《電路實驗》課程教改探索

孫曼，宋黎明，沈燁，徐航，徐雪梅

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都）

《電路實驗》是與高等院校電專業入門基礎課程《電路原理》相關的一門實驗課程，學習目的在于加深學生對電路相關定理和方法的理解、掌握和運用。眾所周知，實驗是理論聯系實踐的重要環節，是將所學理論知識由淺層的理解到深層次的掌握應用的重要步驟。傳統的電路實驗集中于驗證性實驗，同時傳統實驗方式是在實驗室進行實物實驗，對實驗場地和儀器設備均有要求，隨著網絡、多媒體、電腦動畫以及各種電路仿真軟件等輔助教學工具的應用，驗證性實驗環節挑戰度低，內容重復，實驗手段單一，越來越難以吸引學生興趣。

“新工科”建設要求實驗課程不僅要加深學生對所學理論知識的理解，更重要的是通過啟發性、綜合性、設計型、應用型實驗，開啟學生思路，將所學的理論知識應用到工程實踐中，為培養“三創”（創新、創意、創業）人才打下基礎[1-4]。顯然傳統的電路實驗已經延續了十幾年時間不變，沒有有效地運用最新的科技前沿技術和相關軟件，不管是實驗內容還是實驗手段，都需要進行改進，緊跟“新工科”建設要求。

一 教改背景

我?！峨娐穼嶒灐氛n程主要包含以下8個基礎實驗內容：

1.元件伏安特性測試實驗，對電阻包括線性電路和非線性電阻（半導體二極管）測試其伏安關系，驗證歐姆定理。

2.疊加定理及戴維南定理驗證實驗，用一個簡單電路，驗證上述定理的正確性。

3.直流電路故障排查實驗，對給定直流故障電路排查故障，鍛煉對直流故障電路檢查、排障能力。

4.運算放大器電路實驗，用741芯片搭建電壓放大器，驗證輸入輸出關系，檢查學生對運放電路的掌握。

5.一階RC電路實驗，測試時間常識及動態過程的響應曲線。

6.日光燈電路及功率因數提高實驗，日光燈電路是感性電路，對其并聯電容可提高功率因數，實驗主要驗證并聯電容參數與功率因數提高的關系。

7.交流電路故障排查實驗，對給定交流故障電路排查故障，鍛煉對交流故障電路檢查、排障能力。

8.三相交流電路功率測量實驗，測量對稱、不對稱三相電路，驗證其線、相電壓、電流關系。

可以看出：除了交、直流電路故障排查實驗外，其余實驗基本上都屬于驗證型實驗，主要是對《電路原理》課程所學定理和方法進行實驗驗證。實驗方式延續了傳統的實驗方式即教師編寫實驗講義，指定實驗步驟，學生按既定步驟使用儀表進行測試，將測試數據填入實驗報告中，完成數據分析即為完成實驗。這些實驗內容和實驗方式已經延續了十幾年，在教學過程中，反映出諸多不足，總結傳統實驗的短處主要集中在以下幾個方面[5-7]。

1.實驗內容過于簡單并且重復。比如元件伏安特性測試實驗，其中關于線性電阻的測量及歐姆定理驗證，在中學物理剛開始學習電阻時，已經有類似實驗，在大學物理“電學”實驗里同樣開設有這個實驗，到電路實驗時，電阻的測量已經進行了至少3次了，學生覺得內容重復，缺乏吸引力，從而產生厭倦情緒。同樣的，疊加定理實驗，因為理論課老師在課堂上，從定理到證明，從理論到計算，利用動圖動畫和課件，講得非常透徹。在實驗室再來對一個簡單電路驗證疊加定理，對學生來說缺乏挑戰度，難以提高實驗課程對學生的吸引力。

