電路基礎(chǔ)實驗課程的思政教學(xué)實踐

謝忠玉，初紅霞，樊海源

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150050)

引言

教育部于2020年5月印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》提出，全面推進課程思政建設(shè)，就是要寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀，這一舉措影響著國家長治久安，影響著民族復(fù)興和國家崛起。要緊緊抓住教師隊伍“主力軍”、課程建設(shè)“主戰(zhàn)場”、課堂教學(xué)“主渠道”，讓所有高校、所有教師、所有課程都承擔(dān)好育人責(zé)任，守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局。專業(yè)實驗實踐課程，要注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實踐能力[1]。課程思政的思維是科學(xué)創(chuàng)新[2]，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要本科生在實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，不斷積累、訓(xùn)練而獲得。學(xué)生在高等教育的學(xué)習(xí)過程中能否秉持正確的是非觀念，不被學(xué)業(yè)中的名利所左右，逐步樹立實事求是的學(xué)術(shù)人格，是高等教育的所有基層工作者應(yīng)該深入思考的問題，并在教學(xué)的各環(huán)節(jié)中對其進行教育和引導(dǎo)。

博學(xué)之、審問之、慎思之、明辨之、篤行之[3]，是《禮記·中庸》里我國古代學(xué)者對治學(xué)方法的高度凝練，同時涵蓋了當(dāng)今世界高等教育在人才培養(yǎng)過程中的多個環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)是現(xiàn)代教學(xué)體系中不可缺少的重要組成部分，包括基礎(chǔ)類實驗課、綜合類實驗課、設(shè)計類實驗課及畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段和必要途徑[4]。本文以電路基礎(chǔ)實驗課程的教學(xué)為案例，介紹課程組教師提出的新式教學(xué)方法，力爭培養(yǎng)理工類本科學(xué)生運用所學(xué)知識，分析、解決實踐課所遇問題的能力，從而提高本科生的工程實踐能力，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想及創(chuàng)新能力，同時引導(dǎo)他們樹立正確的人生觀和價值觀。

一、理工類高校基礎(chǔ)類實驗課教學(xué)現(xiàn)狀分析

我國理工類高校的基礎(chǔ)類實驗課大多在前兩個學(xué)年開設(shè)，例如：大學(xué)物理實驗和電路基礎(chǔ)實驗等。此類實驗課的教學(xué)目標之一，使學(xué)生通過實驗環(huán)節(jié)加深對相關(guān)理論知識的理解；教學(xué)目標之二，是幫助學(xué)生提高理論聯(lián)系實際的能力，用所學(xué)理論知識分析、解決實驗教學(xué)過程中遇到的各種問題；教學(xué)目標之三，是教會學(xué)生使用相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里的常用儀器儀表，為本科生日后成為合格的工程師培養(yǎng)基本操作技能[5—8]。

基礎(chǔ)類實驗課的實驗類型由驗證型、綜合型和設(shè)計型組成，在實際的教學(xué)過程中，絕大多數(shù)仍然以驗證型實驗內(nèi)容為主要操作對象，只是在名稱上向綜合型和設(shè)計型過渡。其原因在于本科生剛剛?cè)雽W(xué)不久，絕大多數(shù)課程都是基礎(chǔ)課，尚未學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識；近年來，高等教育提倡培養(yǎng)綜合型人才，學(xué)生學(xué)習(xí)的科目門類更加廣泛，課程數(shù)量上也比上世紀多了很多，每門課程的學(xué)分因為課時的壓縮而減少，因此學(xué)生的課業(yè)負擔(dān)也較重。各高校的實驗學(xué)時有限，過多地引入綜合型和設(shè)計型實驗內(nèi)容反而會影響實驗課的教學(xué)質(zhì)量[9]。

