電路實驗課程的改革與實踐

[摘要]本文介紹了電路實驗課在教學內容、教學方法方面的改革，以及把CAI技術引入實驗教學中從而提高實驗教學質量和深化教學層次的方法，探討了專業基礎實驗課教學改革的方向。

[關鍵詞]實驗教學 教學內容 教學方法 改革 CAI

一、關于電路實驗

電路課程是電專業的一門基礎課，該課程從基本的電路元件和電路定理出發講述了電路中電壓電流間的約束關系，闡述實際電路中的能量轉換過程，以及電子電路的分析與設計方法。電路課程是后續課程，諸如模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統等課程的先修課程，實踐證明如果銜接不好，后續課程的教學內容、實驗和課程設計將無法進行。

眾所周知，理論教學和實驗教學是高等學校教書育人的兩個重要組成部分，而實驗教學是培養學生實際工作能力的主要環節。電路實驗課是高等院校理工科電類專業學生的第一門專業基礎實驗課，在基礎課階段打好基礎和養成良好的習慣和作風是很重要的。電路課作為電類專業的第一門技術基礎課，多年來已形成了一整套的傳統實驗，這些傳統實驗對培養學生的基本實驗能力、早期科研能力、鞏固所學的理論知識無疑是基本的、重要的、必不可少的。筆者對該課程改革的目的就在于如何充分調動學生學習實驗課的主動性和積極性，使他們在有限的學習時間中掌握一種科學的實驗方法和學習方法，從而培養學生分析問題和解決問題的能力，使實驗教學取得更好的教學效果。為了與電路理論課的教學相配合，電路實驗在經典實驗內容的基礎上又增加了近代電路理論的內容，擴展了實驗范圍，反映了近現代電路理論的最新內容和成果。實驗課引入了計算機輔助分析技術，體現了當前先進的科學技術與電路理論的有機結合。

二、電路實驗改革的內容

(一)精選實驗項目，優化教學內容，提高教學效果

目前由于基礎課學時的壓縮，實驗課的學時也相應地減少，要在有限的時間內達到良好的教學效果，就必須精選實驗教學內容。實驗內容必須具有代表性和應用性，既反映基本定理和基本規律的驗證，又具有設計性和思考性。因此，筆者把原來兩個學期的實驗壓縮為一個學期，在19個實驗項目中精選出12個。在實驗內容的安排上依據由淺入深、循序漸進的原則，按課程教學要求，先安排一組具有基礎課教學特點的驗證性實驗，包括有儀器的使用、電源等效互換、迭加定理和戴維寧定理的驗證、RC和RLC電路的特性，等等。學生通過這組實驗，基本掌握常用儀器的使用和基本實驗方法。繼之安排一組較容易獨立完成的適合訓練實驗技能的實驗：雙口網絡的研究、二階電路的模擬、信號通過線性系統、信號頻譜的測量等，使學生進一步掌握儀器的使用方法和提高實驗的動手能力。最后安排一組設計性實驗，如電阻溫度計、補償分壓電路和移相器電路的設計。通過設計性實驗，開拓了學生的思路，提高了學生的自學和設計能力，同時提高了學生對實驗課的興趣。通過三個階段的實驗，學生的思考能力、動手能力和分析解決問題的能力得到全面的培養。實踐證明，實驗教學效果并不因學時和實驗項目的減少而降低，相反，由于實驗項目少而精，實驗目的明確，學生有充裕的時間預習、消化每個實驗過程，從而扎實地掌握了實驗依據的理論和科學實驗的方法，達到了基礎實驗課的教學目的，取得了較好的教學效果。

(二)改革教學方法，重視學生能力的培養

1.實驗指導書的改革。實驗課要達到預期的目的，有一本好的實驗指導書是首要的條件。實驗指導書的編寫應該目的要求明確、原理論述簡明、實驗步驟清楚，既體現對學生基本技能的訓練，又能體現新技術的應用。筆者在編寫實驗指導書時打破了以前把實驗原理、內容、步驟、方法等全部詳細寫出的格式，按實驗內容分為三個階段，不同階段的實驗有不同的目的要求。第一階段是基礎實驗部分，這一階段的實驗原理寫得詳細，并寫出實驗儀器的原理和使用方法、注意事項以及給出實驗電路圖，列出所需數據表格和實驗步驟，使學生通過這一階段的訓練，掌握實驗的要求和一般方法。第二階段只提供實驗時需要的儀器設備，給出實驗電路圖，提出實驗目的要求，簡單介紹實驗原理，要求學生通過預習，查閱資料，自己擬定實驗方案，寫出實驗步驟，完成規定的實驗內容。第三階段的設計性實驗則只提出技術指標要求，提供儀器設備和元器件，讓學生自行設計電路圖和實驗方案，鼓勵學生用不同的方式達到實驗目的要求，有意識地引導學生從依賴指導書現成的步驟做實驗轉向獨立設計實驗方案和步驟完成實驗，從而培養學生獨立思考的良好習慣和實驗能力。

