虛實(shí)結(jié)合的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐

吳 屏， 楊 靜， 姜倩倩， 王亞男

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心， 廣東 深圳 518000)

0 引言

電路實(shí)驗(yàn)是電氣、電子、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，它把抽象的理論演繹于感性層面，并注重理論指導(dǎo)下實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。根據(jù)《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中要求，全面實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”“深化教學(xué)改革，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”，這都得要求我們?cè)谌瞬排囵B(yǎng)上，改變“分散、低效、落后”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，深度整合利用各類現(xiàn)代化資源，探索一條新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)的道路[1～3]。

我校電路實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)教師，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，進(jìn)行了如下實(shí)踐教學(xué)改革：①增加遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和管理系統(tǒng)，虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建跨越空間、時(shí)間以及平臺(tái)資源共享的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境；②迭代更新仿真類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加入前沿科學(xué)技術(shù)，開發(fā)多種創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)；③將傳統(tǒng)實(shí)操實(shí)驗(yàn)，梳理知識(shí)點(diǎn)，整合項(xiàng)目，制作成慕課視頻，可供學(xué)生利用平時(shí)碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)；④實(shí)操實(shí)驗(yàn)，部分涉及關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用實(shí)操教學(xué)，“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”，可面對(duì)面檢驗(yàn)線上實(shí)驗(yàn)的效果；⑤直播上課，線上指導(dǎo)教學(xué)，線上平臺(tái)互動(dòng)交流的方式，使得學(xué)生們有高級(jí)的體驗(yàn)感，教學(xué)更加高效便利。通過這些信息化的手段，建立起“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)-虛擬仿真-綜合拓展”的新型的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和綜合素養(yǎng)[4～6]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式

傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)課程，集中在實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)排課的時(shí)間地點(diǎn)，老師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性，場(chǎng)地的限制也制約了好學(xué)生的高需求，實(shí)驗(yàn)課程雖激發(fā)了學(xué)生動(dòng)手興趣，但沒有提供有效的學(xué)習(xí)資源、平臺(tái)和條件，讓學(xué)生進(jìn)行拓展和加深。

虛實(shí)結(jié)合的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)、信息化的手段，建立起“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)-虛擬仿真-綜合拓展”的新型的教學(xué)模式，如圖1所示，讓學(xué)生可以“有網(wǎng)在手，動(dòng)手不愁”“想學(xué)就學(xué)，學(xué)的漂亮”，利用多元化的教學(xué)工具和平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)操實(shí)驗(yàn)，線上線下互動(dòng)探討等，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的自主性開發(fā)設(shè)計(jì)能力[7～8]。

圖1 虛實(shí)結(jié)合電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式框圖

虛實(shí)結(jié)合后，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式靈活多變，可分為線下實(shí)操教學(xué)、線上教學(xué)或兩者結(jié)合。而線上教學(xué)可以包含有線上直播實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)、學(xué)生開放自主學(xué)習(xí)或兩者結(jié)合。上課形式可分為：實(shí)驗(yàn)預(yù)約式、排課講解式、自由開放式。教師們可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)、知識(shí)體系結(jié)構(gòu)和后續(xù)課程的需求，多方位研究進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，挑選最適合學(xué)生的方式進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生的課程認(rèn)同感和實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感。在我校，“電路實(shí)驗(yàn)Ⅰ”“電路實(shí)驗(yàn)Ⅱ”“電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”中電路部分，這三門實(shí)驗(yàn)課程面向不同的年級(jí)，不同的專業(yè)，課程所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)的形式也是不盡相同的[9]。圖2為學(xué)生使用云桌面進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；圖3為教師使用QQ桌面共享解決學(xué)生問題；圖4為教師使用QQ群進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)。

圖2 學(xué)生使用云桌面進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 教師使用QQ遠(yuǎn)程共享解決學(xué)生問題

圖4 教師通過QQ群進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

1.2 在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由“實(shí)驗(yàn)在線共享系統(tǒng)”和“ELF-BOX”在線實(shí)驗(yàn)硬件組成，它打破了時(shí)空限制，可進(jìn)行“實(shí)景實(shí)驗(yàn)”。

