電路實驗課程引入設計型實驗的實踐探索

吳麗麗+余佩瓊

摘 要：為了深化教學改革，加強學生的創(chuàng)新意識培養(yǎng)，在電路課程實驗中引入設計提高型實驗，設計開發(fā)不同層次的設計型實驗項目。改變傳統(tǒng)實驗教學模式，在完成基本的驗證型實驗基礎(chǔ)上，采用開放式實驗教學方式，學生組隊完成設計型實驗，以培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力以及團隊協(xié)作的能力，同時豐富了實驗考核的手段。

關(guān)鍵詞：電路實驗 教學改革 設計型實驗

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0218-03

Abstract：In order to deepen teaching reform and strengthen the training of students awareness of innovation， the paper introduces the design improvement experiment in the course of circuit experiment， and designs and develops the design experiment items of different levels. Change the traditional experimental teaching mode， to complete the verification experiment based on the open experiment teaching mode， the student team to complete the design experiment， in order to cultivate the students practical innovation ability and team cooperation ability， enrich the experimental evaluation means.

Key Words：Circuit experiment； Reform of teaching； Design experiment

在高等學校教育工作中，課程建設是基礎(chǔ)，改革是動力，提高教學質(zhì)量是目的[1]。目前，高校中電路實驗課程往往依附于課堂教學的內(nèi)容，以驗證性實驗模塊為主，包含個別綜合實驗模塊。驗證性實驗可以幫助學生理解和鞏固課堂所學的理論內(nèi)容，但教學內(nèi)容缺乏層次性及創(chuàng)新性。實驗內(nèi)容采用統(tǒng)一的實驗教材，實驗教學內(nèi)容單一，學生在教師講解演示結(jié)束后，再按部就班地重復實驗過程，容易導致學生缺乏學習興趣，無法滿足不同層次學生的需求。

電路實驗課程設置的目的是培養(yǎng)學生加深理解電路的基本理論知識、掌握基本實驗測試技能、養(yǎng)成良好的實驗操作習慣和解決工程實際問題的綜合能力具有重要的作用。所以實驗教學環(huán)節(jié)應該在更高層面上審視自己的教學定位，應該成為創(chuàng)新實踐教育的抓手和推手。從低年級開始實施創(chuàng)新意思和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應該成為實驗教學改革與實踐的出發(fā)點與落腳點[2]。該校的電路實驗教學中，在傳統(tǒng)的驗證型實驗中引入設計提高型實驗，針對不同層次的學生提出相對應的設計實驗內(nèi)容。深入研究了實驗教學內(nèi)容改革、實驗考核手段改革等多方面內(nèi)容，充分利用實驗教學基地的科研條件，在教師的引導下，提前進入科研實踐，提高學生的創(chuàng)新精神和科研動手能力及團隊協(xié)作能力等。

1 引入設計提高型實驗的教學改革

設計提高型實驗是根據(jù)生產(chǎn)實踐中遇到的問題或理論課中提出的課題確定實驗任務的要求及各項性能指標。學生需自行設計實驗方案，通過虛擬仿真實驗驗證實驗方案、確定設計參數(shù)，然后進行實踐操作，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。教師需規(guī)范實驗的驗收過程，根據(jù)實驗課題的難易程度以及學生完成的情況給出相應的成績，并將成績記入學生最終的實驗成績中。

設計提高型實驗可以改變以教師為中心的傳統(tǒng)的灌輸式教學模式，代以“學生為主體，教師為主導”的教學模式。在整個教學過程中，以學生為主體，讓學生主動去思考問題、探索知識，使得學生具有較大的學習自主性，易于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

把電路實驗課程分為基礎(chǔ)性實驗和設計提高型實驗，對現(xiàn)有的基礎(chǔ)實驗和仿真實驗教學內(nèi)容做整合，開發(fā)創(chuàng)新設計型實驗項目。采用X+Y+Z的模式，X為驗證型的基礎(chǔ)實驗項目，在課內(nèi)時間在電路實驗室完成；Y為虛擬仿真實驗項目，鼓勵學生在相關(guān)內(nèi)容實際操作實驗項目進行前在課外完成；Z為設計提高型實驗項目，學生可根據(jù)自身知識水平和興趣自主選取實驗項目，然后自行擬定實驗方案和步驟。由教師對學生實驗方案的完善給予指導。

1.1 設計提高型實驗題目的設計

設計提高型實驗題目的擬定可以有兩條途徑，一條是教師根據(jù)課程內(nèi)容結(jié)合應用實際提出，另外也可以學生根據(jù)自己的興趣結(jié)合所查詢的資料提出相關(guān)的題目交于教師審核，通過審核后便可作為提高型實驗的題目。設計提高型實驗題目的擬定是整個實踐探索中的一個關(guān)鍵，也是一個難點。合理的實驗題目既能激發(fā)學生的興趣，讓學生體會在實驗中能學有所用，又能讓課堂教學的知識點在實驗過程中得到很好的印證。

