虛實結合的電路實驗教學建設與應用

摘要：電路實驗內容過于復雜，如果依舊堅持傳統的實地實驗教學模式，對學生知識遷移能力的形成沒有過多益處。電路實驗教學應該在教育改革深化推進的背景下，加強信息技術在實驗教學活動中的應用程度，將線上教育和線下教學相結合，建立跨越時間、空間與平臺資源共享的環境，根據技術發展路線，開發仿真類實驗項目。學校應該根據學生能力培養需求與課程教育要求，建立囊括直播上課、慕課預習、虛擬仿真、遠程實驗等方式的教學模式，科學地應用現代技術，促使學生可以良好地參與到課程活動中，從中得到良好訓練，擁有夯實理論基礎同時，也具備較強的動手操作能力。

關鍵詞：虛擬仿真 在線實驗教學平臺 線下操作應用 電路實驗教學

中圖分類號：G642.423文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

電路實驗對自動化、電子、電氣等專業而言均有不小的作用，為此類專業基礎實驗課程，與理論知識抽象的呈現方式不同，將課程內容以實際操作的方式呈現出來，注重學生創新能力的培養、實驗技能的訓練。我國院校在國家提出最新人才發展規劃方案后，需要深化推進教學改革工程與教學質量工程，完成教育教學改革任務，提高實踐操作方面的比重，關注人才培養工作，重新梳理教學內容，改進課程教育模式，加強對各類資源統籌管理力度，設計更加科學、有效的實驗活動方案，可以強化學生對專業知識的應用能力，更好地完成各類實驗任務，形成較強的動手操作能力。

1實驗教學模式

實驗系列的教師按照國家在專業人才培養方面提出的要求，深入分析過往的教學模式，發現影響教育工作的因素，借助信息技術與網絡技術，調整電路實驗方面的教育資源，推進課程教育改革工作，提高電路實踐教育的有效性。實驗教師團隊需要獲得院校在資金方面的支持，增設遠程實驗管理系統和實驗項目，將線上教育和線下教學相結合，建立跨越時間、空間與平臺資源共享的環境，為實驗教學良好開展提供條件;在電路實驗教學中引入前沿學科知識和技術，根據技術發展路線，開發仿真類實驗項目。仿真類實驗項目會從學科知識、教學要求與技術持有情況等層面入手，創新多種綜合性、設計性、創新性的實驗;研究傳統實操類實驗項目，梳理實驗項目中的知識點，科學地編排知識點并將其制作成慕課，上傳至網絡學習平臺。學生可以利用閑暇時間觀看慕課，合理應用碎片化時間，增加對課程內容的了解程度;對于強電實驗項目，為了提高學生對相關知識的應用能力，一般會選擇實操活動，幫助學生掌握技能技術的應用方式。對于電路實驗教學，選擇虛實結合的方式，在網絡、信息等技術應用環節，不能僅從技術引入程度層面考量，還需要設計實操教學方案。將線上和線下活動結合起來，通過面對面的方式檢驗線上實驗活動效果。選擇線下指導、直播上課與線上平臺互動交流的方法，讓學生從中獲得高級體驗感，為電路實驗教學提供便利條件。在電路實驗教學中，信息化技術的應用，應該圍繞學生能力培養需求進行設計，通過直播上課、慕課預習、虛擬仿真、遠程實驗等新構建的教學模式，強化學生實踐動手能力，對學生綜合素養提升有一定的促進作用[1]。

1.1實驗教學形式

在電路實驗課程教學沒有引入信息技術前，在實驗室中推進教育工作，根據排課地點和時間方面的要求，給予學生合理的指導，讓學生在實驗活動中實踐理論課學習的知識。過往將電路實驗課程集中在實驗室的教學模式，規定實驗課程時間，雖然對學生能力與素養培養也有一定的促進作用，但是受到場地的限制，很難滿足學生能力培養的需求，學生在實地實驗課程中，會產生參與實驗活動的興趣。然而，該種教學模式無法為學生提供有效的平臺、學習資源、學習條件，對學生能力延拓會形成一定阻礙[2]。