它的主要功能為：把實(shí)驗(yàn)使用的元器件實(shí)物和真實(shí)測(cè)量設(shè)備部署在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上；學(xué)生在電腦安裝客戶端軟件后，登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在電腦上搭建實(shí)驗(yàn)電路、調(diào)整電路參數(shù)、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在搭建電路、調(diào)節(jié)參數(shù)、設(shè)備測(cè)試操作時(shí)，都與遠(yuǎn)方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物器件和設(shè)備操作達(dá)成一一映射，并能通過攝像頭觀測(cè)真實(shí)的設(shè)備測(cè)試，由此，獲得與實(shí)境實(shí)驗(yàn)一樣的操控訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)體感。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠感知物理器件和真實(shí)電路布線等引入的偏差，比虛擬仿真更進(jìn)一步，和真實(shí)實(shí)操環(huán)境近似，有利于發(fā)掘工程實(shí)際問題，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)架圖，如圖5所示。

圖5 在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)架圖

實(shí)驗(yàn)中心在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部署如圖6所示，圖中筆記本電腦模擬學(xué)生端，使用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行登錄客戶端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。操作界面可使用攝像頭觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的設(shè)備測(cè)試的實(shí)時(shí)情況，給學(xué)生實(shí)驗(yàn)身臨其境的感覺，提高網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感，減少線上和線下的差異。圖7為在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)客戶端操作界面，分為器件區(qū)、畫布區(qū)、信號(hào)源、示波器等控制臺(tái)，攝像頭等，同學(xué)們可以調(diào)取實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將器件拾取到畫布上，連線，設(shè)置好輸入輸出設(shè)備，下發(fā)電路和設(shè)備設(shè)置，即可在控制臺(tái)界面或者攝像頭中觀察到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，教師可以通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定，來獲取學(xué)生真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的設(shè)備數(shù)據(jù)，隨時(shí)掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的真實(shí)情況，反饋到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和教學(xué)中。

圖6 實(shí)驗(yàn)室中遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)景

教師們?cè)诠芾硐到y(tǒng)中設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，上傳指導(dǎo)書、原理圖等教學(xué)文件，設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)電壓或者波形數(shù)據(jù)等，學(xué)生可通過客戶端下載學(xué)習(xí)資料，自主學(xué)習(xí)，并能記錄數(shù)據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師們可通過后臺(tái)數(shù)據(jù)分析出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，包括：常見問題，實(shí)驗(yàn)操作情況，知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，每位學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)長等等。這些數(shù)據(jù)可以幫助教師們更新迭代實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，調(diào)整自己的課件，讓教學(xué)過程更加高效，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖8為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本過程圖[10～11]。

圖7 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)客戶端操作界面

圖8 程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本過程圖

目前，在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含電路實(shí)驗(yàn)中弱電部分的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比如：直流電路定理實(shí)驗(yàn)、RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)、RC選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、RC一階電路響應(yīng)，RLC二階電路響應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。教師們可以選擇線下排課，線上通過QQ群直播、騰訊課堂直播以及騰訊會(huì)議等方式，和學(xué)生進(jìn)行交流探討，同時(shí)，教師可以在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)平臺(tái)裝置設(shè)備上反饋的學(xué)生問題，在課堂上針對(duì)性講解輔導(dǎo)，這樣利用線上工具加強(qiáng)了教師和學(xué)生的聯(lián)系，使得實(shí)驗(yàn)問題的溝通更加高效，彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交流性的不足。除此，教師們也可采用學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)的方式，展開自主開放式實(shí)驗(yàn)。

在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)雖然有各種好處，也存有一些弊端，比如實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的電子開關(guān)存在一定的電阻和電感，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要考慮到電子開關(guān)寄生的電阻和電感對(duì)實(shí)驗(yàn)線路的影響，進(jìn)而可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論。所以，在進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，需要揚(yáng)長避短，課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要各類實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合來達(dá)到最終的培養(yǎng)目標(biāo)。

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是電路實(shí)驗(yàn)中常有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一方面電路分析課程中有許多不容易實(shí)體化的原理和抽象的概念，使用虛擬仿真的模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生理解通透；另一方面，虛擬仿真也常用于課程預(yù)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)物實(shí)操的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有初步的判斷分析，更有利于實(shí)操實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解和分析；此外，由于仿真的靈活性，拓展性，教師們也常將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合仿真的結(jié)果，再進(jìn)行實(shí)際電路的調(diào)試驗(yàn)證，既調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，又能提高學(xué)生的自主研學(xué)能力[12]。

