《電路實(shí)驗(yàn)》課程教改探索

孫曼，宋黎明，沈燁，徐航，徐雪梅

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都）

《電路實(shí)驗(yàn)》是與高等院校電專業(yè)入門基礎(chǔ)課程《電路原理》相關(guān)的一門實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)習(xí)目的在于加深學(xué)生對電路相關(guān)定理和方法的理解、掌握和運(yùn)用。眾所周知，實(shí)驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，是將所學(xué)理論知識由淺層的理解到深層次的掌握應(yīng)用的重要步驟。傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)集中于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)場地和儀器設(shè)備均有要求，隨著網(wǎng)絡(luò)、多媒體、電腦動(dòng)畫以及各種電路仿真軟件等輔助教學(xué)工具的應(yīng)用，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)挑戰(zhàn)度低，內(nèi)容重復(fù)，實(shí)驗(yàn)手段單一，越來越難以吸引學(xué)生興趣。

“新工科”建設(shè)要求實(shí)驗(yàn)課程不僅要加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，更重要的是通過啟發(fā)性、綜合性、設(shè)計(jì)型、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，開啟學(xué)生思路，將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到工程實(shí)踐中，為培養(yǎng)“三創(chuàng)”（創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)業(yè)）人才打下基礎(chǔ)[1-4]。顯然傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)已經(jīng)延續(xù)了十幾年時(shí)間不變，沒有有效地運(yùn)用最新的科技前沿技術(shù)和相關(guān)軟件，不管是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還是實(shí)驗(yàn)手段，都需要進(jìn)行改進(jìn)，緊跟“新工科”建設(shè)要求。

一 教改背景

我?！峨娐穼?shí)驗(yàn)》課程主要包含以下8個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.元件伏安特性測試實(shí)驗(yàn)，對電阻包括線性電路和非線性電阻（半導(dǎo)體二極管）測試其伏安關(guān)系，驗(yàn)證歐姆定理。

2.疊加定理及戴維南定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)簡單電路，驗(yàn)證上述定理的正確性。

3.直流電路故障排查實(shí)驗(yàn)，對給定直流故障電路排查故障，鍛煉對直流故障電路檢查、排障能力。

4.運(yùn)算放大器電路實(shí)驗(yàn)，用741芯片搭建電壓放大器，驗(yàn)證輸入輸出關(guān)系，檢查學(xué)生對運(yùn)放電路的掌握。

5.一階RC電路實(shí)驗(yàn)，測試時(shí)間常識及動(dòng)態(tài)過程的響應(yīng)曲線。

6.日光燈電路及功率因數(shù)提高實(shí)驗(yàn)，日光燈電路是感性電路，對其并聯(lián)電容可提高功率因數(shù)，實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證并聯(lián)電容參數(shù)與功率因數(shù)提高的關(guān)系。

7.交流電路故障排查實(shí)驗(yàn)，對給定交流故障電路排查故障，鍛煉對交流故障電路檢查、排障能力。

8.三相交流電路功率測量實(shí)驗(yàn)，測量對稱、不對稱三相電路，驗(yàn)證其線、相電壓、電流關(guān)系。

可以看出：除了交、直流電路故障排查實(shí)驗(yàn)外，其余實(shí)驗(yàn)基本上都屬于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，主要是對《電路原理》課程所學(xué)定理和方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)方式延續(xù)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式即教師編寫實(shí)驗(yàn)講義，指定實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按既定步驟使用儀表進(jìn)行測試，將測試數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，完成數(shù)據(jù)分析即為完成實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式已經(jīng)延續(xù)了十幾年，在教學(xué)過程中，反映出諸多不足，總結(jié)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的短處主要集中在以下幾個(gè)方面[5-7]。

