電路實驗室硬件平臺建設與實驗教學改革

許愛德， 王維剛， 張慧澤

(大連海事大學信息科學技術學院，遼寧大連116026)

0 引言

電路理論是我校通信、電信、電科、電氣工程、船舶電子、自動化、測控、計算機、網絡、智能等多個本科專業開設的一門非常重要的專業基礎課程，電路實驗是和電路理論課程一起開設的實驗課程，其主要任務是使學生在學習理論課程后，通過實驗加深對所學概念、理論、分析方法的理解，學習一些基本的實驗方法，掌握基本的實驗技能、測試方法和測量技術，提高運用所學理論獨立分析和解決實際問題的能力，奠定扎實的實驗基礎;培養學生嚴謹的科學態度;提高學生分析問題、解決問題的能力，開發學生的創新與動手能力;培養安全用電的意識，養成良好的實驗習慣［1］。尤為重要的是，電路實驗是上述各專業電子技術實驗、課程設計、畢業設計等實踐教學環節的基礎課程，電路實驗涉及到電量測量的基本儀表、儀器的使用、測量的基本方法等，在此打下良好的基礎，可為后續的課程乃至畢業后的科研和工作奠定堅實的基礎［2-3］。

1 我校電路實驗存在的問題

我校電路實驗室創建于2003年，當時采用的是天煌電工電子實驗臺。承擔了全校電路課程的實驗，包括通信工程、電氣工程等9個專業32個班，每年實驗人數達960多人，實驗人次達到6 720人次。原有的實驗設備僅有實驗設備32臺，數量上遠遠不能滿足教學的需要，實驗經常按排到中午5、6節和晚上11、12節來完成;并且近10年的循環往復使用，設備已經嚴重老化，故障率高，自帶儀表損壞嚴重;封閉式的模塊非常不直觀，固定式的面板導致很多實驗受限開展不了;面板式的連線實驗，對學生的動手實踐能力的培養很有限，更談不上創新能力的培養了。總之，原有實驗設備根本不能適應新形勢下教學的需要。

受實驗設備的限制，在實驗項目及內容上，多以基礎性、驗證性實驗為主，封閉式的模塊設計使學生完全處于被動的實驗環境，沒有思考，更不用說獨立思考了。實驗模式是固定的，曾有學生很形象的描述，實驗課的連線跟在紙上畫電路圖沒啥區別，因為你根本看不到面板后元件設備是什么樣。久而久之，很多學生逐漸失去了參與實驗、科研的熱情與探索新實驗、新現象的興趣，感覺實驗課程就是依葫蘆畫畫瓢，能夠獲得學分就可以了。計算機仿真實驗、綜合設計創新實驗雖然是作為要求提出來了，但由于設備的限制及缺發有效的引導，根本不能真正貫徹執行。實驗教材內容陳舊、實驗項目較少，學生實驗過程中缺乏激勵，考核方式單一，成就感有所缺失。

隨著《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》、《2003－2007年教育振興行動計劃》、《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》等文件的相繼出臺，國家明確要求“大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力”，“把實踐教學作為教學工作評估的關鍵性指標”。2005年，教育部為進一步推動高等學校加強學生實踐能力和創新能力的培養，加快實驗教學改革和實驗室建設，啟動了國家級實驗教學示范中心的建設［4-5］。我校電工電子實驗教學中心于2008年被遼寧省教育廳批準為省級實驗教學示范中心，以創建省級示范實驗教學中心為契機，針對我校當時電路實驗存在的問題，加強了實驗室規劃與建設。通過電路實驗教學平臺的建設和實驗內容的改革及考核體系的完善，在推進實驗教學改革和保障實驗教學質量方面，取得了明顯的效果。

2 實驗室硬件平臺的建設

國家在對實驗教學進行規劃和評審時，認為建立注重實驗特色和實用性的實驗室，有利于全面提高學生素質、培養學生的應用和創新能力，同時，可以反映最新的教學和科研成果，體現時代特征，使學生成為能夠掌握時代脈搏、適應社會需要的創新人才［6-7］。

為此，在對實驗室設備進行購置前，我們不僅對市場上的電路實驗設備進行了調研，還對國內諸多高校的電路實驗室進行了考察。調查研究表明，各高校電路實驗室的設備交流強電部分多以組合實驗臺為主，即儀表、儀器、電源和實驗元器件都裝在實驗臺上，最重要的是它的保護功能比較可靠，如果學生接錯線，誤將電源接成短路，設備會自動斷電，保護了電路中的儀表、儀器和實驗器件，設備的性能和使用安全可靠，大大滿足了實驗教學的需要［8］。而對于直流弱電部分的實驗，有的學校跟強電一樣集成在面板上，或采用自主設計、廠家定做實驗箱的方式實現，也有學校仍然采用將電阻、電感、電容等元器件擺放在桌上，做實驗時學生按照電路圖將各元器件連接起來。上述無論哪種方式，都存在著這樣或那樣的問題，有的是元器件不直觀，不便于學生的興趣愛好和動手實踐能力培養;有的是元器件擺放混亂，不便于管理，影響了實驗的效果。

