網絡教學模式下“電工電子”實驗教學探索

周玉宏

(武警海警學院 基礎部， 浙江 寧波 315801)

0 引言

在疫情防控期間，教育部建議廣大師生在家利用網絡平臺進行學習，做到“停課不停學，學習不延期”[1]。“電工電子”課程是一門重要的專業基礎課，具有抽象的理論和較強的實踐性?！半姽る娮印睂嶒炇菍碚撝R的驗證，具有很強的綜合性、應用性和實踐性，涉及的知識面較寬，不僅與理論知識聯系緊密，還涉及到一些儀器儀表的使用和其他的電學相關知識，操作要求嚴格規范，且實驗過程當中出現的現象復雜多變，故障率較高。一般來講，在實踐課中的很多知識在理論課上并未涉及到，所以“電工電子”實驗教學在整個“電工電子”教學中是必要的，也是關鍵的。實驗課的教學是對理論教學的鞏固和促進，因為疫情的原因，學生只能待在家里學習，不能到實驗室來進行實地操作，學生家里一般不具備實驗條件，不能有效解決硬件問題，所以有必要采用一些方法來盡可能達到實驗教學的目的。電工電子仿真軟件已經取得了長足的發展，許多軟件可以很好地仿真電工電子相關的實驗，我們可以通過仿真的方式達到驗證的目的。網絡技術與軟件技術的結合，為實驗教學提供了新的平臺，通過網絡教學，同樣能達到實驗教學的目的。

1 網絡教學平臺的搭建

網絡教學平臺采用“互聯網+釘釘+PowerPoint+仿真軟件”的模式。教師端需要一臺連接互聯網的電腦，并安裝釘釘、PowerPoint和仿真軟件。學生端只需一臺能上網的電腦或一部能上網的智能手機，電腦和手機端安裝釘釘和仿真軟件。

互聯網的發展，4G和5G技術的普及，使得互聯網已經完全能滿足實時地、流暢地傳輸圖片、文字、音頻、視頻等信息的需要。釘釘(DingTalk)是阿里巴巴集團專為中國企業打造的免費溝通和協同的多端平臺，提供了PC版，Web版，Mac版和手機版，可以支持手機和電腦間文件互傳，提供在線教學的功能。在疫情期間，釘釘改進了在線教學功能，線上教學過程中可以使用簽到、會議、直播、家校本功能，可以實現屏幕共享直播，方便教師展示PowerPoint和視頻，可實時連麥進行提問和交流，還可以進行直播視頻回放，便于請假和網絡不好的學生回看補課。

目前，電工電子仿真相關的軟件主要有EveryCircuit，iCircuit，CircuitWizard，Proteus，Multisim等。EveryCircuit以及iCircuit兩款軟件可以直接安裝在手機上，也可以在電腦上通過瀏覽器使用，還可以通過在電腦上安裝Android模擬器，然后再在模擬器上安裝使用。CircuitWizard，Proteus和Multisim三款軟件只能在電腦上安裝使用。這五款軟件都可以仿真電路、模電和數電中的大部分原件和芯片，Proteus和Multisim還可以仿真單片機電路。EveryCircuit，iCircuit，CircuitWizard三款軟件相對操作界面直觀，并且能實時顯示電流的流動，并顯示電流、電位的大小，適用于初學者。建議使用EveryCircuit，學生只需一臺智能手機就可以安裝使用該軟件，該軟件操作簡單，界面友好，可實時調節元器件參數。

2 教學設計

網絡實驗教學目標是在幫助學生鞏固和加深對已學知識理解的同時，學會用仿真軟件分析和設計電路，獲得實驗方法和技能的基本訓練，培養和提高分析和解決問題的能力，養成良好的科學素質，為今后的學習和工作奠定良好的實驗基礎。

教學要求：要求教師上課前調試好網絡和相關軟件，并針對仿真過程中可能出現的各種情況給出解釋和相應的解決預案。要求學生能夠熟練使用仿真軟件，會調用元器件，會使用虛擬儀表，會觀察波形；在每次課上課前熟悉該實驗相關理論知識，了解電路原理；能夠主動加強與教師的溝通，有問題及時反饋；能夠按時上交作業。

整個教學過程基于網絡平臺。首先參考學校實驗課教學方案，根據實驗課教學大綱，將實物接線的實驗模式轉換為用軟件虛擬仿真的形式，制定詳細的網絡教學計劃、方案；其次，教師按照正常上課時間(約90分鐘)，先進行實驗指導，講解電路原理和注意事項(約20分鐘)，然后由學生利用仿真軟件進行電路連接、實驗驗證、測量分析(約50分鐘)，最后學生進行數據處理，對相關結果和結論以圖片(仿真軟件截圖)或文字形式通過釘釘上交(約20分鐘)，最后教師評閱，打分。教學流程如圖1所示。

圖1 網絡實驗課的教學流程

3 網課的具體實施

3.1 網絡實驗課的前期準備

學生安裝并熟悉仿真軟件的操作，利用網絡資源進行相關實驗理論知識的學習，為仿真實驗前期做準備。在目前的“電工電子”實驗教學中，普遍存在實驗內容陳舊，實驗資源缺乏，元器件更新滯后，理論教學和實踐教學脫節等問題，而仿真軟件可以彌補這些不足。網絡上資源相對豐富[2]，具有大量的電工電子相關的音頻、視頻、圖片以及文字等資料。教師利用網絡上的優質資源，把握科技前沿，精心編寫教案，制作教學課件，將實驗中的原理、步驟、重點、難點、注意點等知識編寫入多媒體課件中。學生通過網絡平臺學習實驗相關知識，例如嗶哩嗶哩，中國大學MOOC網，西瓜視頻等，重點是對元氣件特性以及電路的原理進行了解掌握。

