網(wǎng)絡化、開放式電路實驗教學改革探索

荊娟娟 顏少波 徐美玉

（河南科技大學 電氣工程學院，河南 洛陽471023）

0 引言

如何調動學生自主思考的積極性，提高工程實踐和創(chuàng)新實踐能力，一直是實驗教學中需要解決的痛點，傳統(tǒng)電路實驗中，結合學生的時間、指導教師的時間、實驗室的排課時間，考量三個維度后，集中到實驗室“教師帶著學生做實驗”。對此，電路實驗教師團隊探索新的實驗教學模式，打破固化的學生只能在教師的指導下在實驗室進行實驗的方式，以學生為主體，尊重學生的自主意識，充分利用學生的課外時間和手邊資源，通過開放實驗室的形式、網(wǎng)絡化線上線下相結合的教師指導方式等改變，讓學生獨立自主地去完成實驗過程，在綜合運用理論課程所學知識的基礎上，激發(fā)其自主思考的積極性，提高實踐和創(chuàng)新能力。

1 線上線下相結合實驗教學模式

依托學習通在線開放課程平臺，指導教師設計電路實驗的章節(jié)框架，學生根據(jù)實驗目的，參考實驗指導書或自行進行電路設計、實驗方案制定以及數(shù)據(jù)測試等工作，并通過手機學習通實現(xiàn)與指導教師的互動，實現(xiàn)了線上線下相結合的實驗教學模式[1]，如圖1所示。每個實驗大致分為預習及其審核、實驗操作和課后總結三個部分，所有的數(shù)據(jù)資料都可以留存。

圖1 超星學習通網(wǎng)頁版與手機App界面

1.1 預習及其審核

預習任務包括線上觀看相關理論視頻，回答客觀題等，部分實驗需要完成設計任務并在平臺提交、指導教師審核，只有完成預習任務，審核通過后才可以進入實驗室，進行實驗操作環(huán)節(jié)。把預習任務放到課堂教學以外，可以充分利用學生的課余時間，彌補實驗學時不足的問題；布置設計性題目，促使學生利用豐富的網(wǎng)絡資源，結合理論知識，借助軟件仿真，學以致用。

以雙口網(wǎng)絡實驗為例，指導教師在學習通平臺下發(fā)實驗任務，要求學生自行學習相關理論知識，并完成客觀題后，依據(jù)限定元件自行完成實驗電路設計，搭建T網(wǎng)絡、π網(wǎng)絡，及二者級聯(lián)網(wǎng)絡的電路；使用Multisim仿真軟件進行仿真，在給定電壓、開路或短路限定條件下，記錄相應仿真數(shù)據(jù)，并形成元件清單，同時根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算T矩陣并推導T矩陣的通用表示形式。完成后將設計方案及數(shù)據(jù)上傳，指導教師對方案進行批改、確認，審核通過后方可進入實驗室。

學生設計電路選取電阻阻值的多樣性，導致判斷測量數(shù)據(jù)正確與否變得煩瑣，可借助同時測量法的實驗思路，根據(jù)電路結構推導T網(wǎng)絡、π網(wǎng)絡T矩陣中A、B、C、D的通用表示形式[2]。在做實驗時，給定電壓源為直流穩(wěn)壓電源，電壓統(tǒng)一默認單位為V，電流單位為mA；第一個下標表示輸入端或輸出端，第二個下標表示條件，O表示開路，S表示短路。故有：U2O=U1O/A，I1O=U2OC×1000，I2S=U2S/B×1000，I1S=I2SD。從而得到各個被測量對象的理論值，借助Excel等數(shù)據(jù)處理軟件，提前編輯各個對象間的計算關系，以便驗收學生測量數(shù)據(jù)時，快速判斷學生的數(shù)據(jù)是否正確。