選擇信息化教育手段引導學生學習，讓學生在實驗教學活動參與環節，在產生實踐興趣的前提下動手。教師圍繞電路實驗教學內容和教學要求，引入慕課、直播、遠程教學、虛擬仿真與綜合拓展等方式，從學生能力培養角度出發，按照預習、課上學習、探究與能力培養的邏輯線，關注學生能力與素養培育工作，希望通過以信息化為主的教育手段，借助新型教育模式，給予學生合理指導。在網絡信息平臺與多元化教育工具的輔助下，可以豐富電路實驗課程內容，激發學生參與實驗活動的興趣。選擇囊括慕課、直播、遠程教學、虛擬仿真與綜合拓展等方式的新型教育模式，讓學生在電路實驗課程參與時，不會受到時間與空間的束縛，激發學生參與課程活動興趣同時，對學生自主性開發設計能力的形成也有促進作用[3]。

在電路實驗教學中選擇虛實結合的手段，提高實驗教學方式的靈活性，給予學生合理的指導，促使學生快速掌握課程內容。學生開放自主學習、線上直播實驗指導為線上教學常采用的方式，也可以將兩種方式結合起來，引導學生參與到學習活動中。排課講解式、實驗預約式、自由開放式為上課常采用的形式，教師可以按照學生學習基礎、對專業知識的理解速度、專業特點、后續課程需求等元素，從多個角度出發設計教學方案，基于學生視角挑選最適合學生的方案，靈活地使用教學方法，提高學生對電路實驗課程的體驗感和認同感。電工電子學實驗、電路理論實驗為不同的課程，兩門課程教育對象不同。因此，在教學方案設計與方式選擇方面，需要根據學生所處的年級與教學任務，設計對應的教學方案并確定教學方法，給予學生合理的指導。學生在遠程實驗中，可以按照界面提出的任務，通過計算機操作完成虛擬仿真實驗任務。教師在學生完成相關任務后，會共享桌面，為學生演示任務執行的全過程，幫助學生掌握虛擬仿真任務的關鍵點，讓學生更好地理解虛擬仿真實驗涉及的知識，對學生實踐應用能力的形成有一定的促進作用。教師在遠程實驗教學中，同時可以借助QQ或釘釘指導學生，與學生溝通，快速了解學生對本次實驗仍存在的疑惑，解答學生的困惑[4]。

1.2在線遠程實驗

電路實驗教學從學生能力培養角度出發，積極推進在線遠程實驗平臺建設工作，使用Multisim、Proteus、實驗在線共享系統等相關線上平臺，圍繞電路實驗教學要求，進行“實景實驗”。Multisim、Proteus、實驗在線共享系統為電路實驗在線遠程平臺建設的關鍵，其擁有將真實測量設備部署與元器件實物轉移到實驗平臺的能力。在線遠程實驗平臺在部署與建設期間，還會從學生實踐能力培養角度進行設計，盡可能簡化系統登錄模塊的繁雜性，學生可以通過計算機建立實驗電路，按照實驗任務要求給出電路參數并進行參數調整的工作，測量實驗結果并進行實驗驗證設計，整理實驗階段出現的現象，最終得到實驗結論。進行電路搭建、參數調節、設備測試操作等活動時，應該保證設備操作與遠方現場實物器件為一一對應的關系。在線遠程實驗可以通過攝像頭觀察設備測試的全過程，獲得與實地實驗活動相同的實驗感覺。借助在線遠程實驗，對學生操控儀器設備能力的強化有一定的效果，也可以讓學生感受到真實電路布線與物理器件等引入的偏差，該情境與真實情境較為相似，對學生解決工程實際問題有一定的益處。學生通過在線遠程實驗，逐漸養成敏銳的觀察力，基于理論課程所學的知識，快速發現實驗中存在的問題并進行解決。利用Multisim、Proteus、實驗在線共享系統等軟硬件，為學生搭建在線遠程實驗情景，學生依托網絡與計算機設備，可以獲得真實參與實驗的感覺，同時在活動中形成提出問題、探究問題與解決問題的能力[5]。

電路實驗教學為構建可以完成在線遠程實驗任務的場所，在實驗中心建立遠程實驗平臺，學生可以登錄客戶端并按照實驗任務操作設備。學生在操作中，攝像頭設備起到不小的作用——觀測現場，同時在操作界面掌握實驗的實時情況，讓學生在活動中獲得身臨其境的感覺，縮小親自動手實驗和線上實驗的落差感，合理應用網絡信息技術，為學生創造良好的實驗環境。在線遠程實驗平臺客戶端，在顯示界面處涵蓋畫布區、器件區、示波器與信號源等模塊，學生可以按照自身需求進行控制，由此控制攝像頭與實驗臺等設備。學生參與到遠程實驗活動后，會調取實驗指導書，按照其中的指示與要求實驗，將器件轉移到畫布處，選擇連線等方式，調整輸入與輸出設備，設置下發設備與電路。經過相關操作后，可以在控制臺界面處觀察到實驗進行情況，最后掌握實驗結果。教師在監測點設定方面，監測點的選擇需要按照一定的原則進行，核心目的在于獲取真實實驗設備數據，比較學生實驗活動獲得的數據與真實設備數據，反映學生在實驗學習活動中的情況，將相關信息反饋到實驗指導與教學領域[6]。

