基于口袋實驗平臺的電路分析自主實驗教學研究

彭文竹,王 敏,王 欽,楊 璐

(集美大學誠毅學院，福建 廈門 361021)

0 引言

電路分析基礎實驗是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎實踐課程[1]，為適應集美大學誠毅學院電子信息實驗教學示范中心和福建省本科高校重大教育教學改革項目對新工科自主創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，從2018年開始，課程教學團隊對該門課程進行了一系列的教學改革與實踐，取得了一定的成效。經(jīng)過三年來的實驗課程教學實踐，總結電路分析實驗存在有以下問題：(a)實驗課程教學模式及內容較為單一，實驗以實驗教師為主體，學生習慣在教師的指導下進行相關實驗，自主學習、自主動手能力不夠；(b)儀器設備及電路模型已經(jīng)固定，學生只需進行簡單連線，并完成相關表格測試，對元器件及電路不熟悉，缺少自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)；(c)實驗場所已經(jīng)固定，學生只能在固定、有限時間內進行相關實驗學習；(d)自主學習資源較少，實驗內容較為基礎，缺少設計性、綜合性設計項目，難以進行自主創(chuàng)新能力的鍛煉；(e)實驗課時有限，工程應用綜合能力項目設計需要較多的時間，僅限于課堂，沒有充分利用學生課堂之外的時間進行綜合能力的培養(yǎng)。

國內許多高校在電路分析實驗教學中也存在相同不足，很多學者經(jīng)過教學改革研究普遍采用仿真實驗作為實驗教學的有效補充[2-6]，該方法在一定程度上能夠提高學生的實驗分析能力，但較難從本質上改變學生的實驗設計思維，較難實現(xiàn)學生的自主創(chuàng)新實驗設計并適應新工科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

圖1 電路分析實驗內容項目結構設計Fig.1 Structure Design of Circuit Analysis Experiment content

為此，我校進行一系列新型模式實驗實踐教學改革，采用翻轉課堂教學模式，以學生自主學習、自主設計、搭線、測試為主要目的，在實驗教學中引入口袋實驗教學模塊，結合超星學習通網(wǎng)絡學習平臺、雨課堂、實驗教學預約系統(tǒng)，采用虛實結合的自主教學模式，有效鍛煉學生動手能力、分析問題及解決問題能力。根據(jù)實驗教學、學科競賽及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目要求，開展相應驗證性、設計性及綜合性實驗實踐項目，錄制并提供相關實驗視頻等教學資源，學生根據(jù)任務要求自主完成實驗預習、實驗仿真測試、實物搭建、實物測試等過程。

本文總結多年來的實驗實踐教學經(jīng)驗，主要闡述電路分析自主實驗教學方法以及基于NI myDAQ自主實驗教學平臺的實驗過程，結合教學內容，詳細介紹虛實結合自主實驗教學平臺的使用方法。

1 電路分析自主實驗教學設計及創(chuàng)新實驗平臺構成

1.1 電路分析自主實驗教學設計

1.1.1 實驗教學內容設計

電路分析自主實驗采用虛實結合、自主創(chuàng)新模式進行。所謂的 “虛”表示虛擬仿真教學軟件和口袋虛擬儀器測試設備，“實”表示真實的電路器件；自主創(chuàng)新以學生為主、教師為輔，以課堂之外為主要學習時間場所，學生只要一臺電腦和一套口袋實驗設備便可以在宿舍、教室等任何地方進行實驗創(chuàng)新實踐。根據(jù)培養(yǎng)目標要求，制定如圖1所示實驗內容項目結構設計。

