電路原理智慧實驗系統的設計與實踐——以清華大學“電路原理”實驗課程為例

朱桂萍 王帥國 宮 晨 李甫成

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電路原理智慧實驗系統的設計與實踐——以清華大學“電路原理”實驗課程為例

朱桂萍1王帥國2宮 晨3李甫成4

（1．清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084；2．清華大學 在線教育辦公室，北京 100084；3．北京時代行云科技有限公司，北京 102200；4．美國迪芝倫科技有限公司中國分公司，上海 201203）

文章以清華大學“電路原理”實驗課程為例，介紹了借助便攜式實驗設備和雨課堂進行智慧實驗教學改革的設計理念和教學實踐：首先，利用便攜式實驗設備有效實現了實驗與理論教學的有機融合；然后，基于雨課堂設計開發了電路原理線上線下混合式智慧實驗系統，進一步提升了實驗的智慧化水平。該系統為學生提供了電路仿真、搭建實際電路、測量實驗結果、保存實驗數據的功能，最終自動生成實驗報告并上傳。據此，教師可以全程準確掌握每位學生的實驗狀態，使得教師對實驗結果的評判更加準確。該系統已于2017年春季學期起在清華大學投入使用，獲得了學生的支持和好評。

雨課堂；雷實驗；智慧實驗；混合式實驗

引言

“電路原理”實驗課程作為電類專業基礎課——電路原理的配套課程，是電類專業培養方案中一門重要的必修課程。隨著元器件和各種測量設備的性能改進以及新的測量技術不斷涌現，目前國內絕大多數高校的電路原理實驗可大致分為基于分立器件的實驗、基于通用或定制的實驗臺的實驗、基于虛擬儀器的實驗三種形式。每一種實驗形式都各有優缺點：①基于分立器件的實驗有利于幫助學生建立對各種元器件和測量設備的直觀認識，但體積大、集成度低，不易開設新的實驗。②基于通用或定制的實驗臺的實驗集成度有所提高，但同時把大部分實驗元器件隱藏到了面板后面，學生對各種元器件和測量設備的直觀認識有所削弱；另外由于實驗臺的空間有限，元件配置基本固定，也不易開設新的實驗?；诜至⑵骷膶嶒灪突趯嶒炁_的實驗都需要在指定的時間到固定的地點（通常是實驗室）去完成，教學靈活性比較差。③基于虛擬儀器的實驗在集成度和實驗靈活性上都有了大幅提升，開發新的實驗也比較容易，唯一不利的是學生對各種元器件和測量設備的直觀認識進一步削弱，甚至出現完成電路實驗后都不知道實際的電感電容為何物的情況，這對培養學生的工程意識和實際動手能力都非常不利。

2013年以來，清華大學電路原理教學組借助自己錄制的MOOC資源[1]，利用翻轉課堂的教學形式，在理論課教學中開展了以學生為中心的混合式教學實踐[2]，取得了良好的效果。但實驗課程改革卻一直踟躕不前，最主要的原因是一直沒有找到新的教育教學技術與傳統實驗的有效結合點。受理論課程教學改革的啟發，本研究設計并實現了基于雨課堂[3]的電路原理智慧實驗系統。

一 智慧實驗系統的設計理念

清華大學電路原理教學組首先借助便攜式實驗設備——從最初NI的myDAQ到Digilent的Analog Discovery 2再到目前時代行云科技的A+D Lab，實現了實驗與理論教學的有機融合。目前在兩學期共96學時（64+32）的理論課學習中，已分別設計實現了15+8個實驗。這些實驗中既有較為簡單的驗證性實驗，由學生在課前通過MOOC平臺自學完成相關內容后即可利用便攜式實驗設備完成；也有一些難度較大的研究性實驗，這些實驗通常需要學生設計并實現一些具有特定功能的電路，一般安排在完成課堂討論、深刻理解某一部分知識點后再進行。這種理論與實驗有機結合的模式，一方面通過時序上的完美配合使得理論知識一學完立刻就能學以致用，進行相關實驗，有效激發了學生的學習興趣，鍛煉了學生的創新性思維，提高了學生的電路設計能力和團隊協作能力；另一方面通過解決實驗中出現的問題和解釋實驗結果，又幫助學生加深了對基本概念的理解，把抽象的理論具體化，大大提升了教學效果。在過去的四年中，這一教學模式在清華大學“電路原理”課程中獲得了學生的普遍認同。