電路實驗教學對應的在線遠程實驗模式，其管理系統將會影響到遠程實驗活動的開展效果。在管理系統中應該增設與教學相關的實驗項目，上傳原理圖、指導書等教學文件，設置實驗監測活動需要的波形數據、關鍵點電壓等。學生依托客戶端便可以從平臺中下載資料學習。在管理系統中學習電路實驗中的知識，系統會自動記錄實驗數據，還可以保證記錄數據的可靠性與真實性，憑借相關數據快速完成實驗報告。依托在線遠程實驗平臺推進實驗活動，教師可以通過后臺了解實驗活動的開展情況，分析學生在實驗中出現的問題，研究學生在實驗操作中不規范的行為等。教師利用平臺管理系統中的數據，可以分析學生在實驗活動中的表現，對教師更新實驗項目、完善課件內容有一定的益處。教師在教學活動開展期間，需要合理應用在線管理系統分析學生實驗活動數據，整理學生普遍存在的問題并進行重點突破。教師在電路實踐活動設計方面，需要適當調整教學課件，由此可以讓學生更積極地參與到實驗活動中，學生在興趣驅動下，結合掌握的信息，通過計算機操控實驗活動任務[7]。

弱電驗證性實驗為在線遠程實驗項目包含的主要內容，比如基爾霍夫定律實驗、疊加原理實驗、戴維南定理實驗、RLC串聯諧振電路實驗、RC選頻網絡實驗、直流電路定理實驗、RLC二階電路響應實驗、RC一階電路響應等等。教師會選擇線上與線下相結合的方法，線下排課并在線上以騰訊課堂直播、QQ群直播、騰訊會議、釘釘直播等方式推進實驗教學。教師在線上拋出一個問題，讓學生圍繞問題進行研討與探究。教師確定實驗內容后，利用網絡進行遠程控制，關注平臺反饋的信息，研究學生在實驗活動中存在的問題，給予針對性輔導，細致剖析問題，選擇線上與線下相結合的方式，便于教師掌握學生的學習情況，還可以加強師生間的聯系，讓實驗問題的溝通與交流可以高效進行，解決遠程線上教育方式，在話題探究方面存在的交流不便捷問題。教師設置在線遠程實驗項目，還可以為學生推出預約實驗的方法，提高相關實驗的開放性與自主性[8]。

在線遠程實驗以信息技術、網絡技術為基礎，解決空間與時間對電路實驗教學的限制，但是也存在一定的弊端。比如，實驗平臺應用一定量的電子開關，其存在電感與電阻，會對實驗線路產生一定影響。電路實驗設計時，需要研究電感與電阻對實驗線路形成的影響，致使實驗結論不能反映實際情況。因此，在遠程實驗項目設計環節，需要發現實驗存在的優點和缺點，設計課程內容需要將知識點串聯起來，以教學目標為核心，將各類實驗統籌在一起，發揮課程在學生能力培養方面的效果，讓學生通過實驗活動掌握理論方面的知識，同時形成較強的實踐能力[9]。

1.3虛擬仿真實驗

在電路實驗項目中虛擬仿真實驗較為常見，基于仿真技術設計課程模式，將難以實體化的抽象概念與知識點原理，依托虛擬仿真技術建立真實度較高的模型，利用該模型參與實驗，對學生理解該知識點有一定的益處。在電路實驗活動中使用仿真技術，對學生預習課程知識有一定的促進作用，學生對實驗實操現象進行初步判斷，便于學生圍繞現象進行深入分析，由此從活動中掌握更多知識。仿真技術應用在電路實驗教學中，依托技術具備的拓展性與靈活性，提高課程設計方案內容的有效性，提高課程對學生實際操作能力的培養效果。教師在方案設計方面，也經常選擇綜合性實驗與設計性實驗為仿真實驗，根據后續課程要求與學生知識能力結構的實際情況，設計仿真軟件并將Multisim、Proteus分別配備在云桌面和平臺單機版處。學生可以選擇線下實驗室與線上實驗相互配合，在此情況下推進教學工作，可以提高實驗教學的有效性。將網絡云和單機有機地結合起來，同時調整線下實操方案和遠程實驗內容，在兩者相互配合下，可以強化學生工程開發方面的能力。