2.實驗預習的改革。實驗預習是培養學生自學能力，提出問題和解決問題的能力的主要途徑，因此要求學生通過預習，明確實驗目的要求和內容，復習好與實驗有關的理論知識，查找資料，設計實驗方案，做必要的理論計算，預期實驗結果，寫出預習報告。預習報告不要求抄一大堆指導書上的內容，只要求列出實驗內容要求的必要的理論計算和用來記錄數據、波形的表格、座標以及對實驗結果的預期。強調預期實驗結果的目的是使學生對實驗過程初步的了解，避免實驗過程中的盲目性，一且實驗過程中得出的結果與預期的不一致，就要求學生對結果進行綜合分析，找出原因和解決的方法，這樣可以讓學生自己發現問題，可使學生了解科學實驗并非總是正確無誤的，培養了學生實事求是的科學態度和正確的科學實驗觀。

3.實驗報告的改革。實驗報告是衡量學生掌握實驗的程度，是學生分析解決問題能力、計算總結能力和文字表達能力的綜合反映。平時學生寫實驗報告時，用很大篇幅重復實驗指導書的內容，實驗數據處理和分析討論的內容很少，既浪費時間又沒有效果。筆者的改革是要求學生平常只需要在預習報告的基礎上，寫出實驗測量結果及數據處理過程，并對實驗結果作分析討論，回答指導書中提出的問題，寫出經驗體會。所有實驗結束后，要求學生自選一個實驗項目，寫一份質量較高的實驗報告，包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗電路圖、實驗步驟、數據記錄過程、結果分析、問題的提出及解決方法，同時鼓勵學生大膽提出實驗課的改進意見。鼓勵學生以科技小論文的格式寫實驗報告，以簡明而準確的語言表達自己的思想和論點，使實驗報告成為培養學生概括科學實驗能力的一個環節，使學生的綜合能力和文字表達能力進一步得到提高。

4.實驗課考核的改革。為了全面反映學生的學習情況和學習效果，充分調動學生上好實驗課的積極性，筆者采取分項考核記分的方式來評定學生每次的實驗成績。對在實驗過程中出現的問題能提出獨立見解的分析，對實驗課能提出合理性建議的學生給予額外的加分鼓勵。實驗結束后，結合每次實驗的分數和最后一份實驗報告的成績，評出綜合成績。實驗課是否進行考試則視該班級本學期學習負擔和學習情況而定，如該學期學生基本都能掌握實驗內容及方法且學習負擔較重，則不考試。若學習負擔較輕且還有學生未能掌握實驗內容和方法，則要求考試，考試成績占總評分的比例一般為20％。這種比較符合學生實際情況的考核方法，普遍受學生歡迎，提高了學生對實驗的重視程度。

(三)應用CAI技術，提高教學質量

要開展綜合性和設計類的實驗內容，需要增添相關的實驗設備。但由于實驗經費的緊張，又大大約束了實驗內容的改革。隨著現代科技的發展，尤其是計算機在各個領域的廣泛運用以及新技術的普遍使用和推廣，基本上解決了上述的矛盾。電路仿真實驗的出現，為學生成功地驗證自己的設計方案提供了有力的保障，而且不受實驗儀器設備的限制。目前仿真軟件比較多，如PSPICE、EWB的等多種CAA和CAD，它們的優點不言而喻。在實驗課中筆者應用CAI技術，可以大大豐富教學內容，擴展教學環境，深化教學層次，彌補傳統理論和實驗教學方法的不足，使實驗教學提高到一個新的水平。具體做法是把實驗課分為軟實驗(在計算機上做仿真實驗)和硬實驗(實際操作實驗)兩部分。在開出硬實驗之前，利用CAI軟件，對硬實驗內容進行仿真。通過仿真實驗，使學生對硬實驗部分的內容有全面的了解，先進行理論分析和預期實驗結果，為下一階段硬實驗打下良好的理論基礎。筆者建立了以EWB為平臺的“電路實驗虛擬實驗系統”，該系統界面友好，操作方便，結果直觀準確。目前，筆者應用CAI技術進行仿真實驗的實驗項目有迭加定理和戴維寧定理的驗證、RC電路的特性、RLC電路的特性、雙口網絡的研究、二階電路的模擬、信號頻譜的測量、補償分壓電路的設計和移相器的設計。在仿真實驗中，要求學生首先按照講義所提供的電路參數做出結果并分析之，然后有目的地更換電路參數，觀察由于電路參數的變化對電路工作狀態的影響，并分析實驗結果。通過仿真實驗，不僅清楚地顯示了電路特性及工作過程，而且通過對電路工作狀態改變的結果，進行分析探索和思考，從而深入地啟發了學生的思維和想象力，拓寬了學生的知識面，增強了學生學習的主動性，提高了教學質量。

筆者的體會是，用軟件來對實驗系統進行仿真有以下幾個優點：(1)實驗成本低，且實驗設備的選擇余地大。(2)實驗參數選擇、調整方便、快捷，易于實現較為復雜的實驗過程。(3)實驗所需時間較少，實驗效率高。(4)不必擔心損壞實驗設備，能輕松的進行邊緣情況的實驗。(5)便于記錄和分析實驗過程和實驗結果。

三、結束語

實驗教學的改革方向應該是重視能力的培養，在實驗過程中培養開發學生潛在能力和創造、思考能力。然而，學生能力的培養不是一朝一夕能完成的，它應貫穿在各門課程學習的全過程中。如何加強實踐環節，使學生能系統地、廣泛地在實驗理論、基本技能和分析、解決問題的獨立工作能力等方面，得到切實的培養和訓練，仍然是當前實驗教學改革中一個十分重要的研究課題。對此。應繼續深入進行有關的實驗教學研究，使實驗教學工作更完善，使所培養的學生更能適應社會科學技術快速發展的需要。

(責編 黎原)