市場調研過程中，我們注意到了上海寶徠科技開發有限公司的基本電路實驗裝置。此裝置是以9孔萬用插件板(見圖1)為核心、R-L-C元件(見圖2)及各種模擬、數字電路元件為模塊的系列實驗裝置。其特殊材料和工藝的耐用插腳，保證了良好接觸;其透明、可拆卸塑盒模塊單元使得真實元件直觀和便于更換;積木式的模塊單元使電路的組合靈活、通用;標準印刷的模塊單元讓實驗電路一目了然。除能夠完成常規課程的經典線路實驗外，還能適用于創新設計性電路實驗，特別適用于開放式實驗室［9］。顯然，上述實驗裝置很好的為直流弱電部分實驗提供了解決方案，交流強電部分采用多數高校的解決方案—組合實驗臺。

圖1 9孔板

結合我校電路實驗的情況，適應新時期形勢的發展，2010～2011年實驗室對設備進行了大規模的更新改造，將舊設備全部淘汰報廢，重新購置上海寶徠的電路實驗裝置64套，各種測量儀表儀器200多臺件，每個實驗臺還配置電腦一臺，共投入資金約130多萬元。新建電路實驗系統如圖3所示，在功能方面不僅滿足基礎電工學的實驗內容，還能滿足創新實驗和實訓的工作臺要求，裝置可以充分的保障開放性實驗室的要求，具有充分的可擴展性。

圖2 分立元件盒

圖3 新建電路實驗臺

3 硬件平臺下的實驗教學改革

實驗平臺的性能決定了實驗的性質，是基礎;而建立在這個基礎之上的教學內容和方法則決定了教學的實際效果［10］。當硬件平臺搭建完成后，應該著手考慮如何將具體的教改要求溶于實驗設備之中，使依托于新設備的實驗項目流程設計與教材的編寫、新教學方法的開展緊密地結合在一起。在新型實驗設備下，為實現對大學生實踐創新能力培養的目標，主要從以下幾方面進行具體的改革。

3.1 完善并優化了電路實驗教學體系

教學改革應因材施教，要根據受教育者的知識基礎、特點，明確教改思路，確定教改方案。應該把實驗從以驗證理論為主的單一模式改為采取循序漸進、分層次教學，以設計性、綜合性為主的多種教學模式［11］。遵循著這個指導思想，根據我校學生的具體情況，我們主張以傳統操作型實驗為主，引入計算機仿真實驗，積極推進綜合創新型設計實驗。

在傳統操作型實驗中，主要目的是使學生加深對理論課程的理解，訓練學生掌握實驗的基本技能，熟練使用各種儀器和設備，調動他們做實驗的積極性，培養他們做實驗的興趣，為設計、綜合性實驗奠定基礎［12］。同時我們充分發揮分立元件的優越性，在實驗學時有限的情況下，選做能充分發揮學生動手實踐能力的實驗。如:受控源的研究，以前的實驗模式僅僅是模塊上插幾根線就完了，效果非常不好。新的設備采用運算放大器和外接電阻來搭建，不僅熟悉了運算放大器的應用，同時對受控源的傳輸特性和負載特性都有了明確的認識。此外，我們還將部分操作實驗的內容進行了整合，如:戴維南定理和直流電路的最大功率傳輸定理，以前是兩次不同的實驗，因為兩者緊密聯系，新的實驗體系下，將兩者整合為一個實驗同時進行，既節省時間還便于學生概念的加深認識。

通過仿真軟件PSpice10.5的引入，在虛擬實驗環境下，元器件可隨便調用，參數可以隨意修改，一個設計方案不成功可以重新再設計，元器件不會損壞，實驗儀器不會出現故障，也避免電路實驗中由強電所引發的安全問題，而且不受時間、地點、人數的限制，學生可以不受規定實驗項目的限制，滿足不同層次學生的需要，大大擴展實驗空間和實驗范圍。實驗過程不僅充滿樂趣，而且大大提高設計工作的質量和效率，使學生充分發揮其主觀能動性和創造性［13］。同時，我們對適合做仿真實驗的內容進行設計，以便于實際實驗的貫徹執行。

將綜合創新設計實驗落到實處，多年來雖然一直在提倡綜合創新設計實驗，但實際上限于種種原因，并未真正貫徹執行。引進新的實驗設備后，我們對綜合創新實驗進行設計，針對不同的內容提出具體的設計要求，可通過仿真設計后再具體操作，讓學生在進行自主設計實驗的時候有目標、有方向、可操作。

3.2 改革實驗教學方法，提高教學質量［14］

采用學生為主體，教師為主導的教學模式，第一次驗證性實驗教師可以作為主體，進行詳細講解、具體指導，之后就要把主動權交給學生，通過自學、相互討論等模式獨立解決問題，教師主要起到一個引導的作用;變傳統實驗教學模式為多媒體教學模式，在實驗教學時數有限情況下，利用多媒體教學系統更加有效地指導學生完成大綱要求必須做的實驗，同時通過觀看實驗演示，延伸實驗教學范圍，達到以點帶面的效果。