根據(jù)學(xué)生的知識(shí)能力結(jié)構(gòu)以及后續(xù)課程要求，我們課程使用了兩款仿真軟件平臺(tái)：LTspice和Cadence，分別配備在單機(jī)版和云桌面平臺(tái)上。學(xué)生可以線下實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，也可以通過筆記本、pad等終端經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)訪問云桌面平臺(tái)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如圖9所示，單機(jī)與網(wǎng)絡(luò)云結(jié)合，使虛擬仿真隨行在手，仿真設(shè)計(jì)與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)操相互輔佐配合，提高學(xué)生的工程開發(fā)能力。

圖9 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

LTspice是一款高性能SPICE仿真軟件、原理圖采集和波形查看器，集成增強(qiáng)功能和模型，簡(jiǎn)化了模擬電路的仿真，簡(jiǎn)潔的圖形化界面，應(yīng)用便利，SPICE模型資源豐富，非常適合電路原理、設(shè)計(jì)應(yīng)用的仿真，便于本科低年級(jí)學(xué)生上手入門。Cadence軟件涵蓋了電子設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，功能驗(yàn)證，IC綜合及布局布線，模擬、混合信號(hào)及射頻IC設(shè)計(jì)，全定制集成電路設(shè)計(jì)，IC物理驗(yàn)證，PCB設(shè)計(jì)和硬件仿真建模等，對(duì)于電類學(xué)生后續(xù)的課程的延續(xù)和專業(yè)方向的發(fā)展具有鋪墊的意義，適合本科高年級(jí)或者電類專業(yè)學(xué)生。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含：正弦電路仿真分析、動(dòng)態(tài)電路時(shí)域分析、非線性電路分析、均勻傳輸線分析、有源濾波和無源濾波電路、受控源特性、電路定理研究設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、溫度控制與報(bào)警設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。虛擬仿真軟件的應(yīng)用，能夠幫助低年級(jí)的本科生理解抽象的理論概念；通過仿真預(yù)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)物實(shí)操的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有判斷、理解和分析思考；對(duì)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仿真軟件的應(yīng)用幫助學(xué)生一步步設(shè)計(jì)電路，構(gòu)建電路，融合貫通各個(gè)電路理論知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用和設(shè)計(jì)能力，并和實(shí)操實(shí)驗(yàn)形成一個(gè)小的設(shè)計(jì)項(xiàng)目閉環(huán)，提高自主學(xué)習(xí)興趣和能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

依托實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)、中國大學(xué)MOOC平臺(tái)，在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)建立起課程的多種教學(xué)資源平臺(tái)，主要包括：多媒體授課課件、實(shí)驗(yàn)實(shí)操慕課、實(shí)驗(yàn)設(shè)備慕課、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)視頻、虛擬仿真軟件操作視頻、課程教材、考試題庫建設(shè)等。

在教學(xué)內(nèi)容上，兼顧線下和線上實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，將知識(shí)點(diǎn)分解成模塊化的教學(xué)資源，根據(jù)難易程度、知識(shí)的關(guān)聯(lián)程度、應(yīng)用的綜合程度進(jìn)行分層次的教學(xué)資源建設(shè)，逐步建立起體系化的課程資源。教師們可根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)、課程目標(biāo)，后續(xù)課程需求進(jìn)行教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容的積木化自由搭配，構(gòu)建起自己特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

3 結(jié)語

疫情期間，我校在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和公司合作管理，對(duì)社會(huì)開放運(yùn)行服務(wù)，幫助了天津大學(xué)、海南大學(xué)等多所高校的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐表明，在傳統(tǒng)的實(shí)操實(shí)驗(yàn)中，加入現(xiàn)代先進(jìn)科技，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建跨越空間、時(shí)間以及平臺(tái)資源共享的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，建立“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)-虛擬仿真-綜合拓展”的新型電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建起“層次化”“模塊化”“體系化”的課程教學(xué)資源，有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實(shí)踐能力、信息化應(yīng)用能力以及自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣，打造高端應(yīng)用型工程技術(shù)人才。