié)果。在工程實(shí)踐中，一個(gè)任務(wù)的完成往往會(huì)有多種方案，這些方案之間并不是簡(jiǎn)單的孰優(yōu)孰劣的差別，而是實(shí)現(xiàn)條件的不同。工程教育就是要培養(yǎng)學(xué)生具備工程直覺(jué)能力，在工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境中，能夠在眾多的解決方案中快速找出兼顧質(zhì)量和成本的最佳方案處理工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。

（三）變通思維培養(yǎng)工程創(chuàng)新意識(shí)

創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)包含在創(chuàng)造性的解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題、靈活處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中具體問(wèn)題的能力。在電路原理實(shí)驗(yàn)中，電流與電壓的測(cè)量方法不同，電流的測(cè)量需要將被測(cè)電路斷開(kāi)因而會(huì)顯得比較麻煩，但電流測(cè)量是不可避免的。固定電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)備配有測(cè)電流的專(zhuān)用線，其原則是通過(guò)專(zhuān)用線斷開(kāi)內(nèi)部電路，而后在斷開(kāi)處通過(guò)電流表連接起來(lái)。隨著實(shí)驗(yàn)耗損的增加，專(zhuān)用線可能出現(xiàn)故障導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手，采取將測(cè)試電路兩端斷開(kāi)的方法，使原來(lái)的電路變成必須經(jīng)過(guò)電流表的通路，以此達(dá)到測(cè)量被測(cè)支路的電流的目的。

這種通過(guò)變通思維解決問(wèn)題的能力，近可以遷移到在做電路實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到器件故障時(shí)，學(xué)生首先想到的不是放棄，而是積極尋求替代方案以完成實(shí)驗(yàn)任務(wù);遠(yuǎn)則可變成一種內(nèi)在的精神，在學(xué)習(xí)和工作中遇到困難和問(wèn)題，能夠迎難而上，主動(dòng)尋找解決問(wèn)題的方法和思路，直至攻克難關(guān)。工程的實(shí)際問(wèn)題總是存在著不確定性和不可預(yù)知性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中也會(huì)遇到新穎的問(wèn)題，善于利用這樣的機(jī)會(huì)培養(yǎng)學(xué)生隨機(jī)應(yīng)變的能力，比實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身更具有意義。

（四）仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)工程安全意識(shí)

在工程實(shí)踐中，安全可靠性關(guān)乎工程設(shè)備的安全和人身安全，工程師們應(yīng)當(dāng)具備安全無(wú)小事的意識(shí)，不做無(wú)謂的嘗試。隨著信息技術(shù)與課程教學(xué)的融合，在電路原理實(shí)驗(yàn)中引入計(jì)算機(jī)仿真以完成電路設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證等工作，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。在電路實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)無(wú)法確信實(shí)驗(yàn)是否安全無(wú)誤時(shí)，可以通過(guò)仿真觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定性或者定量分析不同結(jié)果的產(chǎn)生原因，合理設(shè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以確保實(shí)物實(shí)驗(yàn)取得成功。

三相交流星形連接方式有兩種，即帶中線的三相四線制和不帶中線的三相三線制。對(duì)于三相四線制，由于中線的存在，負(fù)載無(wú)論是均衡的或是不均衡的，其工作方式不受影響，都可以正常工作;三相三線制在均衡負(fù)載時(shí)正常工作，當(dāng)負(fù)載不均衡時(shí)將發(fā)生負(fù)載中性點(diǎn)偏移，造成三相負(fù)載的電壓不對(duì)稱(chēng)，其結(jié)果是負(fù)載輕的由于相電壓過(guò)高被毀，負(fù)載重的由于相電壓過(guò)低不能正常工作。一些教師在教學(xué)中只安排做三相四線制的所有實(shí)驗(yàn)，對(duì)于三相三線制只做均衡負(fù)載，非均衡負(fù)載則不做實(shí)驗(yàn)，直接告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以達(dá)到保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的目的。

在實(shí)驗(yàn)室安排這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于是強(qiáng)電，為避免燒壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備同時(shí)保護(hù)學(xué)生，要求學(xué)生先通過(guò)Multisim仿真觀察結(jié)果，而后在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，降低源端電壓，再在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。將非均衡負(fù)載的仿真與實(shí)際電路相結(jié)合，借助于虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既完成所有的實(shí)驗(yàn)，也達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)的目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

作為電路原理課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，電路原理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)階段最先接觸到的實(shí)踐性課程，在該課程的教學(xué)中有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、能力和意識(shí)，有助于他們?cè)诤罄m(xù)的專(zhuān)業(yè)課程中重視實(shí)踐，掌握扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，具備良好的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為將來(lái)成為優(yōu)秀的工程師奠定基礎(chǔ)?！净痦?xiàng)目：鄭州師范學(xué)院本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（重點(diǎn)）：應(yīng)用轉(zhuǎn)型背景下的師范院校非師專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究（編號(hào)：JXGG-20842）?！?/p>

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