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單并且重復(fù)。比如元件伏安特性測試實(shí)驗(yàn)，其中關(guān)于線性電阻的測量及歐姆定理驗(yàn)證，在中學(xué)物理剛開始學(xué)習(xí)電阻時(shí)，已經(jīng)有類似實(shí)驗(yàn)，在大學(xué)物理“電學(xué)”實(shí)驗(yàn)里同樣開設(shè)有這個(gè)實(shí)驗(yàn)，到電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，電阻的測量已經(jīng)進(jìn)行了至少3次了，學(xué)生覺得內(nèi)容重復(fù)，缺乏吸引力，從而產(chǎn)生厭倦情緒。同樣的，疊加定理實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槔碚撜n老師在課堂上，從定理到證明，從理論到計(jì)算，利用動(dòng)圖動(dòng)畫和課件，講得非常透徹。在實(shí)驗(yàn)室再來對一個(gè)簡單電路驗(yàn)證疊加定理，對學(xué)生來說缺乏挑戰(zhàn)度，難以提高實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生的吸引力。

2.實(shí)驗(yàn)手段局限造成實(shí)驗(yàn)有“漏洞”，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。比如直流電路故障排查?shí)驗(yàn)，本來實(shí)驗(yàn)開設(shè)的初衷是教會(huì)學(xué)生如何排查實(shí)際電路故障。為此，該實(shí)驗(yàn)對于一個(gè)既定電路，針對不同的故障情況做了很多實(shí)驗(yàn)板子。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組領(lǐng)一塊板子自行測量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)難得的有實(shí)際工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該說是一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)。但是在做板子的時(shí)候，考慮到電流表需要串聯(lián)接入各支路，各支路需要留出電流插孔，這就導(dǎo)致做成的電路板子并不是與實(shí)際電路一樣是用導(dǎo)線連起來的一個(gè)整體，而是“分離”的，需要學(xué)生先將電路及儀表連接后，再進(jìn)行測試。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“漏洞”，只需要對每條支路（總支路數(shù)8條）簡單測一下電阻即可找出故障電阻，與實(shí)際電路排障方法需要多點(diǎn)進(jìn)行測試，然后還要進(jìn)行計(jì)算，才能找出故障點(diǎn)相比，“走捷徑”簡單、快捷，省時(shí)省力，學(xué)生在發(fā)現(xiàn)此“捷徑”后，很難棄之不用。而目前還沒有更好的方法可以在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中避免此漏洞。

3.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺乏有效的預(yù)習(xí)手段。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)場地及儀器設(shè)備臺套數(shù)限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方式主要是要求學(xué)生自行觀看實(shí)驗(yàn)講義，預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種預(yù)習(xí)方式對于稍微復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，起的作用不大。比如對于三相電路實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槭菑?qiáng)電實(shí)驗(yàn)，為了安全考慮，每相電路安裝了保險(xiǎn)絲，總閘處又裝了空氣開關(guān)，加了多重保險(xiǎn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，一堂實(shí)驗(yàn)課有30個(gè)左右實(shí)驗(yàn)小組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組燒掉保險(xiǎn)絲少則2、3個(gè)，多的則達(dá)7、8個(gè)；同時(shí)幾乎每組都會(huì)燒掉做負(fù)載用的燈泡；空氣開關(guān)更是要跳閘十幾次。雖然從理論到實(shí)踐中間還需要有知識和經(jīng)驗(yàn)積累的過程，但是這么大的失誤率，反映了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有有效的預(yù)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不了解，出了錯(cuò)誤之后也不知道找原因，造成反復(fù)燒保險(xiǎn)或跳閘。經(jīng)問卷調(diào)查，大部分學(xué)生對于電路實(shí)驗(yàn)既不預(yù)習(xí)也不復(fù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)課照著教師講解按部就班完成數(shù)據(jù)測試，實(shí)驗(yàn)完成后，對于實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩贾跎?，基本上是被?dòng)地完成任務(wù)而不是主動(dòng)學(xué)習(xí)。

綜上，我校電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容延續(xù)了十幾年甚至更長時(shí)間，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段已經(jīng)跟不上“新工科”建設(shè)的要求，在學(xué)生中問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的不滿意率遠(yuǎn)高于理論課程。對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教改的要求迫在眉睫。