2.實驗手段局限造成實驗有“漏洞”，達不到實驗目的。比如直流電路故障排查實驗，本來實驗開設的初衷是教會學生如何排查實際電路故障。為此，該實驗對于一個既定電路，針對不同的故障情況做了很多實驗板子。每個實驗小組領一塊板子自行測量。這個實驗是一個難得的有實際工程應用背景的實驗，應該說是一個非常好的實驗。但是在做板子的時候，考慮到電流表需要串聯接入各支路，各支路需要留出電流插孔，這就導致做成的電路板子并不是與實際電路一樣是用導線連起來的一個整體，而是“分離”的，需要學生先將電路及儀表連接后，再進行測試。學生做實驗時只要發現了這個“漏洞”，只需要對每條支路（總支路數8條）簡單測一下電阻即可找出故障電阻，與實際電路排障方法需要多點進行測試，然后還要進行計算，才能找出故障點相比，“走捷徑”簡單、快捷，省時省力，學生在發現此“捷徑”后，很難棄之不用。而目前還沒有更好的方法可以在實物實驗中避免此漏洞。

3.傳統實驗缺乏有效的預習手段。因為實驗場地及儀器設備臺套數限制，傳統實驗預習方式主要是要求學生自行觀看實驗講義，預先了解實驗內容。這種預習方式對于稍微復雜的實驗，起的作用不大。比如對于三相電路實驗，因為是強電實驗，為了安全考慮，每相電路安裝了保險絲，總閘處又裝了空氣開關，加了多重保險。實際實驗時，一堂實驗課有30個左右實驗小組，每個實驗小組燒掉保險絲少則2、3個，多的則達7、8個；同時幾乎每組都會燒掉做負載用的燈泡；空氣開關更是要跳閘十幾次。雖然從理論到實踐中間還需要有知識和經驗積累的過程，但是這么大的失誤率，反映了學生對實驗內容沒有有效的預習，對實驗內容不了解，出了錯誤之后也不知道找原因，造成反復燒保險或跳閘。經問卷調查，大部分學生對于電路實驗既不預習也不復習，實驗課照著教師講解按部就班完成數據測試，實驗完成后，對于實驗原理和實驗目的都知之甚少，基本上是被動地完成任務而不是主動學習。

綜上，我校電路實驗內容延續了十幾年甚至更長時間，實驗內容和手段已經跟不上“新工科”建設的要求，在學生中問卷調查發現，學生對實驗課程的不滿意率遠高于理論課程。對實驗進行教改的要求迫在眉睫。

二 教改歷史

從14年開始，課程組根據“新工科”建設要求，陸續對“電路實驗”進行教改，增加設計性環節，減少驗證性實驗。比如將電阻測量改為利用電阻串聯分壓、并聯分流原理的磁電式電壓表設計，將運算放大器電路實驗改為電壓（電流）放大器設計。但實際運行發現效果不好[5-7]：具體表現為設計性實驗絕大部分學生無法完成。究其原因，主要在于以下兩點：

1.由于實驗課時的限制，簡單刪除驗證性實驗，粗暴的替換為設計性環節，不可取。因為對于沒有任何工程經驗的大學低年級學生，才開始“電路”課程的學習，剛剛才學會對簡單電路進行計算，直接改驗證性實驗為設計性實驗，要求其設計一個電路，比如要求一個才開始學習吃飯的小孩去當廚師做飯，顯然難以完成。

2.沒有電路仿真軟件輔助，完全靠學生動手計算，即使是簡單電路，工作量也比較大。再加上學生如果沒有預習，在實驗室又無法查資料，要在既定的2、3個實驗學時內完成從設計到測試的過程非常困難。

三 教改探索

對于專業基礎實驗課程，如何在有限的課時內，既引入設計性環節，又考慮學生的水平和接受能力，使得絕大多數學生能夠完成該環節，“設計性”的程度如何選擇？總結以往教改經驗表明：設計性環節最好是理論課程已經學過內容的實際運用；不需要設計一個全新的電路?？紤]給出應用電路，學生只需根據要求設計電路參數。學生在“電路原理”課程已經學習了電路的相關計算分析方法，只是調節電路參數的話，是完全可以完成的。在設計環節中改變電路參數，可以利用電路仿真軟件實現。仿真相當于進行了虛擬實驗和實驗預習，彌補了實物實驗對場地和儀器設備的要求。