1.驗證型實驗的特點

電路基礎(chǔ)硬件類驗證型實驗主要由實驗指導(dǎo)教師在實驗課前給學(xué)生指定某一實驗電路模型及參數(shù)；學(xué)生經(jīng)過課前預(yù)習(xí)后，在實驗室用實際電路器件及儀器設(shè)備將實驗電路進行連接；用儀器儀表觀測實驗現(xiàn)象，并記錄所需物理量的實驗數(shù)據(jù)；當(dāng)實驗電路出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)時，學(xué)生獨立地、或在實驗指導(dǎo)教師的幫助下排除電路故障，完成實驗課的操作環(huán)節(jié)；實驗課結(jié)束后完成總結(jié)報告的分析及撰寫工作。驗證型實驗內(nèi)容有以下幾個方面的優(yōu)點[10—11]：

(1)可以幫助學(xué)生較快地建立起電路的初步概念，便于學(xué)生更好地理解電路的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(2)通過實驗電路的連接，掌握常用電子元器件的識別及使用方法，提高學(xué)生的動手能力。

(3)在對電參量的測量過程中，掌握常用實驗儀器、儀表的使用方法。

(4)當(dāng)實驗過程中遇到非正常現(xiàn)象時，能夠用所學(xué)知識，分析故障原因，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的教學(xué)目標。

2.驗證型實驗內(nèi)容案例分析

我們以電路基礎(chǔ)實驗課中的戴維南定理的驗證作為案例分析對象，介紹驗證型實驗內(nèi)容的教學(xué)特點[12]。分析驗證型實驗課程在教學(xué)各個環(huán)節(jié)中遇到的常見問題，后面給出實驗課教學(xué)方法的改進思路和實施方案。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實驗原理電路如圖1所示，其中獨立電壓源的參數(shù)可以設(shè)置為Us=14V，定值電阻設(shè)置為R1=220Ω，R2=51Ω，R3=1kΩ；負載RL由可變電阻箱提供；數(shù)字式電壓表用于測量RL兩端的電壓；指針式毫安表用于測量RL所在支路的電流，于是我們可以通過測量負載RL兩端的電壓和負載RL所在支路的電流值，得到圖1中A、B兩點左側(cè)這一有源二端網(wǎng)絡(luò)的伏安特性(即有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性)。經(jīng)過實驗指導(dǎo)教師的理論分析和實際測試，前面給出的電路參數(shù)可以保證流過負載電阻RL的電流一般情況下不會超過50mA，因此學(xué)生可以使用毫安表的50mA擋位，測量獲得數(shù)據(jù)表格1中的所有電流值(為了避免學(xué)生因為連接電路時結(jié)構(gòu)發(fā)生錯誤，導(dǎo)致電流表被測電流過大，超出50mA擋位的測量上限，從而損壞電流表，實驗過程中在連接電路時，指導(dǎo)教師應(yīng)要求學(xué)生將電流表的擋位轉(zhuǎn)換開關(guān)放置到最大量程的位置。在接通實驗電路測量電流時，再根據(jù)電流表指針偏轉(zhuǎn)的大小，切換合適的擋位進行測量，以減小測量誤差)。圖1中節(jié)點A和節(jié)點B左側(cè)的有源二端網(wǎng)絡(luò)作為戴維南等效模型的原網(wǎng)絡(luò)。

實驗過程中，學(xué)生如果在實驗器材沒有損壞的前提下，能夠按圖1正確連接電路，正確使用電壓表和電流表進行測量，再按照表1給出的負載電阻RL的數(shù)值，調(diào)整變阻箱的輸出電阻值后，即可測得正確的電壓和電流的實驗數(shù)據(jù)。其中獲得的1組實驗數(shù)據(jù)如表1所示，表1體現(xiàn)了原有原二端網(wǎng)絡(luò)的伏安特性。

表1 原網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)表格

實驗過程中，我們選取的原網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的戴維南等效電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)戴維南定理可知，原有源二端網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的戴維南模型中的等效電阻R0，在理論上應(yīng)該等于圖1中原網(wǎng)絡(luò)在電壓源不工作時的等效電阻。當(dāng)圖1中電壓源Us=0V時即為不工作，則等效電阻R0在數(shù)值上等于電阻R1和電阻R3并聯(lián)后，再串聯(lián)電阻R2的總電阻值。于是我們可以按照圖2給出的結(jié)構(gòu)，用電阻R1、R2和R3用導(dǎo)線連接成所需結(jié)構(gòu)，從而獲得實驗所需的戴維南模型的等效電阻R0。此種由原網(wǎng)絡(luò)中的實際使用電阻，通過連接獲得戴維南模型的等效電阻R0的方法，引入的實驗誤差幾乎為零，實驗效果最好。

