基于RC電路實驗的混合式教學探究

羅 蘭，劉 珊，張士文

（上海交通大學，電工電子國家級實驗教學示范中心，上海 200240）

0 引言

電路實驗是本科階段一門重要的基礎實驗課，有助于學生更好地理解和掌握理論知識。也為后續的專業課程學習打下重要的基礎。傳統的電路實驗教學中，通常是課前預習+上課講解+操作驗證+實驗報告的形式，以教師為主體，學生為輔，在實際教學中存在一些問題。

（1）預習流于形式，教學效率不高。學生撰寫預習報告流于形式，通常是照抄書上的原理和實驗內容，以備老師檢查，上課前難以真正理解知識點。課堂時間有限，教師無法面面俱到，接受能力好的同學時間盈余，而接受能力差的同學依然沒完全消化，這樣導致教學效率不高［1］。

（2）驗證性實驗為主，實驗過程單一。老師講解實驗內容，學生按照老師事先設計好的流程完成實驗操作，并記錄相關數據［2］。學生在實驗過程中只是被動的動手操作，缺乏自主思考，不能有效地將實驗內容與曾經學過的理論知識相結合［3］。驗證性實驗激發不了學生自主探索的欲望，更別提對知識的應用和實踐創新。所有學生操作相同的實驗內容和過程，機械性完成實驗操作，無法真正調動學生的學習興趣。

（3）考核標準單一，無法評估學習過程。以實驗結果作為唯一評分標準，無法全面評估學生的學習過程。“重結果，輕過程”，這樣不但無法真正體現學生的操作水平，而且很多學生為了追求更好的實驗成績而采取抄襲等捷徑［4］。

針對教學中存在的問題，需亟待探尋新的教學方式，提高教學質量。翻轉課堂是對傳統教學順序的顛倒，構建“課下學習知識，課上實現知識的內化與吸收”的翻轉教學結構［5］。對高校的本科生而言，自主學習能力在整個大學學習過程中至關重要，它是學生保持創新能力的基本條件［6］。翻轉課堂將課堂的內容搬到課下，將學習的主動權交給學生，讓學生自主完成原本課堂上的內容學習。啟發式教學法圍繞學生的學習行為展開，以學生為主體，教師的指導作為輔助，通過各種自主型的教學模式來培養學生獨立學習和創新實踐的能力，最終通過調動學生學習積極性來改變教學效果的目標［7］。問題啟發式教學引出設計性實驗，充分調動學生的主觀能動性，激發學生的學習興趣。本文介紹了基于翻轉課堂和問題啟發式教學的混合式教學方法在RC 電路實驗教學中的應用；同時采用多維評估方式，從過程綜合評價學生學習表現。

1 混合式教學方法

通常一階RC 電路實驗過程如下，課前學生預習實驗原理，課堂上老師講解實驗內容和儀器操作，學生按照實驗電路接線，畫出一階RC 電路的充放電電壓和電流波形。雖然驗證性實驗能夠加強對理論知識的印象，但是這種依葫蘆畫瓢的方式讓有的學生沒有主動思考一階RC 電路充電和放電的原理，所以當不給電路圖，有的同學區分不了RC 電路的充電和放電過程。將混合式教學方法應用在一階RC電路實驗教學中，翻轉課堂讓學生課前自主學習知識，問題啟發式教學引導學生將所學知識用于實踐，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。

1.1 翻轉課堂

翻轉課堂是對傳統教學方式的一種革新，是指學生在課前通過觀看視頻或閱讀教材、文獻等學習手段自主學習新的知識［8］。如何讓學生在課前進行有效的預習，是實驗教學中急需解決的問題。翻轉課堂將課堂講授的內容發布在網絡上，供學生提前學習。一階RC電路網上的內容包括實驗目的，實驗原理，實驗內容，儀器操作。學生不再拘泥于課堂有限的時間，課下能合理利用時間學習。翻轉課堂兼顧學生個體差異［9］，線上的形式包括微課視頻和PPT，滿足了學生的個性化學習需求和不同基礎學生的學習需求。有的學生喜歡瀏覽PPT，有的學生喜歡觀看視頻；當學生對某個知識點不清楚時，可以反復拖動進度條進行觀看或者翻閱相關的PPT。理論知識點包括一階RC 電路充放電原理，充放電過程中電壓和電流的推導過程，充放電曲線，時間常數的求取以及時間常數對充放電過程的影響。課前需要使用的仿真軟件Multisim使用方法放到線上，方便學生課前自學，上課需要使用的儀器，如信號發生器，示波器在課堂上講解。

翻轉課堂并不只是將課上的教學內容搬到線上，還要進行有效的課堂管理［10］。為了保證學習效果，每個實驗有一個小測試，小測試包含20 個選擇題，學生會隨機抽到其中5 個題目。每個學生有2 次答題機會。測試題目和學生小測試成績如圖1 所示。除了小測試，學習中遇到問題能及時溝通交流，教師引導也非常重要。所以線上開放了師生討論區，問題答疑區，同時每個班級還建立了微信交流群。學生在學習過程中碰到的問題可以在師生討論區和微信群與老師，同學交流；也可以在答疑區提出來，老師會定期回答學生的疑問。