綜上，電路實驗課程主要從以下幾方面進行教改：

1.將過于簡單的驗證性實驗內容改為設計性環節。比如將電阻元件伏安關系測試實驗改為設計直流單電橋測試電阻或者是設計電路改變磁電式表頭電流（電壓）量限。這兩個設計中用到的直流單電橋電路和電阻分壓分流電路，在《電路原理》課程上學生已經學過。在這里學生只需選擇合適的電阻值完成電路設計要求即可。具體選擇什么參數合適？需要學生在預習環節，先進行計算或利用電路仿真軟件確定。到實驗室根據既定參數把實物電路搭建出來驗證仿真結果即可。同樣的將疊加定理驗證實驗改為電平移動器電路設計、將一階RC電路實驗改為定時器電路設計。這樣實驗具有一定的實際工程應用背景，學生知道實驗內容是有用的，能用在什么地方，做完會有一定成就感，提高對課程的學習興趣。

2.本身有“漏洞”的實驗和難度較大的強電實驗，均要求學生先進行仿真。比如交、直流電路故障排查實驗，利用仿真模擬典型故障情況下的測試。在實測時，將實測數據與仿真數據對比，得出故障詳情。電路仿真的虛擬實驗可以彌補實物實驗的“漏洞”，避免了學生“走捷徑”，達到電路排障訓練的目的。難度較大的強電實驗比如三相電路實驗，同樣要求學生先進行仿真，按照實驗步驟，先仿真進行虛擬實驗，這樣可以保證學生對實驗內容和方法都了解的情況下進入實驗，減少誤操作，提高實驗效率。

3.學生必須先提交對電路進行仿真及參數選擇的預習報告后才能進入實驗室完成實物實驗。預習報告在總成績中的占比提高到50%以上。電路仿真軟件的使用并不占用實驗學時，通過發布視頻或者使用說明文檔等方式供學生自學，也可以以課后作業的方式發布給學生，學生課后花一兩個學時即可掌握使用。同時在預習環節，學生可能遇到的問題都可以通過QQ或超星學習通的討論區發布，其他同學和教師均可參與討論[8-11]，理清思路。

經過21年春季學期試運行，反響效果比較好，主要表現在：（1）預習環節，提問的學生增多，代表學生在有效的預習，改變了以往學生實驗前不預習，也提不出問題，實驗過程中，問題一大堆的局面；（2）學生進行電路仿真后，再根據仿真的參數做實物實驗，大大縮短實物實驗的時間以及減少實驗耗材的浪費，說明大多數問題在預習環節已經解決了；（3）有工程應用背景的設計性環節的加入，開闊了學生眼界，所學理論知識與實踐聯系了起來，學生知道所學的知識能夠用在什么地方，做完實驗有較大的獲得感和成就感。

四 結語

對于才開始接觸電專業基礎知識的大學一年級學生，即便是簡單電路設計，由于學識、眼界、經驗和知識積累等原因，讓其獨立完成也非常困難。在前期教改中一味增加設計性環節，又缺乏良好的預習手段，要在2、3個實驗學時內完成從設計到測試一系列任務，絕大部分學生不能完成。電路實驗教改首先將具有實際工程應用背景的設計性實驗環節替換單純驗證性實驗，將所學理論知識與工程實際聯系起來，提高實驗挑戰度，同時設計性環節考慮實驗對象的接受程度，集中在電路參數的選擇上，以降低設計難度。其次利用電路仿真軟件，完成設計性環節，并實現實驗預習。從2021年春季學期開始，按照上述思路，部分替換了原電路實驗。比較明顯的效果在于：一方面能夠發現問題并提出問題的學生增多，另一方面因為設計性環節集中在預習階段，實物實驗時間縮短，不能在既定學時內完成實驗內容的現象基本上不再發生，很大程度上緩解了實驗場地和儀器設備的緊張，減輕了實驗教師的壓力。但考慮到本實驗教改方案僅運行一個學期，“虛擬實驗”部分代替了實物實驗，這種代替效果目前看來還可以，但還需在后續的教學工作中，根據學生反饋做出進一步調整，將實驗教改的工作繼續深化。