表1 電路分析實驗課程教學內容及教學模式

1.1.2 自主實驗教學與課程思政的有效融合

電路分析基礎實驗是面向我校電子信息、自動化、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等工科類專業(yè)的基礎實驗課程，在課程實驗中引入課程思政，落實思政教育，可以幫助學生樹立社會主義核心價值觀，在學生自主實驗調試、故障分析過程中，培養(yǎng)其刻苦鉆研的學習精神。電路分析自主實驗以學生自主學習任課老師發(fā)布的實驗教學視頻、實驗教學課件等資源為主，因此在實驗教學視頻實驗講授中融入課程思政元素，掌握實驗課和思政教育之間的緊密關聯(lián)，結合思政、人文及職業(yè)素養(yǎng)，加強新工科人才培養(yǎng)價值的作用。如在運算放大電路的線性實驗中，需要使用到集成運放OP07芯片，因此可以向學生講授國內外集成運算放大器的發(fā)展歷程，并由此過渡到中美芯片之戰(zhàn)事件，培養(yǎng)學生科技強國意識。

1.1.3 創(chuàng)新團隊協(xié)作教學模式，樹立學生環(huán)保意識

電路分析實驗采用虛實結合、自主創(chuàng)新實驗教學模式進行。課程實驗項目內容采用層次化遞進模式，在實驗教學中引入新器件、新內容，構成以學科競賽為依托，提升學生實踐能力和創(chuàng)新意識，建立了多層次“虛實結合、多徑發(fā)展”實驗教學體系及教學資源。在實驗中，基礎驗證性、設計性實驗以學生個人完成相應實驗任務，結合學科競賽的綜合設計性任務將根據(jù)競賽要求2～3人為一小組，采用階段性設計、調試方式，充分培養(yǎng)學生團隊協(xié)作精神，增強學生合作意識。

學生自主實驗時需采用面包板進行電路搭建，實驗電路會使用到較多的電阻、電容、二極管、穩(wěn)壓管、集成芯片及面包板導線等實驗元件。每次實驗結束學生需對能夠二次實驗使用的元器件進行回收按類存放，對于電阻、面包板導線等較難二次實驗利用的元器件，將采用統(tǒng)一回收，無法使用的將根據(jù)垃圾分類要求進行統(tǒng)一投放，能夠使用的屆時作為學生焊接實訓課程中焊接練習使用器材，杜絕元器件隨意丟棄及浪費現(xiàn)象，做好元器件循環(huán)使用工作，樹立節(jié)約環(huán)保意識。

1.1.4 自主實驗流程設計

學生進行電路分析實驗采用開放式創(chuàng)新教學方法，根據(jù)實驗教師發(fā)布任務要求，以自主實驗完成項目的設計、仿真、實物搭建、調試和故障分析等過程，并根據(jù)自主預習情況預約開放實驗室，到教室中和同學、老師進行最后的結果論證、答疑及設計討論，最后完成項目實驗的整個過程。通過學生的自主開放式學習，采用翻轉課堂教學方法，虛實結合，改變傳統(tǒng)實驗模式，將實驗自主權交予學生，以有效鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，并提高其創(chuàng)新設計能力。具體實驗流程如圖2所示。

圖2 電路分析自主實驗流程設計Fig.2 Design of Flow for Independent Circuit Analysis Experiment

1.2 電路分析自主實驗教學創(chuàng)新平臺構成

電路分析口袋實驗平臺的軟硬件主要由計算機、NI myDAQ虛擬儀器、配套面包板、實驗相關開放元器件等組成，結合學習通網(wǎng)絡學習平臺、實驗教學預約平臺構成完整的教學平臺。NI myDAQ數(shù)據(jù)采集設備，包含數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、波特圖分析儀、任意波形發(fā)生器、動態(tài)信號分析儀(快速傅里葉變換)、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出等8個基于計算機的通用實驗室儀器[7-8]。NI myDAQ結合面包板模塊可以實現(xiàn)在傳統(tǒng)課堂外進行基礎理論驗證、專業(yè)原理仿真和綜合設計項目開發(fā)，用于電子電路實驗等課程教學和課外創(chuàng)新實踐。如圖3所示為我校電路分析自主創(chuàng)新實驗實踐教學平臺構成示意圖。

圖3 電路分析自主實驗創(chuàng)新教學平臺結構Fig.3 Structure Diagram of Independent Circuit Analysis Experiment Teaching Platform