在驗證戴維南定理的實驗方法中，等效電阻R0還可以利用表1中的開路電壓除以短路電流來獲得，即R0=11.47V/49.6mA=231.25Ω。在盡量保證測量電流在較大范圍內(nèi)變化的前提下，無論在圖1給出的原電路中如何改變?nèi)齻€實驗定值電阻的值，用這種方法獲得的等效電阻值很難等于某個可以獲得的實際定值電阻，因此實驗時還需要另外一個變阻箱模擬等效電阻才能完成等效電路的連接與測量工作。由于表1中的開路電壓和短路電流都是測量值，它們和理論值之間必然存在一定的誤差，所以獲得的等效電阻值R0也將存在不確定方向(可能比真實值大，也可能比真實值小)的計算誤差。因此由等效電阻R0的不準確給實驗引入的測量誤差，比前面用三個電阻連接獲得等效電阻R0的方法要大很多。

戴維南等效模型中的獨立電壓源的參數(shù)為Uoc，其數(shù)值在理論上應(yīng)該等于圖1中原網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，也就是表1中RL為無窮大時電壓表的讀數(shù)值，針對于表1對應(yīng)的實驗電路，此時應(yīng)該設(shè)置為11.47V。

根據(jù)表2給出的負載電阻RL的數(shù)值，調(diào)整變阻箱的輸出電阻值后，即可測得戴維南等效模型對外電路的伏安特性的實驗數(shù)據(jù)。一般情況下，表2和表1的電壓和電流的測量值幾乎完全相等，于是通過表1和表2的數(shù)據(jù)對比，可以證明戴維南提出的獲得等效模型的方法是正確的：即等效后的獨立電壓源的電壓值Uoc等于原二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，等效后的有伴電壓源的內(nèi)阻R0，等于原二端網(wǎng)絡(luò)除去電源(令所有電源都不工作，此處令Us=0)后，獲得的A、B兩點左側(cè)的無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻，即為圖2所示電路結(jié)構(gòu)中，電阻R1并聯(lián)R3后再串聯(lián)R2所獲得的電阻值。

表2 戴維南等效電路的數(shù)據(jù)表格

學(xué)生還可以將表1和表2的數(shù)據(jù)以坐標點的形式繪制在同一個電壓—電流坐標系中，此時可以根據(jù)每個數(shù)據(jù)表格中的點繪制相應(yīng)的有源二端網(wǎng)絡(luò)的特性曲線，即兩條斜率為負數(shù)的直線段，且兩條直線段基本重合，證明兩個有源二端網(wǎng)絡(luò)對其外電路(A、B兩點的右側(cè)電路)是等效的。

二、“辨析型”實驗教學(xué)模式的研究與實踐

電路基礎(chǔ)課程組的教師，在總結(jié)了多年來指導(dǎo)學(xué)生實驗課的經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的驗證型實驗，學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)基本不用考慮實驗?zāi)Ｐ图皡?shù)的正確與否，只要正確識別電路器件，按照要求連接電路，設(shè)置電源及器件參數(shù)并進行正確觀測，都可以獲得理想的實驗結(jié)果。因此，驗證型實驗對培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力缺乏足夠的“審問之、慎思之和明辨之”。

在指導(dǎo)學(xué)生完成戴維南定理驗證的實驗過程中，學(xué)生常遇到的意外情況主要有以下三種。

其一是電路的連接結(jié)構(gòu)發(fā)生了錯誤。學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)中串聯(lián)、并聯(lián)的概念掌握不準確，或者對用于連接電路的電路板的結(jié)構(gòu)沒有正確理解，還存在電路器件、導(dǎo)線出現(xiàn)損壞等情況，導(dǎo)致學(xué)生未能按照圖1和圖2的電路結(jié)構(gòu)正確放置電路器件和儀器儀表，此時測量出來的數(shù)據(jù)和用原理電路圖分析計算的數(shù)據(jù)沒有任何關(guān)系，因此無法用來驗證戴維南定理。

