電路原理實驗中培養學生工程素養的策略研究

崔曉

【摘? ? 要】電路原理實驗是電子信息類專業學生在專業課學習階段最先接觸到的實驗課程，教師通過精心設計實驗項目和刻意引導，在培養學生的工程素養方面起著不可或缺的基礎性作用，體現在工程近似與折中觀念的實驗體驗、實驗測試方案的多樣性培養工程直覺能力、變通測試方法培養創新意識以及電路仿真培養工程安全意識。

【關鍵詞】工程素養? 電路原理? 實驗

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.108

與理科學生的“認識客觀世界”的培養目標相比，工科學生的職業發展決定著他們將要承擔“改造客觀世界”的任務，需要具備現場解決工程項目中的實際問題的能力。工程項目通常具有不確定性、非線性的特點，使得工程背景和現場條件的各不相同，沒有現成的經驗可循，這就需要培養的工科學生具備在復雜的實際問題中識別主要矛盾，化繁為簡地形成經濟可行的解決方案，在工程實踐中不斷完善自己的知識結構和經驗，形成良好的工程素養。

一、工程素養及其構成要素

工程素養是從事工程技術工作的工程師們所具備的基礎知識、基礎理論、基本技能。它的主要內容包括工程意識、工程知識、工程能力和工程倫理。調查表明，大學生的工程倫理水平最高，工程能力水平、工程知識的掌握程度也較高，工程意識最為薄弱。工程意識是工程人對工程造物活動的看法、態度和行為傾向，是他們對于自身社會角色及其價值、責任和理想的自我體驗和自覺反映。工程意識可以體現在創新意識、合作意識、安全意識、實踐意識、質量意識等方面。意識是行動的導向，在學習中有了工程意識，才會主動參與到工程實踐中，以合格工程師的標準來嚴格要求自己。對于工科專業的學生而言，工程素養需要在大學階段的學習中初步形成，在工作崗位的實踐中進一步養成。

二、電路原理實驗課的地位與學生表現現狀

電路原理課程一般安排在大二的第一學期，是電類專業工科學生接觸電類工程概念與工程分析方法所學的第一門電類專業課，是電類專業的技術基礎課程，不僅要完成電路原理自身的教學內容，還承載著培養興趣和奠定基礎的作用，為后續課程的學習奠定扎實的基礎。通過該門課程的學習，掌握一些基本的電路概念和定律等原理知識，理論學習內容較多;更要了解不同電路理論的應用條件和背景、電路模型的適用性及其對實際電路的影響，形成工程的概念和思維方法，如工程建模的方法、近似處理的方法、工程處理中的優化與折中等。作為與其配套的實驗教學，電路原理實驗課是電子信息類專業重要的實踐環節，它在學生的理論知識與工程知識間起著橋梁作用，是培養電類專業學生學科技術素質和工程素質的基礎，也是他們終身發展的基礎，該課程的教學質量直接關系到電類畢業生未來的工作和發展。

電類專業學生之前學習的數理知識偏重于培養在理想條件下的解題能力，具備較強的理科思維，在電路原理課程中表現為比較注重解題方法，認為會做題就達到了學科要求，實驗只是無關緊要的。對實驗認識的偏頗導致一些學生在實驗課程中表現不夠理想，如：1.態度上不夠重視，做實驗時應付了事;2.實驗技能不強，對常用儀器如電流表、示波器掌握不熟練;3.理論應用能力欠缺，不能熟練應用所學理論解決實驗問題。這些表現反映學生的工程意識薄弱，需要專業教師正確的引導和刻意強調。

三、電路原理實驗教學中培養學生工程素養的策略

作為獨立設置的實驗課，除了本身具有的理論聯系實際、培養學生的合作精神之外，經過教師精心設計的實驗項目和有意識的引導，在提升學生的工程觀念、工程能力和工程意識方面，將有著不可替代的作用。

（一）工程近似與工程折中的觀念

RLC串聯諧振電路的品質因數測量，教材中給出的品質因數定義是諧振時電感感抗（或電容容抗）與電阻R的比值。在實驗室測量時需考慮便捷度，通常是諧振時電感（或電容）的電壓與電阻電壓的比值。從理論定義到實驗測定，反映出理論與實踐的區別：1.表現在測試方法上;2.理論值與實際值的差別。按照實驗步驟，采用諧振時電感與電容電壓值相等的方法測出諧振頻率，根據標稱的元器件電阻和電感數值（電容值），由定義式計算品質因數，與測定品質因數相對比，測定值比理論值小，存在不小的誤差，此時學生會產生疑惑。教師可以提醒學生，公式適用的是理想元件，計算時只考慮了電阻的阻值，而測試時電感、信號源的阻值都是實際存在的，實際材料與理想材料有差別，元器件實物本身與元器件數學模型不同，正是這些隱蔽電阻的阻值導致了測量值與理論值的差異。

