基于虛實結(jié)合的電路原理實驗教學研究

陳淼，李偉

（浙江理工大學科技與藝術(shù)學院，浙江 紹興）

一 引言

近年來，隨著國際“芯片戰(zhàn)”的加劇，國產(chǎn)替代[1]成為人們討論的主流話題和必然趨勢。這就要求國人發(fā)憤圖強，提高自身的能力和水平。電路原理作為電類的基礎(chǔ)必修課程，為后續(xù)電類更高層次的課程提供理論基礎(chǔ)。電路原理實驗也為學生動手實踐提供一個開端，為培養(yǎng)學生興趣和思維方式打下堅實的基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)的電路原理實驗卻存在以下幾種問題：

（1）多數(shù)學生第一次接觸相關(guān)實驗設(shè)備，對實驗設(shè)備不熟悉，搭建電路容易出錯[2]；

（2）對于實驗數(shù)據(jù)，學生只是簡單地記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的正確與否并不了解；

（3）學生對電路結(jié)構(gòu)不夠了解，遇到問題不會解決，缺乏解決問題的能力，從而影響實驗熱情[3]；

（4） 課上時間不夠，由于實驗室課外時間不開放，課外學生也沒法進入實驗室完成完整實驗。

針對傳統(tǒng)實驗存在的問題，本文提出一種 “虛實結(jié)合”的實驗模式[4-5]，即在開展實驗前通過Multisum軟件對實驗進行仿真，記錄仿真數(shù)據(jù)，然后在課上實驗進行電路搭建，記錄數(shù)據(jù)并與仿真數(shù)據(jù)進行對比，查找數(shù)據(jù)出入點的原因并改正，課后進入開放性實驗室查缺補漏及知識擴展，同時進行實驗報告的撰寫、數(shù)據(jù)分析及總結(jié)等。進一步提升學生獨立思考能力及動手能力及解決問題的能力。

二 電路原理實驗基本情況

電路原理實驗室主要針對我校低年級學生使用，主要包括電子信息工程專業(yè)、自動化專業(yè)、通信工程專業(yè)及計算機科學技術(shù)專業(yè)。由于之前的實驗臺年限比較久，實驗過程容易壞，影響學生效率及興趣，學校對此也比較重視，采購了新的實驗平臺，并優(yōu)化了相關(guān)實驗。

實驗目標：了解電路原理及基本電路結(jié)構(gòu)，熟悉電路搭建流程，并能夠排查電路故障，解決實際問題，提高獨立思考能力及動手能力。

實驗內(nèi)容：疊加原理的驗證、戴維南定理和諾頓定理的驗證、最大功率傳輸條件的測定、RLC串聯(lián)諧振電路的研究、RC一節(jié)電路的響應測試、三相交流電路電壓電流的測量。

三 教學改革內(nèi)容

（1）增加綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗比例，改變學生觀念及模式，提高學生綜合水平[6]。

（2）采用現(xiàn)代化教學手段，即虛實結(jié)合的實驗教學方式[7-9]；相對于傳統(tǒng)的教學方式，提高了教學效果及效率，激發(fā)了學生的思維能力及自主學習能力，提高學生的興趣及解決問題的能力。其主要包括三個方面，即課前預習及仿真、課中實驗及分析、課后總結(jié)及探討[10-11]。

（3）建立開放性實驗室，讓學生課外也有機會進入實驗室，同時加強開放性實驗室的管理，為學生提供便利。

四 實驗教學改革案例分析

基于以上教學內(nèi)容的改革，結(jié)合實際案例進行闡述和說明，本文以“RC一階電路的響應測試”為例。

（一） 實驗課前預習

上實驗課前，首先理論課老師會對相關(guān)理論知識進行講解，然后再安排學生實驗，本設(shè)計要求大家掌握RC電路的零輸入響應和零狀態(tài)響應。在仿真實驗前，學生應掌握相關(guān)定義，其定義為：在線性電路中，響應可以由外施激勵源和初始儲能共同產(chǎn)生，當動態(tài)元件的初始儲能為零，僅有外施激勵源引起的響應為零狀態(tài)響應；換路后電路無外施激勵源，僅由初始儲能引起的響應為零輸入響應[12]。

（二） 實驗仿真電路設(shè)計

由于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過渡過程是十分短暫的單次變化過程，要用普通示波器觀察過渡過程和測量有關(guān)參數(shù)，就必須使這種單詞變化過程重復出現(xiàn)，為此，我們利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵信號，利用方波的上升沿作為零狀態(tài)響應的正階躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應的負階躍激勵信號。根據(jù)負載端的元件不同，RC電路可以組成微分電路及積分電路。其示意圖如圖2所示。