其二是電路結(jié)構(gòu)正確，但參數(shù)選擇或設(shè)置發(fā)生了錯誤。這其中又分為兩個方面：

a、在連接電路時，學(xué)生能夠按照圖1的電路結(jié)構(gòu)正確放置電路器件和儀器儀表，但三個定值電阻的位置發(fā)生了混淆的情況。學(xué)生在正確設(shè)置了電壓源的電壓值后，獲得的數(shù)據(jù)和其他正確連接電路的學(xué)生獲得的數(shù)據(jù)相差較大。只要他們按照圖2給出的電路結(jié)構(gòu)，按照他們自己連接圖1中電阻的實際位置正確連接了電路，并按照他們測量得到的表1中開路電壓數(shù)據(jù)正確設(shè)置了電壓源數(shù)值，其獲得的表2的等效電路的數(shù)據(jù)表格的數(shù)據(jù)，和他們測得的表1數(shù)據(jù)也是幾乎相同的。上述兩個數(shù)據(jù)表格仍然能夠用于驗證戴維南定理的正確性。

b、常常會有學(xué)生沒有較好地完成實驗課的預(yù)習(xí)工作，實驗課上也沒有認真聽指導(dǎo)教師講解實驗要點，因此會在正確測量獲得表1數(shù)據(jù)的前提下，在完成圖2的實驗電路測量過程中，仍然將電壓源的電壓設(shè)置為14V，于是獲得的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 錯誤參數(shù)下戴維南等效電路的數(shù)據(jù)表格

理論知識較差以及不愿過多分析、思考的學(xué)生就會因為表3和表1中的數(shù)據(jù)相差太遠而無法驗證戴維南定理，簡單地總結(jié)為此次實驗徹底失敗，無法驗證戴維南定理。學(xué)習(xí)態(tài)度較好的學(xué)生會向?qū)嶒炚n指導(dǎo)教師申請重新進行實驗操作，以獲得較為理想的實驗數(shù)據(jù)；學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的學(xué)生，很可能在實驗課后抄襲其他同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)，完成總結(jié)報告的撰寫，以獲得較高的實驗課成績。

我們經(jīng)過對實驗?zāi)Ｐ图皩嶒炐Ч纳钊敕治觯_創(chuàng)性地提出了“辨析型”實驗教學(xué)模式。在設(shè)計實驗電路的模型和參數(shù)時，給學(xué)生提供不完備的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，讓學(xué)生們根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)，分析得到所需的實驗結(jié)論。我們以前述的戴維南定理的驗證實驗，簡述辨析型實驗的具體實施方法。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實驗?zāi)Ｐ鸵蝗匀徊捎脠D1的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，學(xué)生在正確連接電路及設(shè)置電源參數(shù)的前提下，可以獲得表1的測量數(shù)據(jù)。實驗?zāi)Ｐ投捎脠D2的電路結(jié)構(gòu)，電路參數(shù)仍然采用圖1的參數(shù)，即把圖2中的符號Uoc用Us替換，電壓值仍然設(shè)置為Us=14V，此時學(xué)生獲得的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。要求學(xué)生根據(jù)表1和表3中的實驗數(shù)據(jù)，判斷兩個二端網(wǎng)絡(luò)是否對外電路等效？如果要實現(xiàn)等效，條件是什么？

根據(jù)前面的分析可知，表1和表3的數(shù)據(jù)相差很大，此時圖1和圖2中A、B兩點左側(cè)的兩個二端網(wǎng)絡(luò)對其外電路是不等效的。如果將兩個表格的數(shù)據(jù)繪制在同一個電壓—電流坐標系中，可以得到圖3呈現(xiàn)的結(jié)果，即兩條直線段近似平行，但位置相差較遠。經(jīng)過理論分析可知，理想情況下，圖3中兩條直線段應(yīng)該是平行的，之所以體現(xiàn)出近似平行，原因之一是測量數(shù)據(jù)存在誤差，其二是因為繪制直線段時存在人為選擇因素。