3.3 改革評價系統，提高學習積極性［15］

將實驗預習、實驗操作、實驗總結等各環節全部納入評價體系，促使學生重視每一個環節，養成踏實、嚴謹的作風。同時根據實驗難易程度的不同，對驗證性實驗、設計性實驗和創新實驗給予不同的評分標準，勢必會調動學生的積極性，使一些綜合素質好的優秀學生脫穎而出，為創新能力的培養打下良好的基礎。

3.4 編寫適應教學改革的實驗教材［16］

一本好的實驗教材是確保教學改革的前提。根據設備的情況和以往指導書應用過程中存在的問題，我們重新編制了《電路原理實驗》教材。在教材中增加了“電路實驗基礎知識”和“常用電子儀器和軟件使用常識”，以便于學生參考。同時將實驗內容分為“基本電路實驗”“仿真實驗”和“綜合創新設計實驗”三大部分，以滿足不同專業、不同課程教學計劃和教學大綱的學時數的要求有選擇的開設相應的實驗項目。

4 結語

2年多來，通過對電路實驗室的建設與教學改革，實驗室的規模、儀器設備的配備得到全面的改善與提高，完全可實現實驗一人一組，充分保證實驗老師的正常工作;規范和完善實驗教學體系和教材建設，實驗的過程就是學生不斷發展完善的過程，新的實驗體系有助于實驗教學，有利于培養學生的創新能力。在教材中，明確將電路實驗分為基本電路實驗、仿真實驗、綜合創新設計實驗，并且對每一部分具體內容進行精心設計，另外還增加電路實驗基礎知識一部分，對實驗過程中的一些預備知識及常見問題進行了歸納總結;將計算機模擬仿真實驗引入，學生可充分發揮想象力，大膽設計，勇于嘗試，為學習興趣的提高，調動學生學習的主觀能動性，培養學生的分析、應用和創新能力提供條件;開發電路多媒體實驗教學課件，生動形象的表現實驗設備的原理、使用及操作方法，增強實驗課的效果，提高實驗教學的效率。

新的實驗項目開展后，涉及到我校電氣工程、自動化、通信、電子科學與技術、電信、計算機、網絡工程、測控等多個專業，每年總計做實驗的人數有1 000人，受益學生的范圍和數量都是非常客觀的。目前，該實驗模式不僅得到了本校廣大師生的一致好評，臨近的大連理工大學的電路實驗室老師來參觀后也表示，該模式非常利于學生動手實踐能力和創新能力的培養。

［1］ 黃大剛，劉毅平，朱連津.電路基礎實驗［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［2］ 徐 偉，徐欽民，谷海青.電路實踐指導教程［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［3］ 程敏熙.簡論高等學校理論教學與實驗教學的關系［J］.實驗技術與管理，2001，18(2):186-189.

［4］ 羅 勇.高校經管類實驗教學平臺建設的創新與實踐［J］.實驗室研究與探索，2012，31(5):103-106.

［5］ 廖慶敏.建立開放實驗室，提高學生的實踐能力和創新能力［J］.實驗室研究與探索，2010，29(4):162-1165.

［6］ 王建明，帥任俊.電路實驗教學平臺建設與實驗教學改革［J］.實驗室研究與探索，2008，27(2):56-59.

［7］ 張學軍，王鎖萍.全面改革實驗教學 培養學生創新能力［J］.實驗室研究與探索，2005，24(1):4-6.

［8］ 曾國樹，黃傳明，項雷軍.電路實驗教學改革與實踐的探討［J］.高校實驗室工作研究，2009，101(3):4-6.

［9］ STE 基本電路實驗裝置［DB/OL］.http://www.sh-baolai.com/ProductInfo.aspx?ID=40.

［10］ 崔大力.研發實驗平臺改革實驗教學方法構建研究型學習環境［J］.實驗室研究與探索，2009，28(9):128-130.

［11］ 石 超，薛 雪，陳桂真，等.電路實驗創新型教學模式研究［J］.全國高等學校電子技術研究會論文集，2010，20(1):42-44.

［12］ 王志東.加強工程設計與創新能力培養體系建設［J］.實驗室研究與探索，2011，30(1):87-167.

［13］ 孫曼利，司軼芳.電路實驗教學的改革與探索［J］.實驗科學與技術，2010，8(4):61-63.

［14］ 諶海霞，李 平.電路實驗教學的研究與實踐［J］.中國電力教育，2012(8):98-114.

［15］ 鄭家茂.構建開放創新實驗教學體系推動學生自主學習［J］.中國高等教育，2009(5):39-41.

［16］ 許愛德，李作洲.電路原理實驗［M］.大連，大連海事大學出版社，2012.