Multisim、Proteus涵蓋IC綜合及布局布線、系統級設計、功能驗證、混合信號、射頻IC設計、模擬、IC物理驗證、PCB設計、全定制集成電路設計、硬件仿真建模等電子設計的全部流程，對電類學生專業方向發展與課程延續均有良好的作用，適合電類專業與高年級學生;Proteus是一款擁有原理圖采集、仿真軟件的模型，擁有更為簡潔的圖形化界面，可以提高相關圖形利用的便捷性。受控源特性、動態電路時域分析、正弦電路仿真分析、均勻傳輸線分析、非線性電路分析、電路定理研究設計性實驗、溫度控制、有源濾波、無源濾波電路與報警設計實驗為虛擬仿真實驗包含的主要內容。

虛擬仿真技術應用在電路實驗教學中，將抽象、復雜的理論知識轉變為立體、直觀的模型，便于學生理解電路實驗理論概念，學生可以結合實物實操現象進行判斷，分析相關內容，從現象中梳理知識點。將仿真技術應用到電路實驗活動中，同時從學生能力培養角度提出綜合性與設計性兼備的實驗項目，借助仿真軟件引導學生學習，幫助學生了解電路設計方面的內容，仿真軟件應用到電路實驗教學中，豐富實踐活動內容，強化學生設計能力與對知識綜合運用的能力。在實驗操作項目設計方面，需要將各電路理論知識有機地聯系起來，形成閉環的項目體系，通過信息化技術手段豐富實驗活動內容，激發學生參與實驗課堂活動的積極性，學生在活動參與中，學習能力也可以得到有效的鍛煉[10]。

2實驗教學資源建設

2.1建設要點

電路實驗教學模式在建設中，按照人才能力培養要求，建立中國大學MOOC平臺、Proteus虛擬仿真實訓平臺、實踐教育中心實驗管理中心、在線遠程實驗平臺系統，建立囊括實驗實操慕課、多媒體授課課件、遠程實驗視頻、課程教材、虛擬仿真軟件操作視頻與考試題庫建設等。創新實踐教育中心與實驗管理系統，基于電路實驗教學對學生動手能力培養需求設計，在教學內容設計方面，應該梳理線上和線下實驗特點，將知識點按照一定指標劃分為多個部分，在教學資源建設方面，需要按照知識關聯程度、知識難易程度、知識綜合應用程度設置模塊化教學資源，構建擁有鮮明系統性的課程資源。教師在教學內容配置、教學方式選擇方面，需要基于課程目標、學生特點與后續課程需求，靈活地搭配模塊化資源，編制具備鮮明特色的實驗教學方案[11]。

2.2注意事項

電路實驗資源建設也成為電路實驗教學模式改革的重點，學校需要關注在線管理平臺的使用情況，及時發現管理平臺存在的問題，調整系統參數配置方案，提高在線平臺系統運行的流暢性，可以更好地推進課程教學工作。基于虛實結合需求設計電路實驗教學模式，直播上課、慕課預習、虛擬仿真、遠程實驗等活動的設計較為關鍵，需要不斷完善教育資源數據平臺，豐富平臺中的數據內容，同時推進資源管理庫和相關平臺的管理與維護工作，及時解決網絡平臺與系統在運行中遇到的問題，為電路實驗教學提供資源支持。建立包含直播上課、慕課預習、虛擬仿真、遠程實驗等內容的教學模式，需要定期整合后臺數據，評估新教學模式的應用情況，修改教學模式并調整在線實驗教學的管理模塊，提高平臺與系統在教學方面的有效性。

3結語

電路實驗教學活動在教學方面存在較大難度，為了順利推進教學工作，完成實驗教學在學生能力培養方面的任務，電路實驗的教師團隊，需要合理應用信息化教學手段，建立囊括慕課、遠程教學、仿真實驗的新型教育模式，給予學生合理、科學的指導，促使學生可以良好地參與到學習活動中。電路實驗教學在傳統教學方法的基礎上，與網絡技術、信息等現代技術相互結合，可以構建跨越時間、空間的教學環境，還可以最大程度地利用教學資源。借助體系化、模塊化與層次化的課程教學資源，夯實學生在電路實驗方面的知識基礎，對學生專業實踐能力、創新能力和對系信息技術應用能力均有不錯的培訓作用。

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作者簡介：王貝（1987—），女，碩士，實驗師，研究方向為電子電路基礎。