1.2 實驗操作

1.2.1 課時內實驗

實操環(huán)節(jié)中，指導教師講解設備儀器、儀表的使用方法、元件識別方法和電路組裝技巧，強調注意事項；學生在現(xiàn)有的臺架或面包板上，按照實驗指導書或之前審核通過、自主設計的電路原理圖，選取正確的元件搭接電路，并在實驗過程中，根據(jù)學習通相應要求，拍照留存過程照片或視頻。實驗內容完成后，采取現(xiàn)場驗收的形式，指導教師可隨機提問問題、對學生測得的數(shù)據(jù)進行批改、讓學生重現(xiàn)某一數(shù)據(jù)的測得過程等，目的在于引導學生發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象與經(jīng)典理論沖突矛盾的地方，即理論無法解釋實驗現(xiàn)象，或實驗現(xiàn)象無法印證理論時，啟發(fā)學生關注細節(jié)，不放過問題，進而深入思考[3]。

以三相電路功率的測量實驗為例，用有功功率表測量對稱負載無功功率時，實驗臺提供的是三相對稱的白熾燈、電容，理論上套用無功功率的計算公式，容性負載無功功率應是負值。為了加深學生對無功功率的理解，且深刻地認知三線電源的相序在實際生產(chǎn)中的重要意義，故意設置“陷阱”，將一些實驗臺的三相電源接成逆序，使得實驗臺測得容性負載無功功率的數(shù)值是正值。顯然，實驗測得數(shù)據(jù)是不正確的，學生往往也會發(fā)出質疑。此時，指導教師只需引導學生考慮這一現(xiàn)象和三相電源相序間的關系，制造且拋出問題，指明方向，留待學生自主解答。

1.2.2 補充實驗

由于課時所限，學生發(fā)現(xiàn)問題后也需要時間查閱資料，故需另外在實驗室空閑的時間開放實驗室，以供學生進行補充實驗。例如，三相電源的相序怎么測定？部分學生課下查閱資料發(fā)現(xiàn)，可以借助仿真軟件設計電容型相序儀電路原理圖，之后利用實驗室開放時間在實驗臺上搭接電路，進行相序的測定?？梢缘贸鼋Y論，白熾燈較亮的是電容的后續(xù)相，再去判斷自己所在實驗臺相序是正序還是逆序，和測得容性負載無功功率的正負號是否吻合。從工程實踐的視角去引導學生，鼓勵學生自主思考、大膽質疑、小心驗證。

1.2.3 課堂思政

為了督促學生養(yǎng)成良好的實驗習慣，從細節(jié)做起，把整理實驗臺歸為實驗操作成績考核的一部分。要求學生在每次實驗完成后，必須整理實驗臺，包括還原工具、儀器位置，整理導線，擺放凳子，保持實驗臺整潔衛(wèi)生，并拍照上傳學習通，如圖2所示。

圖2 整理實驗臺示例

1.3 課后總結

課后總結包括回答思考題，上傳過程照片或視頻、帶有教師簽字的原始數(shù)據(jù)照片、設計報告等。書寫一份完整、規(guī)范的實驗報告，督促學生回顧、梳理整個實驗過程，從而查缺補漏，是實驗的重點之一，尤其是設計性實驗，可以以附件的形式提交。實驗報告需反映以下工作：方案設計，根據(jù)實驗任務設計的電路原理圖、數(shù)據(jù)記錄表格及理論推導；電路驗證，在實驗臺上選取正確的元件，連接調試電路，測取的實驗結果；數(shù)據(jù)分析；補充實驗，針對實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題是怎么解決的；實驗總結，思考過程、心得體會等。

2 開放式實驗環(huán)境

開放式實驗環(huán)境可以從實驗時間、地點開放，實驗室開放，實驗內容開放三個方面來理解。

2.1 實驗時間、地點開放

指導教師在學習通平臺創(chuàng)建電路實驗課程，并關聯(lián)學生之后，學生和指導教師間的聯(lián)系就建立起來。實驗前，學生可根據(jù)任務要求；或針對課時內實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題；查閱資料，在學習通手機端詢問教師，借助多樣的仿真軟件，靈活分配時間，隨時隨地進行實驗任務。