圖1 小測試題目和小測試分數

1.2 問題啟發式教學

講解環節的線上翻轉將被動的課堂教學換了一種形式，并不能激發學生主動學習的興趣［11］。換言之，傳統的老師講授，學生照做的實驗方式不利于調動學生主觀能動性，培養學生發散思維和實踐精神。問題啟發式教學是以問題為主的啟發式教學［12］。用相互關聯，有邏輯層次的問題啟發同學思考，發起設計性實驗，可以更好調動學生的積極性和主觀能動性，讓學生將預習的知識點靈活應用于實驗設計中，達到更好理解和掌握知識的目的。

在啟發式教學中，教師要激發學生“解惑”的欲望［13］。啟發以學生已有的知識為基礎，教師的啟發起著提示思路和“搭橋”的作用［14］。設置什么樣的問題以及如何設置，成為能否啟發成功的前提［15］。問題設計思路見圖2。以一階電路的定義，RC充放電的原理為基礎，聯想到RC充放電的應用，我們提出應用積分電路，將方波轉化得到三角波；應用微分電路可將三角波轉化為方波。進一步聯想，在獲得三角波的基礎上，是否可以得到不對稱的鋸齒波呢？這里利用二極管的單向導電性將電路稍作改動即可。除此之外，元器件參數變化能影響輸出波形。依據以上思路，我們提出如下幾個問題：如何將方波轉化得到三角波？反之，怎樣將三角波轉化得到方波呢？既然方波可以轉化為三角波，那么如果要得到鋸齒波，又要怎么實現呢？如果方波頻率，幅值變化，對輸出三角波的影響又是怎樣？

圖2 問題設計思路

這幾個提問相互關聯，有層次性，引出波形變換的3 個實驗內容。圖3 為設計的波形變換的3 個題目。

圖3 輸入波形與輸出波形

（1）設計一個基于RC 電路的三角波發生電路。三角波峰峰值為0.8 V，頻率為1 kHz，占空比為50%。輸入為峰峰值為8 V的方波。

（2）設計一個基于RC 電路的方波發生電路。方波峰峰值為0.32 V，頻率為1 kHz，占空比為50%。輸入為峰峰值為8 V的三角波。

（3）設計一個基于RC 電路的鋸齒波發生電路。上升波和下降波維持時間比例為1∶3 的三角波，頻率為1 kHz，鋸齒波峰峰值為0.4 V。輸入為峰峰值為8 V占空比為1∶3 的方波。

題（1）和（2）是基礎題目，題（3）難度進階。學生可以選擇基礎題（1）和（2）進行實驗，學有余力的學生可以選做題（3）。

實驗要求學生自主設計波形變換的電路。首先學生需要設計電路模型，選擇合適參數，然后用Multisim軟件仿真，最后在面包板上搭建電路進行驗證。自行設計電路要求學生充分理解電路原理，然后靈活運用所學知識；參數選擇要求學生進行理論計算得到合適的參數；Multisim軟件擁有數以萬計的電子元器件，各種常用的儀器和儀表、分析工具，方便進行電路仿真和測試［16］，軟件仿真讓學生學會使用Multisim驗證方案的可行性；搭建面包板驗證功能鍛煉學生的動手實踐能力，用實踐檢驗理論的正確性。問題啟發式教學通過有效的問題調動學生的參與積極性，提高他們主動探索求知的興趣，也增強了他們動手實踐能力。

課前學生設計電路，計算出參數并進行仿真，課上動手搭建面包板驗證。課堂中，引導學生改變元器件參數，搭建電路，觀察對輸出波形的影響，增強學生對一階RC電路的理解。題（1）中，若改變方波頻率為500 Hz，保持輸入方波幅值不變，將如何影響輸出呢？若增大輸入方波的幅值，保持方波頻率不變，將如何影響輸出呢？

題（1）由方波轉換成三角波，用積分電路實現。積分電路用電阻和電容串聯，從電容端輸出。學生在探尋參數過程中，采用多種方法計算參數，列舉如下：

方法1當時間常數τ遠大于方波周期時，

方法2在充電階段，電路是全響應，是零輸入響應和零狀態響應之和。

在放電階段，電路也是全響應，是零輸入響應和零狀態響應之和，即

由式（1）（2）經過變換得到

兩種方法得出近似相等的結果，說明學生不拘泥于一種解題方式。

題（2）由三角波轉換成方波，可用微分電路實現。微分電路用電阻和電容串聯，從電阻端輸出。從圖4的學生的Multisim仿真結果中發現，雖然R和C 的取值不同，都達到了一樣的實驗效果。