圖2 微分電路、積分電路示意圖

為了使仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)有個直觀的對比，在選擇元器件參數(shù)時應盡量選取與實驗裝置一樣的參數(shù)，所以在仿真前，教師應給學生提供實驗裝置的相關(guān)元器件的參數(shù)。

圖1 實驗平臺

1.積分電路：仿真積分電路，取R=10KΩ，C=0.01uF，組成如圖3(a)所示的積分電路。激勵源采用信號發(fā)生器輸出Um=3V、f=1KHz的方波信號，搭建積分電路，并通過示波器觀察響應變化情況。

圖3 積分電路仿真電路及結(jié)果

結(jié)合輸入波形和輸出波形對比可以發(fā)現(xiàn)，電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。電容先充電，為零狀態(tài)響應，后放電，為零輸入響應。

少量地改變電容值或電阻值，定性地觀察對響應的影響。

（1）電阻R不變，少量的減少電容C至2200pF，輸出波形變陡；

（2）電阻R不變，將電容0.01uF和3300pF都打開，由于2個電容是并聯(lián)關(guān)系，即少量增大電容C，輸出波形平緩；

（3）電容C不變，將電阻30K和10K都打開，由于2個電阻是并聯(lián)關(guān)系，即電阻R減小，輸出波形變陡；

（4）電容C不變，電阻R增大至30K，輸出波形變平緩。

2.微分電路：仿真微分電路，取C=0.01μF，R=100Ω，組成如圖4(a)所示的微分電路。激勵源采用信號發(fā)生器輸出Um=3V、f=1KHz的方波信號，搭建積分電路，并通過示波器觀察響應變化情況。

圖4 微分電路仿真電路及結(jié)果

為了更直觀的觀察輸出波形，這里把輸入波形接GND觸發(fā)，即不顯示輸入波形，可以觀察到響應是一個尖脈沖波形，符合微分電路情況。

增減R的值，定性地觀察對響應的影響。

（1）當電容C不變時，減小R至20Ω時，輸出波形變化不明顯；

（2）當電容C不變時，增大R至5KΩ時，輸出波形脈沖變得越來越明顯，當R增大至1MΩ時，輸出波形是接近于輸入的方波波形。

（三） 課上實驗

通過對理論知識的學習及軟件的仿真，對RC一階動態(tài)響應結(jié)果應有一個比較清晰的認識。首先，在實驗臺上選擇信號發(fā)生器作為激勵源，并調(diào)整輸出為Um=3V，f=1KHz的方波信號，然后分別搭建積分電路和微分電路，記錄相關(guān)波形數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 積分電路、微分電路輸出結(jié)果

通過積分電路與微分電路的課上搭建，可以發(fā)現(xiàn)積分電路和微分電路實驗結(jié)果與仿真時一致，從而一方面對原理進行了驗證，另一方面提高了動手能力。在實驗過程中，可以熟悉相關(guān)儀器的使用方法和技巧。當發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與仿真不一致時，可以主動去思考問題所在，從而解決問題，提高了獨立思考及解決問題的能力。

（四） 課后總結(jié)

學生做完實驗，首先，可以做一個深入的總結(jié)，對本實驗了解多少內(nèi)容，對有疑問的知識可以通過線下及線上的方式與老師進行溝通交流。其次，學生可以走進開放性實驗室，把有疑問的地方通過實驗去驗證一下，加深印象；同時，可以對相關(guān)知識進行發(fā)散，如RC二階動態(tài)響應等，并在課外完成相關(guān)實驗。最后，進行實驗報告的撰寫，實驗報告不僅僅是抄寫實驗指導書上的內(nèi)容，而是要通過自己的語言描繪出實驗的理論，并對實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果進行一個精確的分析，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性。對本實驗的總結(jié)如下：

（1）由于積分電路的條件是τ=RC＞＞T/2，當減小電阻R到一定值時，積分條件就不滿足，輸出就變成一條直線。

（2）由于微分電路的條件是τ=RC＜＜T/2，當增大電阻R到一定值時，積分條件就不滿足，輸出時越來越接近輸入的方波。

五 結(jié)語

通過對實驗模式的教學改革，本人及相關(guān)專業(yè)老師進行了深入調(diào)研及對比，發(fā)現(xiàn)實驗效果明顯，學生更愿意主動去思考問題及解決問題了。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)。