設計提高型實驗題目的擬定需在遵循“三基”原則（基本實驗原理、基本實驗方法及基本實驗技能）的前提[3]。題目需注重可行性與趣味性相結(jié)合，扣緊課堂所學基礎(chǔ)知識，同時結(jié)合實際應用，具有一定的知識延伸性，難易程度適中，以充分調(diào)動學生的動手積極性。如濾波器電路設計的實驗，濾波器電路是電氣信息類學生最經(jīng)常接觸的電路類型之一，具有很廣的應用前景。分立元件組成的無源濾波器電路是根據(jù)電路中元器件的感抗和容抗對各次諧波分量的反應不同，感抗與信號的頻率成正比，容抗與信號的頻率成反比。工程上利用電感L和電容C彼此相反而又互補的頻率特性，設計具有一定濾波功能的“單元電路”，然后再用搭積木方式（如串聯(lián)、并聯(lián)），連接成各種的無源濾波器網(wǎng)絡，如圖1所示[4]。

根據(jù)題目的要求選擇相適合結(jié)構(gòu)的濾波電路，選擇合適參數(shù)的元器件，應用Multisim仿真軟件對電路進行仿真測試，調(diào)整元器件參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)，觀察輸入輸出信號的波形，得到最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果確定的相關(guān)元器件參數(shù)，學生自行采購元器件進行實際電路的焊接與調(diào)試，根據(jù)實測數(shù)據(jù)撰寫實驗報告。整個過程中，學生可以根據(jù)所查資料自主確定電路結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，并與同學進行相關(guān)知識的討論和經(jīng)驗的交流，大大提高了學生學習的自主性和主動性，學習興趣也會大大提高。通過實驗的設計、電路板的制作與調(diào)試、實驗報告的撰寫等工作讓學生真正做到理論與實踐的相結(jié)合。教師扮演的是知識點啟發(fā)，和接受咨詢的角色，可以啟發(fā)學生進行相關(guān)知識點的延伸，完善學生的設計，真正做到“學生為主體，教師為主導”的教學模式。

1.2 團隊的協(xié)作及教師的引導

選題過程中以3～4位學生一組來共同完成一個課題，一個課題可以拆分成幾個功能模塊，每個學生負責其中的一個模塊，最后再將各個學生各自調(diào)試好的模塊進行聯(lián)調(diào)完成整個課題。包括最終的實驗報告也可以是團隊中的每個學生先將各自部分的實驗內(nèi)容撰寫完畢，最后再形成一篇完整的實驗報告。在這個過程中，要注意課題功能模塊的分割，避免某個學生的工作量過多或者過少，保證最后分數(shù)的公平性。在團隊協(xié)作過程中，學生可以互相交流所學到的知識及所查詢到的資料，培養(yǎng)團隊協(xié)作的精神。

在學生自主完成課題的過程中，教師也不是完全放任不管。首先，在課題的選擇上就需要教師把好第一道關(guān)。課題選擇應該要扣緊課堂所學知識，不能脫離課堂。但也不能是課堂知識的簡單堆砌，要結(jié)合實踐應用，有一定的知識延伸性，這些都需要教師來進行把握。其次，在課題制作進行的過程中，要做好理論知識的引導與延伸，幫助學生鞏固課堂知識的同時，拓寬知識面。同時指導學生如何進行相關(guān)知識的檢索，如何在龐大的數(shù)據(jù)中快速找到自己所需的內(nèi)容。這些實踐探索的過程對于學生今后的科學研究包括走上工作崗位都將是受益匪淺。

1.3 豐富實驗考核手段

現(xiàn)階段該校電路實驗課程的考核包含兩大塊：一塊是分實驗的成績，每個實驗需要教師給出每位學生的操作分及實驗報告分，這部分的成績占該生最終成績的60%；另一塊就是考試成績，考試時每位學生抽取一個考題，在規(guī)定時間內(nèi)根據(jù)題目要求完成操作實驗，記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，回答考題中的問題。這部分的成績占該生最終成績的40%，從而最終形成一位學生完整的實驗成績。這種考核的形式過于單一，難以激發(fā)學生的學習熱情，考核內(nèi)容也較為單一。學生的創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力等都無法得到鍛煉和提高。

引入設計提高型實驗后，學生在完成基礎(chǔ)實驗后，需完成一個設計提高型實驗，兩者結(jié)合形成的成績作為電路實驗課程的最終成績。學生通過前期的選題，中間的課題制作，制作報告的撰寫，最后以答辯的方式，展示作品的基本理論內(nèi)容，完成的技術(shù)難度，創(chuàng)新點等，讓更多的學生參與到課題的討論中。答辯的過程中，學生的表達能力、總結(jié)能力，以及現(xiàn)場的反應能力等都能得到提升，從而促進學生綜合素質(zhì)的提高。具體考核辦法如表1所示。