圖4 Multisim仿真電路和仿真結果

題（3）采用積分電路。因為上升波和下降波的斜率不同，所以充放電階段應該采用不同的時間常數，即充電和放電回路采用不同的RC。如何用不同的回路分別實現充電和放電功能呢？圖5（a）是同學通過交流探討和翻閱文獻的方式，發現可以用穩壓二極管的單向導電性實現一個回路充電和另一個回路放電的電路圖。圖5（b）為課堂上學生用面包板和元器件搭建的電路。

圖5 實驗原理圖和學生搭建的電路及實驗裝置

由此可見，啟發式教學促使學生主動思考，充分調動了學生的積極性，學生主動將學習的理論用于實踐，并且通過交流，查閱文獻多種方式來解決問題，擴展了解題思路，同時面包板實踐鍛煉了學生的動手能力。

2 評估方式

傳統的評價體系注重報告和考試，只重視單一的結果，很少注重學生的學習過程。實施混合式教學后，為了能全面公平的評估學生學習效果，調動學生的積極性，采用多維評估方式。評價的角度覆蓋了學習態度和學習能力兩個方面。學習態度主要包括課前視頻瀏覽，小測試和預習報告的完成程度。學習能力主要包括電路設計及仿真結果，課堂中動手操作能力，遇到問題的解決能力，實驗結果的分析判斷等。

評估由課前預習，課堂表現和實驗報告三部分。

（1）課前預習。在整個學習環節中，課前預習非常重要，課前預習的質量直接決定了課堂的質量。所以將其比例設置為30%。其中課件瀏覽5%，小測試5%，預習報告20%。課件瀏覽完成度，小測試完成率和準確率決定得分。互聯網技術記錄學生的學習軌跡，經過后臺的統計，平臺自動給出課件瀏覽和小測試的分數。預習報告，采用網上提交的方式，主要包含電路設計，參數的選擇以及仿真結果。參數選擇需要給出計算過程，仿真除了電路圖也要給出仿真的結果。

（2）課堂表現。主要從選擇題目的難度和課堂操作來評估。選擇了進階題目會有難度加分。課堂操作體現在對工具的使用能力，儀器的使用，布線美觀，查錯糾錯能力，以及最后的實現效果。

（3）實驗報告。實驗報告是實驗必不可少的一個環節，學生需要對實驗需要有一個全局的概念，實驗報告中要體現實驗方案設計，參數選擇，仿真結果，實驗結果，以及對實驗中遇到問題的思考。

圖6 評估維度及比重

3 應用意義

與傳統教學不同，混合式教學真正做到以學生為中心。學生為學習的主體，老師引導學生，答疑解惑。多樣化的教學體現在教學形式的多樣化，微課視頻，小測試，答疑區等多種形式豐富的教學手段。實驗內容具有層次性，可以兼顧不同層次的學生的需求，使得不同層次的學生都得到提高。采用多元評價體系，覆蓋整個實驗過程，注重了學習的過程，全程監控學生的學習情況，更能有利于激發學生主動學習的熱情。轉變教學模式后學生課前的學習目標更明確，效率更高。

2020 年秋季學期在2 個班應用了混合式教學，對照另外2 個傳統教學班。混合式教學班發放50 份問卷，傳統教學班發放52 份問卷，統計數據見表1。

表1 兩種教學模式的對比

問卷調查的結果顯示，混合式教學班采用的在線學習，小測試提高了學生對知識點的了解程度，混合式教學大大提高了學生對知識點的掌握程度。啟發式教學引出的開放式的實驗內容激發了學生自主探索的欲望，提升了他們對實驗的興趣和參與的積極性。學生通過自主思考，交流討論，動手操作，加深了對知識的理解，提高了動手實踐的能力。

通過與傳統教學班比較，發現采用混合式教學班的學生的課堂表現更為活躍。他們的學習主動性更高，遇到問題積極思考，主動尋求解決辦法。

4 結語

翻轉課堂和問題啟發式教學的聯合應用發揮了各自的優勢，起到1 +1 ＞2 的效果。實驗教學項目固定模塊，學科特點便于翻轉課堂的實施，翻轉課堂充分利用信息科技發展的成果，將課堂的知識發布在線上。學生根據自身學科基礎以及對成績的期望，靈活安排時間，在課前完成線上知識的學習。老師利用問題啟發式教學，引發學生思考，學生在課前預習得知識的基礎上，充分發揮自身主觀能動性，通過獨立思考，查閱文獻，師生交流或生生交流等形式完成實驗設計，用Multisim仿真驗證設計，最后在課堂完成搭建電路，驗證電路功能的實驗內容。通過整個過程，學生體驗用所學的知識初步解決問題的流程，加深了學生對知識的理解，對學習的積極性，培養了動手實踐能力。如何讓基礎電學實驗更好服務于當前對創新型人才培養的需求，這種混合式教學方法不失為工科背景下培養創新型人才的一種探索方向。