但這種實驗模式仍然存在一些有待改進的地方，主要體現在三點：①由于實驗數量比較多，不可能要求學生對每個實驗都提交實驗報告，對那些不提交實驗報告的實驗只能最后在課堂上檢查一下實驗結果，教師無法全面了解學生在實驗過程中遇到的問題以及解決問題的具體過程，而這些恰恰是實驗價值之所在；②教師對實驗過程缺乏必要的監管手段，尤其是每學期最后安排的一個大實驗，時間跨度較大（前后共6周時間），但學生經常到最后2周才開始突擊，客觀上不利于做出有創意的成果；③目前學生寫實驗報告時，習慣性大量照抄實驗目的、實驗內容和實驗所依據的一些基本概念或定理定律，比較浪費時間，更重要的是提交的實驗報告中關鍵的實驗結果或波形都只是一條“死”的曲線，如果在批改過程中教師對某個實驗波形有疑問，不能便捷地核查實驗波形所對應的原始數據。

基于上述原因，本研究秉承以下理念和原則設計了電路原理智慧實驗系統：①使用方便，充分利用移動互聯技術，與已有的便攜式實驗設備兼容，無需新增任何硬件設備；②教師可隨時了解全班每一位同學的實驗進展情況；③按照教師設計好的實驗報告模板，學生在實驗中上傳必要的圖片、數據和相關分析說明，最終自動生成實驗報告；④保證實驗過程和實驗結果的真實性；⑤教師可查閱實驗結果曲線對應的真實數據；⑥實驗報告可以永久保留，教師既可以在手機上即時批閱，也可以在任何時候通過電腦下載批閱。

圖1 電路原理智慧實驗系統功能與流程

二 智慧實驗的流程和主要特點

1 智慧實驗的流程

電路原理智慧實驗系統是一個基于雨課堂平臺和便攜式實驗設備開發的線上線下混合式實驗系統，簡稱“雷實驗”（Lab of Electronics Intelligence，LEI）。該系統可實現的功能及實驗流程如圖1所示。由圖1可知，教師和學生之間通過雨課堂服務器進行交互。在學生實驗的四個步驟——仿真、搭建實物電路、測量實驗結果、上傳實驗數據中，學生可以在任意一個步驟暫存后，或返回修改，或退出實驗，下次重新登錄后可以從已經完成的任一步開始重新進入實驗。

2 智慧實驗的主要特點

電路原理智慧實驗系統是移動互聯技術、虛擬儀器技術、電子技術深度結合的產物，它具有以下幾個突出特點：

（1）實驗不再受時間、空間限制

實驗采用的便攜式設備如圖2所示，大小約為23.5′19′3.3cm，通過USB連接線與電腦相連后，可以輸出±5 V和±12 V直流電源，有2路模擬輸入、2路模擬輸出、8路數字輸入/輸出，最大采樣率可達100Mbps，輸出最大功率為500mW，可以滿足絕大多數電子實驗的需求。學生可以在各種場所進行實驗，有移動網絡信號的地方就可以把實驗過程中得到的結果上傳，沒有信號時也可以先單機實驗，保存實驗結果，待有信號再上傳。利用該實驗設備，學生還可以在任何時候把自己腦海中靈光一現的一些想法用實驗來驗證，為訓練創新思維、進行研究型學習提供了一個較好的平臺。

圖2 便攜式實驗設備外觀

（2）線上線下充分結合

線上線下的充分結合，一方面有效保證了實驗過程和實驗結果的真實性，另一方面便于教師進行管理——這是電路原理智慧實驗系統與單機版“口袋實驗室”的最大區別。學生在“雨課堂”微信公眾號中收到教師布置的新實驗通知后，需要用自己的微信登錄，然后才能在智慧實驗系統中進行實驗。實驗所需的仿真軟件是完全內置的，實物電路需要多角度拍照上傳，系統可獲取硬件設備的序列號，與波形對應的真實數據同步上傳，這些措施都有效保證了實驗過程和實驗結果的真實性。教師通過“雨課堂”可以隨時查詢學生的實驗狀態，便于及時提醒和管理。目前市場上很多種單機版的“口袋實驗室”雖然也給學生提供了比較方便的實驗平臺[4][5][6]，有些已經考慮到與MOOC教育相結合[7]，但教師對學生在課外的實驗情況基本無法掌握，相應地，實驗過程和實驗結果的真實性也無從保證。

（3）自動生成實驗報告

電路原理智慧實驗系統通過流程設計，形成了一個清晰、簡潔、全面的實驗報告模板，學生只需根據提示在每一個實驗步驟中將相應的內容（如仿真電路、仿真結果、實驗結果及其與仿真結果的對比等）截屏或拍照上傳，在結束實驗時智慧實驗系統就會自動生成實驗報告。與實驗相關的其它內容也可以以附件形式上傳，最終將一并加入實驗報告，在保證實驗報告規范化的同時也為個性化研究預留了空間。

