五步實(shí)驗(yàn)法打造有溫度的“電路”實(shí)驗(yàn)課

韓素敏 謝東壘 張 偉

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 焦作 454000)

隨著教育部出臺(tái)的教高〔2019〕8號(hào)文，明確指出一流課程建設(shè)要提高課程的高階性、挑戰(zhàn)度和創(chuàng)新性[1-2]。根據(jù)2020年5月教育部出臺(tái)的關(guān)于課程思政建設(shè)的教高〔2020〕3號(hào)文精神，課程思政是實(shí)施一流課程的有效策略和重要途徑[3-4]。對(duì)于專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，要注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實(shí)踐能力[4-5]。這說明：課程思政不僅應(yīng)在理論課中如鹽入湯，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更應(yīng)貫徹始終。

河南理工大學(xué)“電路理論”課程在2018級(jí)培養(yǎng)方案修訂之后，將獨(dú)立設(shè)課的“電路測試技術(shù)”改為課內(nèi)的“電路”實(shí)驗(yàn)。分兩個(gè)學(xué)期開設(shè)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原來的24+12縮減為12+8個(gè)學(xué)時(shí)，壓縮學(xué)時(shí)不壓縮內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)課由于實(shí)驗(yàn)考核復(fù)雜、學(xué)時(shí)逐步減少，師資投入不足、設(shè)備折舊頻繁等原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性和低階性內(nèi)容較多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一且陳舊，實(shí)驗(yàn)流程和報(bào)告流于形式，實(shí)驗(yàn)成效不明顯[6-9]。

“電路”實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的電工儀表操作、電量測試、電路主要理論的分析驗(yàn)證、綜合設(shè)計(jì)，以及實(shí)驗(yàn)探究和電工測試等方面有非常重要的作用。尤其在實(shí)驗(yàn)中如何突出立德樹人，貫徹價(jià)值塑造和知識(shí)傳授、能力提高三位一體的目標(biāo)，是當(dāng)今形勢下需要亟待解決的問題[3-10]。結(jié)合“電路”實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)，梳理傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和體系，挖掘其中蘊(yùn)含的育人元素，提出五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)法打造有溫度的電路實(shí)驗(yàn)課程。

1 打磨實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，挖掘思政元素

根據(jù)河南理工大學(xué)電氣、自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)方案，“電路”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有：電工儀表實(shí)驗(yàn)裝置的使用，理論驗(yàn)證，現(xiàn)象、特性的測試和觀察，方法探究和設(shè)計(jì)應(yīng)用四個(gè)方面。涉及到的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 “電路”實(shí)驗(yàn)體系及思政元素

在“電路”實(shí)驗(yàn)體系中，一項(xiàng)重要的內(nèi)容是電量測試，電路連接。其中涉及到220/380 V交流電，直流電源、電壓源和電流源等電源設(shè)備。電壓源不允許短路，電流源不允許開路，先調(diào)零再開關(guān)，斷電源改電路。在元件、電路連線和測試操作中，更應(yīng)該遵循嚴(yán)格的規(guī)則和步驟，按照原理圖連線，檢查無誤方可送電；交流表測交流，直流表測直流；實(shí)驗(yàn)結(jié)束，嚴(yán)禁一把抓，規(guī)整儀表和導(dǎo)線，恢復(fù)如初。這些安全用電、愛護(hù)設(shè)備、保護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的思政內(nèi)容豐富且顯而易見，不僅涉及到人身安全，而且關(guān)系到職業(yè)道德和職業(yè)素養(yǎng)，專業(yè)精神和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，在實(shí)驗(yàn)全過程應(yīng)進(jìn)行不斷熏陶和反復(fù)洗禮。