以直流穩壓電源實驗為例，該實驗是將電壓為220 V、頻率為50 Hz的正弦交流電轉換為穩定的直流電(一般為5 V)，學生在前期應該著重了解變壓器、二極管、電解電容、穩壓管等元氣件的特性，了解變壓、整流、濾波和穩壓等模塊的電路構成及原理。

3.2 實驗指導

教師通過“釘釘”用視頻的方式對學生進行仿真演示和實驗指導。實驗指導可以有三種方式，一是從網絡上查找合適的視頻；二是教師可以提前在實驗室錄制好教學視頻，配以講解；三是如果條件允許，教師在實驗室對實驗進行現場直播，邊講解邊和學生進行互動，這一方式可作為仿真教學的補充。由于電工電子實驗涉及到很多儀器儀表的使用，所以第三種效果最好，但是需要提前配置好帶網絡的電腦和高清攝像頭。

在直流穩壓實驗中，教師通過仿真軟件逐步搭建變壓、整流、濾波和穩壓電路，利用虛擬電壓表、虛擬電流表、虛擬示波器展示要點的測量和電壓波形的觀測，講解電路的原理，并給學生布置實驗任務，要求學生逐步搭建電路，并針對不同的電容、負載電阻以及限流電阻觀測輸出波形。

3.3 學生利用仿真軟件驗證

學生根據實驗電路，在仿真界面內正確選擇電子元器件，合理選擇參數，按照實驗規定的要求連接電路，進行仿真實驗。通過電壓表、電流表、示波器測量待測信號，觀察電路中出現的各種故障和問題，分析并解決。學生在試驗過程中如果出現問題不能解決，可通過“釘釘”求助教師進行解決。仿真完畢，學生將測量的數據和觀測到的波形以拍照或截圖的形式發送給教師，如圖2所示。圖2是用EveryCircuit軟件對直流穩壓電源的仿真截圖，上面的曲線是顯示的濾波后的電壓波形。該軟件操作簡單，只需點擊相應的虛擬電壓表或導線，就可以很方便地觀測各處電壓(電位)、電流的大小以及輸出波形。

3.4 實驗的考核

考核作為一種約束、監督和激勵和評價手段在網絡實驗課的教學過程中是必不可少的。對一般的實驗采用預習30分，電路的搭建和仿真50分(主要考察仿真電路的正確性、參數的合理性、仿真波形和數據的優劣)，數據分析和處理20分。而對以問題引導型的實驗，突出問題的解決能力，可增加問題分析的分值。對任務教學法對應的實驗應突出電路搭建和仿真的分值，以驗收情況給分。最后，將所有實驗取平均值即可作為一期實驗的考核分。

3.5 完成實驗的其他形式

如果條件允許，可以用“口袋實驗室”來完成實驗。所謂“口袋實驗室”是借助一些體積小、價格低、攜帶方便、功能豐富的實驗實訓設備，通過給學生免費租借或鼓勵學生自行購買等方式，為學生建立一種分布式的實驗實訓環境[3]。通過面包板、面包板插線、常用元器件包、電池盒和測量用的萬用表，即可仿真大部分電路和電子技術的基本實驗?？诖鼘嶒炇矣欣谂囵B學生的自主學習能力、實踐操作能力和創新能力，為后續工程應用奠定堅實基礎。

圖2 直流穩壓電源的仿真

4 多種教學模式

“電工電子”實驗，有些是驗證型實驗，有些是綜合型實驗。教師在實驗授課過程中，應該根據實驗內容、類型的不同，適當調整教學模式，以達到最好的教學效果。

4.1 以問題為導向的啟發式教學

傳統的實驗教學過程中，學生根據教師的講解和實驗指導書上所列步驟，逐步完成實驗，在實驗過程中，思考分析問題較少，特別是缺乏自主思考[4]，往往電路中出現故障時感覺無從下手，很受挫折。采用啟發式教學方法，教師可以打破常規，以電路中出現的問題為引子，讓學生通過分析問題，進一步了解電路，解決問題，最終完成實驗。例如在用EveryCircuit軟件進行三極管放大電路實驗時，教師先給學生一個錯誤的參數，導致電路產生失真，學生分析失真原因，最終調到合理的參數，完成實驗。

4.2 以任務為驅動的任務教學

以任務為驅動的任務教學法可以實現“以教師為中心”向“以學生為中心的轉換”[5]，“以課本為導向”向“以問題為導向”的轉換，充分調動學生的積極性，發揮學生主觀能動性。該方法由教師提出任務，學生通過自主查詢相關知識并自主學習，探求解決問題的辦法，最終設計電路，完成任務。在此過程中，教師參與、跟蹤指導。例如將手機充電器、多級放大器、濾波器、比較器等典型電路的設計融入實驗任務中，使學生能夠理論和實踐相結合，提升綜合能力。實驗報告要求包括：方案論證和比較、理論分析和計算、電路圖、仿真結果、出現問題的分析。

5 結語

當前，我國大部分師生已經重返課堂，恢復常態學習，但疫情反復，可能還會有其他因素也會影響到正常課堂教學。通過網絡進行實驗課的教學具有一定的局限性，通過網絡進行實驗教學的模式和手段還需要進一步補充和完善，但其已然成為“電工電子”教學中不可或缺的教學方法。目前的仿真軟件還有一定的不足之處，在網絡教學下，還需要元器件參數更加接近實際、處理更加智能化、以3D模型顯示、虛擬儀表外觀更接近實物、采用 VR/AR、增強現實等技術，能使參與者沉浸到三維動態視景環境中的仿真軟件。