（4）實驗報告可線上、線下批閱

對于實驗報告，教師可以直接在手機端進行線上批閱，也可以在雨課堂的網頁版下載后進行線下批閱，兼顧了不同年齡段教師的工作習慣。

圖3 電路原理智慧實驗系統教師端主要結果顯示

三 實例介紹

本研究以筆者在2017年秋季學期布置的一次實驗“方波、三角波或鋸齒波發生器”為例，來介紹電路原理智慧實驗過程中的一些主要步驟及相應的實驗結果呈現形式。

1 電路原理智慧實驗教師端

在電腦上啟動便攜式實驗設備相配套的主程序，教師用自己的手機微信掃碼登錄后就可以進行實驗管理，包括增、刪、查、改，按照屏幕提示完成即可，此處不再贅述。當教師布置完實驗并推送至相應班級后，學生在“雨課堂”公眾號中就會收到新實驗通知。隨著學生微信登錄主程序，開始實驗，教師的手機端就會實時更新班級所有人的實驗狀態及統計結果，如圖3（a）、（b）所示。對于已經完成實驗并提交的實驗報告，教師既可以在手機端點開進行批閱，并給出成績，如圖3（c）～（g）所示；也可以在雨課堂的網頁版中下載該實驗報告，打印出來進行批閱。在手機端可以顯示實驗結果曲線上任一點的真實數據，如圖3（h）所示。

2 電路原理智慧實驗學生端

學生端啟動與實驗設備配套的主程序時，實驗設備必須通過USB連接線連接至所用電腦，微信掃碼才能成功登錄，并進行下一步實驗。仿真軟件為TINA（TI）或Multisim（NI），可以在登錄主界面中進行設置，圖4（a）所示界面中的仿真軟件為Multisim。在實驗過程中，完成上一步任務后才能進行下一步。實驗結果用虛擬儀器進行測量，如圖4（b）所示。實驗過程的每一步都可以暫存后返回上一步修改或退出，下一次重新登錄后可以繼續完成實驗。對于上傳的截屏圖片或實物電路照片，都可以附加分析說明，如圖4（c）所示。最終自動生成實驗報告，可以對報告中的所有文字說明進行集中修改，確認后再上傳。

圖4 電路原理智慧實驗系統學生端主要操作界面

四 結語

電路原理智慧實驗系統自2017年春季學期起在清華大學“電路原理”翻轉課堂班級中試用，功能不斷完善，交互界面更加友好。便攜式實驗設備大大拓展了實驗的空間和時間邊界，線上線下混合式實驗模式則充分體現了互聯網思維對傳統實驗模式的改進和優化。電路原理智慧實驗系統的軟硬件設計基本可以滿足電路原理、模擬電子技術和數字電子技術課程的絕大部分實驗需求，為研究性學習和創新型人才培養提供了一個較好的平臺。

[1]學堂在線.清華大學電路原理MOOC課程[OL].

[2]朱桂萍,于歆杰,陸文娟. “電路原理”課程深度改革的實踐探索[J].電氣電子教學學報,2013,(5):6-10、33.

[3]王帥國.雨課堂:移動互聯網與大數據背景下的智慧教學工具[J].現代教育技術,2017,(5):26-32.

[4]漆強,劉爽.基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理,2015,(12):97-102.

[5]董介春,于瑞濤,衛成兵.口袋實驗室建設與實驗教學改革[J].電氣電子教學學報,2017,(3):133-135、147.

[6]初竑邑,房啟志,張麗麗.“口袋實驗室”在電子類專業實踐教學中的應用[J].教育教學論壇,2016,(50):131-132.

[7]鄧力,劉和平,余傳祥.MOOC式遠程實驗教學方法的研究[J].教育教學論壇,2016,38:263-264.

The Design and Practice of Intelligent Experiment System for the Principles of Electric Circuits ——Taking the Experiment Course of Principles of Electric Circuits in Tsinghua University for Instance

ZHU Gui-ping1WANG Shuai-guo2GONG Chen3LI Fu-cheng4

Taking the experimental course of Principle of Electric Circuits of Tsinghua University as an example, this article introduced the design concept and teaching practice of intelligent experiment teaching reform in virtue of portable experiment equipment and the rain classroom. Firstly, the integration of experiments and theoretical teaching was effectively realized by using portable experiment equipment in the examplified course. Then, an online-offline hybrid experiment system was designed and developed based on rain classroom, and greatly enhanced the intelligence level of the experiments. In this system, students could perform circuit simulations, built actual circuits, measure experimental results and save experimental data according to the designed process. In addition, the system could automatically generate experiment report and upload it. Through this intelligent experiment system, teacher could accurately grasp each student’s experimental status and evaluate experimental results more precisely based on the uploaded data of the experimental waves. The system has been put into use in Tsinghua University since spring semester in 2017, and has won the support and praise from students.

rain classroom; lab of electronics intelligence,intelligent experiment; hybrid experiment

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0107—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.016

朱桂萍，博士，副教授，長期從事電路原理課程教學，主要研究方向為電力系統儲能及其應用，郵箱為gpzhu@tsinghua.edu.cn。

2018年3月6日

編輯：小西