二 教改歷史

從14年開始，課程組根據(jù)“新工科”建設(shè)要求，陸續(xù)對“電路實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行教改，增加設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。比如將電阻測量改為利用電阻串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流原理的磁電式電壓表設(shè)計(jì)，將運(yùn)算放大器電路實(shí)驗(yàn)改為電壓（電流）放大器設(shè)計(jì)。但實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)效果不好[5-7]：具體表現(xiàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)絕大部分學(xué)生無法完成。究其原因，主要在于以下兩點(diǎn)：

1.由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，簡單刪除驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，粗暴的替換為設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，不可取。因?yàn)閷τ跊]有任何工程經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)低年級學(xué)生，才開始“電路”課程的學(xué)習(xí)，剛剛才學(xué)會(huì)對簡單電路進(jìn)行計(jì)算，直接改驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求其設(shè)計(jì)一個(gè)電路，比如要求一個(gè)才開始學(xué)習(xí)吃飯的小孩去當(dāng)廚師做飯，顯然難以完成。

2.沒有電路仿真軟件輔助，完全靠學(xué)生動(dòng)手計(jì)算，即使是簡單電路，工作量也比較大。再加上學(xué)生如果沒有預(yù)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)室又無法查資料，要在既定的2、3個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)完成從設(shè)計(jì)到測試的過程非常困難。

三 教改探索

對于專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，如何在有限的課時(shí)內(nèi)，既引入設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，又考慮學(xué)生的水平和接受能力，使得絕大多數(shù)學(xué)生能夠完成該環(huán)節(jié)，“設(shè)計(jì)性”的程度如何選擇？總結(jié)以往教改經(jīng)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)最好是理論課程已經(jīng)學(xué)過內(nèi)容的實(shí)際運(yùn)用；不需要設(shè)計(jì)一個(gè)全新的電路?？紤]給出應(yīng)用電路，學(xué)生只需根據(jù)要求設(shè)計(jì)電路參數(shù)。學(xué)生在“電路原理”課程已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路的相關(guān)計(jì)算分析方法，只是調(diào)節(jié)電路參數(shù)的話，是完全可以完成的。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中改變電路參數(shù)，可以利用電路仿真軟件實(shí)現(xiàn)。仿真相當(dāng)于進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)對場地和儀器設(shè)備的要求。

綜上，電路實(shí)驗(yàn)課程主要從以下幾方面進(jìn)行教改：

1.將過于簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改為設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)。比如將電阻元件伏安關(guān)系測試實(shí)驗(yàn)改為設(shè)計(jì)直流單電橋測試電阻或者是設(shè)計(jì)電路改變磁電式表頭電流（電壓）量限。這兩個(gè)設(shè)計(jì)中用到的直流單電橋電路和電阻分壓分流電路，在《電路原理》課程上學(xué)生已經(jīng)學(xué)過。在這里學(xué)生只需選擇合適的電阻值完成電路設(shè)計(jì)要求即可。具體選擇什么參數(shù)合適？需要學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，先進(jìn)行計(jì)算或利用電路仿真軟件確定。到實(shí)驗(yàn)室根據(jù)既定參數(shù)把實(shí)物電路搭建出來驗(yàn)證仿真結(jié)果即可。同樣的將疊加定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)改為電平移動(dòng)器電路設(shè)計(jì)、將一階RC電路實(shí)驗(yàn)改為定時(shí)器電路設(shè)計(jì)。這樣實(shí)驗(yàn)具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用背景，學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是有用的，能用在什么地方，做完會(huì)有一定成就感，提高對課程的學(xué)習(xí)興趣。