在定理驗(yàn)證模塊中，由理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，先理論分析計(jì)算，后確定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。這是一般的步驟，更應(yīng)養(yǎng)成習(xí)慣，升華為素養(yǎng)。實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)會(huì)存在一定可接受的偏差，這種偏差的原因是什么呢？這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含工程師處理問題的工程近似觀點(diǎn)，也包含著實(shí)事求是的作風(fēng)。而工程近似和實(shí)事求是本就是實(shí)驗(yàn)的兩種方法，兩種方法在對(duì)待偏差問題上表面上是對(duì)立的，但偏差在可接受的范圍內(nèi)認(rèn)為是符合理論的，又代表了統(tǒng)一的實(shí)質(zhì)。這種工程觀和辯證觀在實(shí)驗(yàn)過程中不斷強(qiáng)化，從而真正地深入學(xué)生心間，內(nèi)化后形成價(jià)值觀。

在現(xiàn)象、特性測試模塊中，則包含利用實(shí)驗(yàn)方法來探索未知世界的一種行之有效的手段。采用電壓電流法測試無源元件的伏安特性；利用三表法測試交流負(fù)載的參數(shù)；采用順串和反串，結(jié)合三表法測試互感系數(shù)；對(duì)三相負(fù)載可采用不同接法得到三相負(fù)載的功率。對(duì)于工科電類學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)是一種極為有效的方法，也是一種工程素養(yǎng)。這種素養(yǎng)也代表工匠精神和鉆研精神，是工程師對(duì)待專業(yè)的一種情懷和擔(dān)當(dāng)。

在方法探究和設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊中，需要學(xué)生采用電路的基本理論、主要儀表，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過數(shù)據(jù)分析論證實(shí)驗(yàn)方案，得到相應(yīng)結(jié)論，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)思路。該模塊中對(duì)知識(shí)能力的要求比較綜合，需具有應(yīng)用和設(shè)計(jì)能力，一般結(jié)合仿真軟件和實(shí)驗(yàn)共同完成。該模塊中不僅要求理論分析、方案設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、實(shí)物落地等完整的設(shè)計(jì)流程，實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)經(jīng)歷數(shù)次失敗才能成功，無數(shù)次的糾錯(cuò)方能使理論深入人心。其中蘊(yùn)含著工程師的創(chuàng)新精神、以堅(jiān)忍不拔的毅力實(shí)現(xiàn)職業(yè)理想，這種毅力和精神是未來技術(shù)創(chuàng)新和科技強(qiáng)國的源泉，也是電類專業(yè)同學(xué)的職責(zé)和使命。

根據(jù)以上內(nèi)容挖掘出了圖1的思政元素，以安全用電、職業(yè)道德拓展到規(guī)則意識(shí)、行業(yè)安規(guī)等的元素浸潤貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，如圖1第1圈；在不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中涉及到儀表使用、測試、連線，則不斷強(qiáng)化專業(yè)精神和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，如圖1第2圈；在理論驗(yàn)證模塊則突出理論和實(shí)驗(yàn)的辯證觀點(diǎn)，實(shí)事求是和工程近似的觀點(diǎn)，如圖1第3圈；在特性測試模塊，則突出工程師的工程素養(yǎng)和其鉆研精神；在設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，則突出創(chuàng)新精神和堅(jiān)忍不拔的不服輸精神。每個(gè)模塊內(nèi)容都包含外圈的思政元素，每個(gè)內(nèi)圈都含有更高層次的思政元素，第4圈則形成了電氣類專業(yè)引領(lǐng)和科技強(qiáng)國的思政元素。從基本的遵循行業(yè)規(guī)則到行業(yè)的基本方法和工程素養(yǎng)，再到堅(jiān)忍不拔創(chuàng)新精神的優(yōu)秀品質(zhì)，而最后達(dá)到熱愛專業(yè)，獻(xiàn)身專業(yè)的價(jià)值引領(lǐng)效果。

2 五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

在挖掘思政要素的基礎(chǔ)上，借助互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代教育技術(shù)，從教學(xué)設(shè)計(jì)、授課方式、考核內(nèi)容等方面不斷進(jìn)行融合探索，潛移默化地將思政元素融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。探索出“育人目標(biāo)指引-理論啟發(fā)先行-實(shí)驗(yàn)方案預(yù)設(shè)-實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場修正-實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析”的五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。圖2給出了以二階電路暫態(tài)響應(yīng)的研究為例展開的五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。

圖2 五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)法案例展示

2.1 挖掘思政元素，凝練育人目標(biāo)