根據(jù)圖3中兩條直線段平行這一實驗現(xiàn)象，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識時較好地掌握了線性電路的齊次性定理，即在線性電路中，當(dāng)所有激勵(獨立電壓源和獨立電流源)同時增大或減小k倍時，電路中的響應(yīng)(所有支路的電流或無源元件兩端的電壓)也相應(yīng)的增大或縮小k倍。經(jīng)過分析表1和表3的數(shù)據(jù)特點，結(jié)合圖3給出的兩個二端網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線，可以將表3中的所有數(shù)據(jù)都除以1.22，此時表3中的所有數(shù)據(jù)和表1中的數(shù)據(jù)將幾乎相等，而1.22=14/11.47，即是將獨立電壓源縮小1.22倍后，線性電路中的響應(yīng)(u和i)同步減小1.22倍，此時圖2中的電壓源數(shù)值應(yīng)該等于圖1中的開路電壓Uoc(11.47V)。于是可以驗證并得到前述的兩個有源二端網(wǎng)絡(luò)對外電路等效的戴維南定理的相關(guān)結(jié)論。

另外，當(dāng)學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)獲得非理想、不正確的實驗數(shù)據(jù)時，教師應(yīng)該引導(dǎo)他們用理論的方法，根據(jù)學(xué)生實際測量獲得的數(shù)據(jù)，分析判斷他們實際連接的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置是什么樣的，找到實驗過程中發(fā)生錯誤的實際情況，完成總結(jié)報告的撰寫，并且在實驗成績的評定上給予此類學(xué)生相應(yīng)的鼓勵。這樣的實驗課教學(xué)理念，不僅可以讓學(xué)生體驗到做實驗的快樂，還可以最大程度地讓學(xué)生將所學(xué)理論知識和實驗操作環(huán)節(jié)相結(jié)合，同時可以在一定程度上避免學(xué)生抄襲、篡改或編造實驗數(shù)據(jù)現(xiàn)象的發(fā)生。辨析型實驗教學(xué)模式，不僅可以使學(xué)生在實驗課獲得全方位的鍛煉和培養(yǎng)，還可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中逐漸樹立正確、負責(zé)任的學(xué)術(shù)態(tài)度，為日后成為優(yōu)秀的科研工作者樹立良好的學(xué)術(shù)人格。

結(jié)語

“辨析型”實驗教學(xué)模式的運用，不僅可以改變當(dāng)前本科生“慵懶”的實驗狀態(tài)，促使學(xué)生在實驗前認真復(fù)習(xí)與實驗內(nèi)容相關(guān)的理論知識；在實驗操作過程中引導(dǎo)學(xué)生對實驗內(nèi)容進行深入地思考；在撰寫實驗總結(jié)報告時全面、綜合地運用所學(xué)理論知識，分析、論證并解決實驗過程中產(chǎn)生的問題。一個設(shè)置合理的“辨析型”實驗教學(xué)內(nèi)容，可以讓學(xué)生在實驗課的多個環(huán)節(jié)，感受到分析問題、解決問題的快樂，同時可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，建立其多角度、創(chuàng)造性思維模式，極大程度地提升高等學(xué)校實驗課的教學(xué)效果?！氨嫖鲂汀睂嶒灲虒W(xué)模式的構(gòu)想，不僅可以應(yīng)用于電路基礎(chǔ)實驗課的其他教學(xué)內(nèi)容，還可以給其他理工類實驗課提供全新的設(shè)計思路。

電路基礎(chǔ)實驗課程的思政教學(xué)探索，立足于“立德樹人”的教育本質(zhì)，堅持以學(xué)生為中心，在潛心培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作技能的前提下，不僅開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維模式，同時借助在實驗操作環(huán)節(jié)獲得不理想的實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生樹立嚴謹求實的科研風(fēng)氣，逐步建立誠實守信的學(xué)術(shù)人格，避免學(xué)生在今后的工作中產(chǎn)生弄虛作假的念頭和行為，為國家和人民培養(yǎng)誠實可靠的社會主義接班人，承擔(dān)好育人責(zé)任。