“新工科”背景下電路測試實驗平臺改造及實踐

吳葛，鄧春花，尹仕，馮學玲

（華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢）

一 引言

“新工科”理論是教育部為應對新一輪的科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展等國家戰略而提出的新一輪的工程教育改革，其培養的人才應該能夠為國家的戰略任務提供服務[1]。“新工科”人才培養的目標邏輯中，人才素質的復合是前提，創新是關鍵，工程是要旨，智能是趨勢。在“新工科”人才培養的過程邏輯中，跨界培養是其核心特征。知識操作上要堅持理論與實踐的跨界[2]。實踐教學作為人才培養的重要環節，在培養學生的創新精神、實踐能力和綜合素質等方面有其獨特的作用[3]。所以，“新工科”理念的提出給相關專業的實踐教學開展帶來了困難與挑戰。

《電路測試技術基礎》課程是電氣工程及自動化、水利水電工程、光電信息科學與工程、電子科學與技術、微電子學工程、集成電路設計與集成系統、電子信息工程、通信工程、生物醫學工程及測控技術與儀器等專業的一門重要的專業基礎實驗課程，是電氣與能源動力類專業必修的主干核心課，它服務于《電路理論》課程，幫助學生掌握電路電子技術基礎知識及其運用，并通過工程性和功能性相結合的實踐研究環節，培養學生積極思考、主動學習、自主動手和獨立解決復雜工程問題的研究能力和創新意識。

傳統《電路測試技術基礎》實驗教學以驗證性實驗為主，主要培養學生動手實踐能力；而在“新工科”教育背景下，課程更加注重學生獨立思考能力，運用所學知識、先進自動化技術和通過查閱搜集相關文獻，設計有創新性的多種實驗方案，并能夠解決具有一定復雜性的工程問題。傳統的電工實驗臺已經不滿足需求，本文從我校“電路測試技術基礎”教學現狀出發，提出基于“新工科”背景下電路測試實驗平臺改造方案，在此基礎上對實驗課程內容進行完善，實現分層次的教學。

二 現有電路測試教學中存在的問題

（一） 當前實驗臺存在的問題

目前我校《電路測試技術基礎》課程，采用的是于2012年自主研制的電工學實驗平臺，存在以下問題：

1.電氣安全及裝置陳舊問題

電路實驗包含直流和交流實驗，接線口如圖1所示，由于面板接線柱不統一，為了防止學生觸電，采用帶有彈片保護接線端子，但是保護套多次插拔之后容易松動，實驗過程中易彈出，考慮到強電實驗的危險性，必須高度重視安全問題[4]。另外，實驗臺由于年限較長，并且每年承擔的教學任務較重，部分元器件已老化且裝置器件陳舊，不利于學生順利開展實驗。

圖1 直流、交流實驗面板

2.實驗模塊的固化

現有設備主要完成驗證性的實驗，模塊固定，無法進行綜合設計型的實驗；采用封閉式掛箱，學生無法接觸到實際的元器件，無法建立對實際元件的認知，更談不上進行綜合設計實驗，無法提高學生的實驗技能和實踐能力，也限制了學生的想象力以及創新能力的培養和提高。

3.實驗空間受限

現有實驗臺與市面電工實驗臺類似，臺面過高，占用空間大，不利于課前集中講授，在進行中需要合作的綜合性項目時，不方便交流，不利于學生團隊合作能力的培養；實驗臺不方便移動，實驗室空間復用率不高，只能作為專用實驗室。

（二） 當前實驗教學中存在的問題

1.實驗內容偏驗證性

從實驗項目的類型來看，目前開設的實驗主要分為三個單元，直流單元、交流單元以及動態單元[5]。基本都是驗證性實驗，綜合性和設計性不強，實驗項目單一化嚴重，很難激發學生的興趣與熱情，調動學生的學習主動性，這在一定程度上影響了課程的效果。

2.教學模式單一

現有的實驗模式依舊是學生課前預習，課中教師講解實驗原理、實驗內容以及注意事項，學生根據老師的講解連線，觀察實驗現象，記錄實驗數據。該模式雖然對掌握電路理論有一定的幫助，但是對學生大腦的訓練始終不夠，不利于學生工程設計能力的提高。

三 電路測試實驗臺改造思路

（一） 消除隱患，保障用電安全

一方面要對學生進行安全用電教育，培養學生的安全用電意識，掌握用電基本規律，規范學生的實驗操作[6]。另一方面增強實驗裝置安全性[7]。

1.統一接口

將所有強弱電模塊接線柱統一，換用帶硬質保護套的導線，保證接線安全的同時，便于學生實驗。

2.新增電源保護

實驗臺電源模塊是通過交流接觸器控制通斷。主回路由一個接觸器控制整個實驗臺，三相電源單獨一個接觸器控制。在三相電路交流接觸器的輔助電路中新增一塊限流保護模塊，該模塊通過檢測線路中的感應電流進行比較，控制保護板上的繼電器的通斷，進而控制三相電路交流接觸器的輔助電路，通過電磁線圈產生的機械動作帶動觸頭接通或斷開[8-11]，實現三相電模塊回路的通斷控制。

3.遠程控制

在電源模塊的主電路的接觸器的輔助回路中串聯網絡控制設備，與實驗室信息化管理系統結合，通過遠程監測網絡中控制設備以及實驗臺實驗情況，實現智能控制電源關斷。

（二） 元件可視化，模塊可拓展

1.專有實驗模塊可視化

將現有實驗臺集成化、封閉化的掛箱進行再設計，專有實驗進行融合，模塊設計成可視化面板，如圖2所示。讓學生在進行實驗的同時增強元器件的認知，同時便于教師及時發現問題進行維修。