1.4 開放式實驗教學模式

由于電路實驗課程的學時數(shù)比較少，課內(nèi)時間只能完成基礎(chǔ)的驗證性實驗，設計提高型實驗勢必要在課后時間完成，因此，采用開放式的教學模式組織學生完成設計提高型實驗。設計型實驗需要學生根據(jù)自身知識水平和興趣自主選取或提出實驗項目、設計實驗方案和步驟、組織實驗儀器、排除實驗故障、觀察實驗現(xiàn)象并記錄實驗數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)獲得實驗結(jié)論。開放式實驗模式提供了完成設計型實驗所需的探究的、自主的學習方式和教學驗教學環(huán)境。學生在實驗過程中可以得到多方面的能力訓練，如自主學習能力、分析推理能力、實際動手能力及團隊協(xié)作能力等等。體現(xiàn)了學生自主學習的主體地位和教師的主導地位，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計能力和實際動手能力方面起到了不可替代的特殊作用。

2 教學改革的試點與成效

2.1 該校電路教學改革試點

浙江工業(yè)大學電工電子教學示范中心是省級實驗教學示范中心，擁有電工學實驗室、電路實驗室、數(shù)電實驗室、模電實驗室、軟件實驗室及電子工藝實習實驗室。各實驗室都配備了雙蹤數(shù)字示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、交流毫伏表、數(shù)字萬用表等儀器設備，另外數(shù)電實驗室、軟件實驗室還配備了電腦，電腦上安裝有Multisim、MATLAB、DEII及Protel等仿真軟件。各實驗室在完成既定的教學任務外，對全校的師生是免費開放的，為學生開展設計提高實驗提供了全面的實驗儀器和設備保障。

在本校信息學院2014電氣類專業(yè)選1個班作為電路實驗教學改革試點。在學期初提出以開放式的教學模式來展開設計提高型實驗，學生對此教學改革表現(xiàn)出極大的興趣，熱烈響應。隨著電路理論課程教學的推進，到了學期中公布由教師組擬定的設計提高型實驗題目，供學生選擇。學生自由組隊，3～5人一組。學生也可以自擬題目，由教師審核通過。確定題目及組隊后，教師指導學生分析與解讀課題要求的各項指標、查閱相關(guān)文獻資料、提出設計方案，通過multism仿真完成電路設計。采購元器件，焊接電路到最終的電路調(diào)試。撰寫實驗報告及完成答辯。讓學生體會到一個工程項目的整個制作過程。

2.2 電路教學改革的成效

在電路實驗中引入了設計提高型實驗，使得電路理論與解決實際問題很好地結(jié)合了起來，電路原理在學生眼中不再是抽象的理論知識，而與解決實際問題聯(lián)系起來，這樣極大提高了學生學習電路理論的興趣和動力，大大促進了學生對電路理論知識的理解與掌握。其結(jié)果反映在電路期終考試成績中，該試驗班級的及格率超過年級平均及格率近20個百分點。

在設計和答辯過程中，學生動手能力、創(chuàng)新能力有了長足的進步。為后續(xù)的電子設計競賽打下了良好的基礎(chǔ)。2015年在全國大學生電子設計競賽中，我院學生榮獲全國一等獎2項，全國二等獎4項；省一等獎4項，二等獎4項，三等獎6項，TI單項獎1項，這是我院自1994年參加該項賽事以來取得的歷史最好成績。其中實驗班的學生表現(xiàn)亮眼。

3 結(jié)語

實驗環(huán)節(jié)是課堂教學必不可少的一個補充，實驗環(huán)節(jié)的重要性也在各個高校中得到越來越多的重視。在電路原理的實驗教學過程中，引入設計提高型實驗，通過精心設計實驗課題，學生的全身心投入，以及教師的適度引導，最終效果通過實驗班學生的表現(xiàn)得到一定的驗證。首先，學生的興趣得到很大的激發(fā)，從枯燥的重復驗證性實驗中掙脫，自己掌握實驗的主動性。包括正確分析與解讀課題要求的各項指標，查閱相關(guān)文獻，提出設計方案，比較各個方案之間的優(yōu)劣，得出最優(yōu)方案和最優(yōu)的電路參數(shù)，采購元器件，焊接電路到最終的電路調(diào)試以及論文的撰寫，讓學生體會到一個工程項目的整個制作過程。其次，通過設計提高型實驗，學生易于體會團隊協(xié)作的重要性。設計提高型實驗往往包含幾個功能模塊，單靠一個學生要在限定的時間內(nèi)完成有一定的難度，這就需要幾個學生一起共同完成，每個學生完成一部分，每個學生之間如何溝通協(xié)調(diào)，在出現(xiàn)意見分歧時，如何進行調(diào)和，考驗的不但是學生的學識，更考驗學生與人溝通的能力。電路實驗課程引入設計提高型實驗，可以將課堂教學和實踐教學進行完美融合，實現(xiàn)理論聯(lián)系實際的教學目標，具有很好的實踐意義。

參考文獻

[1] 鄧碧玲，王應生.電路分析基礎(chǔ)課程建設和改革的探索[J].桂林電子工業(yè)學院學報，2002，22（4）：91-93.

[2] 孫盾，姚纓英，范承志.實驗教學環(huán)節(jié)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（5）：28-30.

[3] 堵國樑，胡仁杰，黃慧春，等.以項目為導向的電子電路實驗研究與改革[J].電氣電子教學學報，2015，37（3）：98-100.

[4] 余佩瓊，孫惠英，等.電路實驗教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.