電路分析口袋實驗平臺中使用的NI myDAQ虛擬儀器設備包含有±15V電源、+5V電源、模擬信號輸入輸出I/O等信號，通過螺栓端子將信號引出。為方便學生實驗接線，采用配套面包板，通過接口轉換，將NI myDAQ信號轉換至面包板，學生可直接通過面包板上的信號進行接線測試。NI myDAQ轉換至面包板上具體信號接口示意圖如圖4所示。

圖4 NI myDAQ信號轉換至面包板接口示意圖Fig.4 Schematic Diagram of NI MyDAQ Signal Conversion to Bread Board

2 電路分析自主創(chuàng)新口袋實驗平臺應用

電路分析口袋實驗平臺的應用需要結合計算機、虛擬儀器模塊、配套面包板及相應元器件等軟硬件設備，還需要有相應層次的實驗設計項目，不能僅限于驗證性實驗測試。為鍛煉學生自主創(chuàng)新設計能力，結合電子信息類學科競賽及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目要求，設計制定相應遞進式實驗教學設計項目計劃。

現(xiàn)以電路分析綜合設計項目“航海模擬器實驗室室內溫度檢測電路的實現(xiàn)”為例，全面闡述該口袋實驗平臺的具體應用。該實驗項目，教師通過雨課堂和超星學習通平臺發(fā)布具體設計任務要求及相關學習資源，學生根據(jù)教師指導，查閱相關資料，自主完成相關任務電路設計、仿真、實物驗證、調試及故障排除等過程。

2.1 實驗任務背景及設計要求

我校航海模擬器實驗室擁有國內第一家360度視景的航海模擬器，該模擬器在運行時需保持實驗室室內溫度相對恒定，因此需安裝溫度檢測系統(tǒng)對所設定的溫度進行監(jiān)測控制。本次電路分析設計項目以此為任務背景，通過運算放大器組成的基準電壓電橋電路實現(xiàn)對航海模擬器實驗室室內溫度的檢測[9-10]。

實驗室室內溫度的檢測一般采用熱敏電阻進行，但為了實驗方便，學生可采用電位器模擬溫度變化所引起的熱敏電阻阻值的變化。本設計任務要求如下：

(a)采用3種不同顏色發(fā)光二極管指示溫度情況，分別代表實驗室室內溫度正常、溫度過低和溫度過高情況。

(b)模擬熱敏電阻的電位器阻值小于222Ω時，表示室內溫度過高，此時紅色發(fā)光二極管點亮；當模擬熱敏電阻的電位器大于837Ω時，表示溫度過低，藍色二極管亮，綠色二極管熄滅；其他為溫度正常情況，綠色二極管點亮。允許電位器阻值、運放基準電壓值誤差在±5%之內。

(c)需根據(jù)此設計要求，采用運算放大器組成的基準電壓電橋電路原理進行項目設計、參數(shù)估算，并進行仿真模擬，最后在口袋實驗平臺中搭建實物電路，進行相應要求測試。

2.2 項目設計分析

本設計項目為溫度檢測判斷電路，判斷溫度過高、溫度正常及溫度過低三種情況，并根據(jù)溫度情況，點亮對應指示燈。題目設計中要求采用運放基準電壓電橋電路原理進行設計，基準電壓電路比較器原理圖如圖5所示。

圖5 基準電壓比較電路原理Fig.5 Schematic Diagram of Reference Voltage Comparison Circuit

圖6 航海模擬器實驗室室內溫度檢測電路設計框Fig.6 Design Diagram of Temperature Detection Circuit in the Laboratory of Marine Simulator

根據(jù)設計分析，該溫度檢測電路包含有溫度正常、溫度過高和溫度過低三種情況，因此，可畫出該電路的設計框圖如圖6所示。其中實驗室室內溫度基準檢測電路采用三個集成運放，構成對應的溫度正常、溫度過高和溫度過低檢測電路對室內溫度情況進行判斷；溫度處理電路可采用555基準電路，并結合溫度指示電路對前面溫度檢測結果進行判斷，并給出相應處理。