元器件的物理模型是對元器件的抽象，根據使用條件，抓住主要的本質特征，忽略非本質的次要因素。不可避免存在的工程誤差就是在工程操作中確保基本性能指標的前提下，做出的一種折中，這種誤差的存在具有合理性。模型表征元器件從嚴謹、周密、完美的理論思維向近似、受限、實用的工程思維的轉變。工程設計時應當預見到誤差的存在，并在參數上留出冗余，以確保項目整體的質量。

（二）測試方案多樣性培養工程直覺能力

戴維南定理是電路原理實驗中非常重要的內容之一，它是將任意有源一端口網絡等效為電壓源與電阻的串聯形式，電壓源電壓就是該一端口的開路電壓，電阻是一端口的無源等效電阻。實驗室中戴維南定理的測量方法有多種，可以讓不同分組的學生選用不同的測量方案，自選測試器材，通過實驗能得到幾乎相同的結果。在工程實踐中，一個任務的完成往往會有多種方案，這些方案之間并不是簡單的孰優孰劣的差別，而是實現條件的不同。工程教育就是要培養學生具備工程直覺能力，在工程現場復雜的環境中，能夠在眾多的解決方案中快速找出兼顧質量和成本的最佳方案處理工程問題，實現工程目標。

（三）變通思維培養工程創新意識

創新意識的培養包含在創造性的解決實驗中遇到的問題、靈活處理實驗過程中具體問題的能力。在電路原理實驗中，電流與電壓的測量方法不同，電流的測量需要將被測電路斷開因而會顯得比較麻煩，但電流測量是不可避免的。固定電路的實驗設備配有測電流的專用線，其原則是通過專用線斷開內部電路，而后在斷開處通過電流表連接起來。隨著實驗耗損的增加，專用線可能出現故障導致實驗無法測量。此時，引導學生自己動手，采取將測試電路兩端斷開的方法，使原來的電路變成必須經過電流表的通路，以此達到測量被測支路的電流的目的。

這種通過變通思維解決問題的能力，近可以遷移到在做電路實驗時遇到器件故障時，學生首先想到的不是放棄，而是積極尋求替代方案以完成實驗任務;遠則可變成一種內在的精神，在學習和工作中遇到困難和問題，能夠迎難而上，主動尋找解決問題的方法和思路，直至攻克難關。工程的實際問題總是存在著不確定性和不可預知性，學生實驗中也會遇到新穎的問題，善于利用這樣的機會培養學生隨機應變的能力，比實驗結果本身更具有意義。

（四）仿真實驗培養工程安全意識

在工程實踐中，安全可靠性關乎工程設備的安全和人身安全，工程師們應當具備安全無小事的意識，不做無謂的嘗試。隨著信息技術與課程教學的融合，在電路原理實驗中引入計算機仿真以完成電路設計、功能驗證等工作，為真實實驗提供依據。在電路實驗中，當無法確信實驗是否安全無誤時，可以通過仿真觀察實驗結果，定性或者定量分析不同結果的產生原因，合理設定實驗內容，以確保實物實驗取得成功。

三相交流星形連接方式有兩種，即帶中線的三相四線制和不帶中線的三相三線制。對于三相四線制，由于中線的存在，負載無論是均衡的或是不均衡的，其工作方式不受影響，都可以正常工作;三相三線制在均衡負載時正常工作，當負載不均衡時將發生負載中性點偏移，造成三相負載的電壓不對稱，其結果是負載輕的由于相電壓過高被毀，負載重的由于相電壓過低不能正常工作。一些教師在教學中只安排做三相四線制的所有實驗，對于三相三線制只做均衡負載，非均衡負載則不做實驗，直接告訴學生實驗結果，以達到保護實驗設備的目的。

在實驗室安排這個實驗時，由于是強電，為避免燒壞實驗設備同時保護學生，要求學生先通過Multisim仿真觀察結果，而后在仿真結果的基礎上，降低源端電壓，再在實驗室實驗。將非均衡負載的仿真與實際電路相結合，借助于虛擬仿真技術的優點，既完成所有的實驗，也達到培養學生的安全意識的目的。

四、結束語

作為電路原理課程的重要實踐環節，電路原理實驗是學生在專業課學習階段最先接觸到的實踐性課程，在該課程的教學中有意識的培養學生的工程觀念、能力和意識，有助于他們在后續的專業課程中重視實踐，掌握扎實的專業知識，具備良好的專業素養，為將來成為優秀的工程師奠定基礎?！净痦椖浚亨嵵輲煼秾W院本科教學改革研究項目（重點）：應用轉型背景下的師范院校非師專業人才培養模式的探究（編號：JXGG-20842）。】

參考文獻

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