2.本身有“漏洞”的實(shí)驗(yàn)和難度較大的強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，均要求學(xué)生先進(jìn)行仿真。比如交、直流電路故障排查實(shí)驗(yàn)，利用仿真模擬典型故障情況下的測試。在實(shí)測時(shí)，將實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，得出故障詳情。電路仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的“漏洞”，避免了學(xué)生“走捷徑”，達(dá)到電路排障訓(xùn)練的目的。難度較大的強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)比如三相電路實(shí)驗(yàn)，同樣要求學(xué)生先進(jìn)行仿真，按照實(shí)驗(yàn)步驟，先仿真進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，這樣可以保證學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法都了解的情況下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，減少誤操作，提高實(shí)驗(yàn)效率。

3.學(xué)生必須先提交對電路進(jìn)行仿真及參數(shù)選擇的預(yù)習(xí)報(bào)告后才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)物實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)報(bào)告在總成績中的占比提高到50%以上。電路仿真軟件的使用并不占用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，通過發(fā)布視頻或者使用說明文檔等方式供學(xué)生自學(xué)，也可以以課后作業(yè)的方式發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生課后花一兩個(gè)學(xué)時(shí)即可掌握使用。同時(shí)在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可能遇到的問題都可以通過QQ或超星學(xué)習(xí)通的討論區(qū)發(fā)布，其他同學(xué)和教師均可參與討論[8-11]，理清思路。

經(jīng)過21年春季學(xué)期試運(yùn)行，反響效果比較好，主要表現(xiàn)在：（1）預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，提問的學(xué)生增多，代表學(xué)生在有效的預(yù)習(xí)，改變了以往學(xué)生實(shí)驗(yàn)前不預(yù)習(xí)，也提不出問題，實(shí)驗(yàn)過程中，問題一大堆的局面；（2）學(xué)生進(jìn)行電路仿真后，再根據(jù)仿真的參數(shù)做實(shí)物實(shí)驗(yàn)，大大縮短實(shí)物實(shí)驗(yàn)的時(shí)間以及減少實(shí)驗(yàn)耗材的浪費(fèi)，說明大多數(shù)問題在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)已經(jīng)解決了；（3）有工程應(yīng)用背景的設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的加入，開闊了學(xué)生眼界，所學(xué)理論知識與實(shí)踐聯(lián)系了起來，學(xué)生知道所學(xué)的知識能夠用在什么地方，做完實(shí)驗(yàn)有較大的獲得感和成就感。

四 結(jié)語

對于才開始接觸電專業(yè)基礎(chǔ)知識的大學(xué)一年級學(xué)生，即便是簡單電路設(shè)計(jì)，由于學(xué)識、眼界、經(jīng)驗(yàn)和知識積累等原因，讓其獨(dú)立完成也非常困難。在前期教改中一味增加設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，又缺乏良好的預(yù)習(xí)手段，要在2、3個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)完成從設(shè)計(jì)到測試一系列任務(wù)，絕大部分學(xué)生不能完成。電路實(shí)驗(yàn)教改首先將具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)替換單純驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將所學(xué)理論知識與工程實(shí)際聯(lián)系起來，提高實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)度，同時(shí)設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)考慮實(shí)驗(yàn)對象的接受程度，集中在電路參數(shù)的選擇上，以降低設(shè)計(jì)難度。其次利用電路仿真軟件，完成設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。從2021年春季學(xué)期開始，按照上述思路，部分替換了原電路實(shí)驗(yàn)。比較明顯的效果在于：一方面能夠發(fā)現(xiàn)問題并提出問題的學(xué)生增多，另一方面因?yàn)樵O(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)集中在預(yù)習(xí)階段，實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短，不能在既定學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的現(xiàn)象基本上不再發(fā)生，很大程度上緩解了實(shí)驗(yàn)場地和儀器設(shè)備的緊張，減輕了實(shí)驗(yàn)教師的壓力。但考慮到本實(shí)驗(yàn)教改方案僅運(yùn)行一個(gè)學(xué)期，“虛擬實(shí)驗(yàn)”部分代替了實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這種代替效果目前看來還可以，但還需在后續(xù)的教學(xué)工作中，根據(jù)學(xué)生反饋?zhàn)龀鲞M(jìn)一步調(diào)整，將實(shí)驗(yàn)教改的工作繼續(xù)深化。