2.3 項目設計仿真

項目通過Multisim14軟件進行仿真測試，采用Multisim中的NI myDAQ design模板進行仿真測試，測試時使用NI myDAQ儀器進行測試，以便后續(xù)學生在進行實物連接時對相應測試接口及儀器更加熟悉。Multisim仿真時，基準電壓檢測電路采用UA741芯片，處理電路采用三極管2N222A和555基準電路。具體電路完整仿真圖如圖7所示，對電路中基準電路外圍電阻進行調整測試，以符合設計要求。圖中為當實驗室室內溫度過低時情況，此時藍色發(fā)光二極管指示燈常亮。表2所示為確定電路參數(shù)后，所測量電路數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)情況，所仿真設計電路符合設計要求。

圖7 航海模擬器實驗室室內溫度檢測電路整體仿真Fig.7 Temperature Detection Circuit Simulation in the Laboratory of Marine Simulator

2.4 項目設計實物搭建與調試

項目經(jīng)過分析、設計、仿真調試等過程后，學生可通過實驗室分發(fā)的NI myDAQ口袋實驗平臺、配套面包板及實驗室開放元器件進行實物自主搭建、測試和故障排除。

本設計中電壓基準電路共有三個，采用LM324三運放芯片基準電壓電路進行實驗電路進行連接測試更為簡便。如果采用OP07運放進行實驗電路搭建時，由于NI myDAQ所提供電源為用計算機提供，其驅動能力較弱，無法同時驅動三片芯片同時工作，可采用三端穩(wěn)壓芯片7815和7915實現(xiàn)電源信號[10]。通過調節(jié)電位器模擬實驗室室內熱敏電阻變化所引起的電阻值變化情況。采用口袋實驗平臺搭建整體電路實物圖如圖8所示。圖9所示為用NI myDAQ測量LM324運放基準電壓數(shù)值示意圖。同時測量在溫度過高、溫度正常和溫度過低三種情況下，對應電位器臨界電阻數(shù)值，具體測量結果如表3所示。

圖8 溫度檢測電路口袋實驗平臺電路搭建實物圖Fig.8 Physical Diagram of Temperature Detection Circuit by the Pocket Experiment Platform

表2 仿真電路參數(shù)測試表

(a)UA-基準電壓 (b)UB+基準電壓 (c)UC+基準電壓

表3 口袋實驗平臺實物電路參數(shù)測試表

通過口袋實驗平臺對航海模擬器溫度檢測電路進行實物連接測量，電路功能和仿真結果、設計要求一致，能夠有效檢測實驗室室內溫度過高、溫度正常和溫度過低三種情況，并進行相應提示。參數(shù)測量因為碳膜電阻、電位器等本身存在誤差，因此所測量的運放基準電壓、三種溫度狀態(tài)改變對應電位器指示數(shù)值和理論要求會存在一定誤差，但誤差均在允許范圍之內，測量結果符合設計要求。

3 結語

本文闡述一種基于口袋實驗平臺的電路分析自主實驗教學方法，通過該平臺，學生不再受限于實驗室、特定實驗設備進行實驗設計。實驗時學生通過超星學習通網(wǎng)絡平臺進行實驗項目任務領取、預習和理論分析；通過Multisim仿真平臺中的NI myDAQ設計模板進行仿真電路連接、測試驗證；通過使用口袋實驗實物平臺，能夠自主進行電路接線綜合設計，更加有效的熟悉各種實驗器件、接線方法、測試方法、故障分析等過程。

以航海模擬器實驗室室內溫度檢測電路設計為實驗案例，分析學生如何實現(xiàn)自主實驗學習、設計以及口袋實驗平臺使用的一系列過程。該口袋實驗平臺已在集美大學誠毅學院2018-2020級電子信息類專業(yè)實驗教學中進行了實踐，實驗任課教師在課程開始前將該平臺模塊分發(fā)到學生手中，并開放虛擬儀器電子電路創(chuàng)新綜合實驗室，學生可自助領取相關實驗器件，實現(xiàn)電路分析實驗的自主開放式教學。通過實踐教學論證，該平臺在電路分析自主實驗教學中能夠提高學生自主分析、創(chuàng)新和動手實踐能力，學生實驗水平和動手能力大幅提高，實驗教學效果良好。