2.2 實驗室開放

針對實驗操作環(huán)節(jié)在課內時間沒有完成的情況下，或實驗過程中產(chǎn)生懷疑需要再進行補充實驗的同學，可以在實驗室空余的時間，填寫實驗室開放登記本，詳細填寫日期、時間、姓名、班級、實驗項目、實驗臺號等信息后，再次進入實驗室。

2.3 實驗內容開放

所謂實驗，本就是驗證經(jīng)典理論之后，在掌握理論知識的基礎上靈活實踐運用，最終用于解決現(xiàn)實生產(chǎn)、生活中遇到的問題，而工程實踐中遇到的問題，尚未可知，沒有定數(shù)，故實驗形式、內容也不應該局限固有的電路實驗指導書[4]。

例如，戴維寧定理的驗證實驗，實驗臺上提供兩路直流穩(wěn)壓電源，一路電流源，兩塊搭接好的實驗電路板，符合戴維寧定理成立的條件即可自由選擇、任意組合，并通過繪制等效前后的電壓、電流關系曲線，達到驗證其目的即可。

例如，判斷三相交流電源是正序還是逆序，方法很多，可以結合電路、數(shù)模電的知識，來實現(xiàn)相序的自動判定，實現(xiàn)正序指示燈亮，否則不亮，也可在此基礎上增加正序上電逆序斷電的功能，進一步接近相序繼電器的控制邏輯。啟發(fā)學生現(xiàn)實產(chǎn)品源于理論，鼓勵學生學以致用。

3 考核要求

課前預習，將相關知識點準備、理論公式推導、表格制定、方案設計等上傳學習通平臺，指導教師進行審核，占比10%；實際操作，電路搭建、儀器操作熟練，測試數(shù)據(jù)記錄清晰、準確，補充實驗方案合理，現(xiàn)象、結果正確，占比50%；課后總結，實驗報告完整、規(guī)范，突出思考過程等，占比40%。

4 實驗改革效果與改進

4.1 實驗改革效果

在兩年多的實驗教學改革實踐的過程中，作為指導教師也很欣慰。例如，在T矩陣推導過程中；提高單相交流電路功率因數(shù)中，計算功率因數(shù)為1時的理論電容C值；三相三線制供電系統(tǒng)中，證明二瓦計表法成立等過程中，學生的方法思路多種多樣，可謂“百花齊放”。

網(wǎng)絡化、開放式實驗教學中，學生的角色從隨從者變成了主導者，指導教師從主導者變成了護航者。從實驗前的電路設計、軟件仿真、理論推導，到實驗中的面包板插接、實驗臺接線、實驗結果測取等實操，以及發(fā)現(xiàn)問題后的補充實驗，實驗后的自行總結，學生會自發(fā)的運用課程所學知識，積極思考，去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，完成實驗后也會獲得更大的滿足感，從而推動學生創(chuàng)新和實踐的動力。并在過程中主動思考，設備、軟件、工具等的熟練運用，也會為后期的專業(yè)學習、研究打下良好的基礎。

4.2 改進方向

進一步細化考核評分標準。預習與課后總結，在學習通平臺上，可以看到每道題詳細的分值分配，指導教師根據(jù)學生答題情況給出相應的分數(shù)，并可填寫評語，指出學生失分的地方；細化評分標準指的是實操部分的考核，以往實操成績往往和學生完成的先后順序、完成情況、實驗態(tài)度等有關，沒有具體量化的統(tǒng)一標準，需要在接下來的實踐教學中，繼續(xù)完善。

5 結語

師者，所以傳道授業(yè)解惑也。作為教師，不僅要教會學生理論知識，更要教會學生自主思考，創(chuàng)新意識與實踐動手能力，利用所學知識解決實際工程問題。網(wǎng)絡化、開放式實驗教學模式只是電路實驗改革的一個探索，還需在實踐中不斷改進。