圖2 可視化實驗模塊

2.通用實驗、創新實驗模塊可擴展

在提供部分專用實驗模塊的同時，引入九孔板（主要用于大功率電阻、電容以及設計模塊）、面包板，如圖3所示。結合虛擬儀器NI-myDAQ，能夠靈活搭建各種實驗電路，并能夠滿足多種形式的創新實踐需求，激發學生的學習興趣，鍛煉學生的創新性思維，提高學生的電路設計能力和團隊協作能力。

圖3 可擴展實驗模塊

（三） 實驗臺機架式設計

減小體積，合理布局，將實驗臺改造成機架式，儀器設備固定，實驗面板以及擴展元器件收納于車內，增強可移動性，在滿足《電路測試基礎》實驗的基礎上，更好地提高實驗室空間的復用率。

四 實驗內容的完善

基于改造后的電路測試實驗臺以及現有教學中存在的問題，對實驗項目及內容進行了重新設計，分為虛擬仿真實驗以及真實電路實驗。其中真實電路實驗分為3個層次進行教學，即基礎驗證性實驗、設計性實驗以及虛實結合的綜合性實驗。基礎驗證性實驗以及設計性實驗，要求學生一人一組獨立完成，虛實結合的綜合性實驗2～3人一組完成實驗。

（一） 仿真實驗

主要有三個仿真實驗，在課外完成。包括“線性有源一端口網絡等效參數測量”“二階電路的響應”“日光燈電路與功率因數提高”，學生通過學習課程組錄制的慕課來進行Multisim仿真軟件的學習，完成仿真實驗。引入仿真實驗，不僅可以打破傳統實驗受時間和空間的限制，而且經過仿真，學生在線下實操時對實驗中出現的現象能夠更加了解，實驗的目的性更加明確，縮短了實驗時間，提高了實驗效率[12]。另外，可以培養學生運用計算機分析和解決電路設計的能力，同時激發學生的學習興趣，為后續的課程打下堅實的基礎。

（二） 基礎驗證性實驗

基礎驗證性實驗主要是安排在課程前期，學生通過微課視頻掌握電路基本物理量的測量方法，實驗數據處理，實驗結果誤差分析，熟練掌握常用元器件的識別方法；通過課堂老師講解和演示，以及“直流穩壓穩流源的使用以及特性曲線的測試”實驗的完成來熟悉實驗室各種儀器設備的使用；通過“故障檢查”實驗，來幫助學生掌握基本電路問題的排查與測試，為后面實驗打下基礎。

（三） 設計性實驗

設計性實驗主要采用的教學模式是與課前仿真實驗相結合的形式。基本思路是通過課前發布的任務指標，學生根據指標，自行完成電路的參數設計，并且利用Multisim仿真軟件分析驗證參數的有效性以及實驗現象；課中，學生根據老師的原理講解，檢視設計的電路是否正確，修正完善最終電路方案，選擇合適的元器件，并且在九孔板上搭建電路進行調試，完成實驗，將實驗數據與課前仿真結果對比，分析正確性。

設計性實驗的教學模式，要求學生根據指標依次進行電路設計、參數選型、仿真驗證、電路再設計、再驗證，確定最終的設計方案并進行電路實踐。通過這一個完整電路設計的過程訓練，幫助學生為后期的科研訓練和將來工作中建立電路設計的思維習慣以及行為習慣。

（四） 虛實結合的綜合性實驗

綜合性實驗采用的教學模式是虛擬儀器NI-myDAQ Labview與真實硬件電路結合的形式，即“虛實結合”，教學內容是將不同的知識點進行融合。課程組基于此設計了4個綜合性實驗項目供學生進行選擇：“簡易溫度采集系統”“超聲波避障系統”“簡易紅外檢測報警系統”“音效處理系統”。

虛實結合的綜合性項目，相對于設計性實驗需要自己進行簡單元器件的選型外，還需要了解各類傳感器的原理及特性，更加接近完成真實項目制作，這就進一步加強學生設計及動手能力。與仿真實驗不同的是，通過虛實結合的形式進行的綜合實驗，采集的是實際電路的信號，同時可以將硬件與軟件很好地結合，將數據采集、處理以及顯示一次完成。

通過綜合實驗項目的訓練，學生將能夠掌握：

1.能應用NI-myDAQ的數據采集卡進行數據采集，結合Labview虛擬儀器的可視化、模塊化編程設計，制作出合適的測量儀器，用于自主設計以及創新；

2.能對簡單系統進行需求拆分，自行選擇合適的器件進行系統搭建；

3.能掌握軟硬件調試的方式方法；

4.能在團隊合作中得到提升。

五 教學改革效果

通過學生提交的總結反思報告，可以看出93%的同學表示收獲很大。

基本技能和理論水平：電路測試實驗是學生進入大學以來的第一個專業實驗課，通過分層次的教學幫助他們掌握了基本的電路搭建、調試以及設備的使用，同時也鞏固了電路理論的專業知識，為后續課程提供了服務。

工程設計與實踐能力：將仿真技術和綜合項目引入實驗項目，一方面能夠幫助學生提升應用計算機分析和解決問題的能力；另一個方面學生通過自己制定實驗方案，選定器件，仿真驗證、真實電路搭建一個完整的項目訓練鍛煉了工程設計與實踐能力。

團隊合作能力：在綜合實驗過程中，通過小組的配合，包括硬件和軟件的配合、方案的篩選等等，都有效地提高了學生的團隊合作能力。

六 結語

經過改造后的電路測試實驗平臺，在保障安全的前提下，對擴展實驗的開展以及實驗室其他課程的開設都有一定的幫助。基于新平臺改革后的課程，對學生的工程設計、實踐以及團隊合作能力培養方面有較好的效果，同時也為后續課程打下了良好的實踐基礎。