二階電路暫態(tài)響應(yīng)屬于電路分析中的難點(diǎn)內(nèi)容，涉及電路建模、二階微分方程的求解計(jì)算等內(nèi)容，其響應(yīng)的物理變化過程與電路的參數(shù)密切相關(guān)。而實(shí)驗(yàn)中需要用到信號(hào)源不斷復(fù)現(xiàn)這個(gè)暫態(tài)過程，其參數(shù)的調(diào)節(jié)與理論計(jì)算可能不符合，需要對(duì)實(shí)際電路元器件的模型和實(shí)驗(yàn)誤差有較深刻的認(rèn)識(shí)。需有堅(jiān)忍不拔的毅力和創(chuàng)新鉆研精神、反復(fù)調(diào)試才能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并體會(huì)到“電路”實(shí)驗(yàn)帶來的溫度和態(tài)度。所以堅(jiān)忍不拔和創(chuàng)新精神是本實(shí)驗(yàn)主要突出的價(jià)值塑造目標(biāo)。

2.2 發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，完成理論分析

如圖3所示RLC串聯(lián)電路，其要求如下：

圖3 RLC串聯(lián)電路

(1)設(shè)計(jì)RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)，獲得零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)。

(2)調(diào)節(jié)參數(shù)，使暫態(tài)過程分別為振蕩、非振蕩和臨界振蕩。

(3)利用示波器觀察三種情況下的波形，記錄波形并進(jìn)行分析。

根據(jù)以上要求，需完成理論的復(fù)習(xí)，具體內(nèi)容和要求如表1所示。

表1 RLC電路暫態(tài)響應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求

學(xué)生通過發(fā)布的要求，必須完成理論分析，思考如何通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量和理論驗(yàn)證。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案預(yù)設(shè)

實(shí)驗(yàn)方案預(yù)設(shè)要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，完成表2所示的內(nèi)容。

表2 實(shí)驗(yàn)方案預(yù)設(shè)的內(nèi)容和要求

根據(jù)理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正參數(shù)、思考實(shí)驗(yàn)和仿真的不同點(diǎn)，完善實(shí)驗(yàn)步驟。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場局部修正和數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及儀表、元器件的參數(shù)均會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)偏差，需要實(shí)驗(yàn)中在保證安全的情況下不斷嘗試、實(shí)事求是，堅(jiān)信理論能夠指導(dǎo)實(shí)踐。在這個(gè)過程中，需要完成表3所示的內(nèi)容，以達(dá)到不斷鉆研和創(chuàng)新，不斷實(shí)踐的目的。

表3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場嘗試和探索方向

2.5 完成數(shù)據(jù)分析

包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，理論和實(shí)驗(yàn)誤差原因分析，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的收獲和啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟到的精神和思想。

采用五步法實(shí)驗(yàn)教學(xué)法需要學(xué)生投入大量的時(shí)間和精力來進(jìn)行思考、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、修正、創(chuàng)新等高階性內(nèi)容，切實(shí)將被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)性實(shí)驗(yàn)，如表1～3中粗體部分展示了高層次部分的要求。

3 結(jié)語

“電路”實(shí)驗(yàn)在大學(xué)電氣類培養(yǎng)方案中起到非常重要的作用，不僅有效支撐理論，使學(xué)生在理論的指導(dǎo)下增強(qiáng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新理念，而且熏陶學(xué)生實(shí)事求是和工程近似的科學(xué)方法，培養(yǎng)鉆研精神和創(chuàng)新精神，最終達(dá)到引領(lǐng)專業(yè)使命和科技強(qiáng)國的崇高理想目標(biāo)。通過挖掘?qū)嶒?yàn)體系中蘊(yùn)含的思政元素，并按照低層、中層和高層，逐層推進(jìn)，逐步熏陶。提出“育人目標(biāo)指引-理論啟發(fā)先行-實(shí)驗(yàn)方案預(yù)設(shè)-實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場修正-實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析”的五步實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，以典型案列深入演繹五步過程，真正打造有溫度的“電路”實(shí)驗(yàn)課。