基于學生為中心理念的R、L、C 阻抗特性實驗教學設計

張振紅

（長治學院 物理系,山西 長治 046011）

在2018 年教育部發布的關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見中指出，要以堅持學生中心，全面發展的基本原則，以促進學生全面發展為中心，既注重“教得好”，更注重“學得好”，激發學生學習興趣和潛能[1]。教育部吳巖司長在2021 年全國高教處長會議中指出，課程是體現“以學生發展為中心”理念的最后一公里。電工學實驗是高等院校非電類本科專業的重要專業基礎實驗課程，是《電工學》理論課程的實驗教學環節，是理論教學的深化和補充，具有較強的實踐性。R、L、C 阻抗特性實驗是電工學實驗的一個重要實驗，它對學生理解交流電路中的相位關系，阻抗與頻率關系等有重要得到意義。但傳統的R、L、C 阻抗特性實驗教學內容單一，實驗缺乏探索性和挑戰性，學生的積極性和參與性不高[2,3]，實驗電路中的元件參數、實驗步驟等都是固定的，導致實驗數據也都是一樣的，會出現學生有抄襲實驗數據的情況，也不利于學生分析問題和解決問題能力的培養[4]。針對R、L、C 阻抗特性實驗中存在的問題，在實驗教學過程中堅持“以學生為中心”的教學理念[5-7]，采用線上+線下、虛擬+實物的混合教學模式，對該實驗教學進行全新設計。

1 傳統R、L、C 阻抗特性實驗存在的問題

R、L、C 阻抗特性實驗是學習單一參數正弦交流電路后第一個的基礎實驗。通過實驗可以更直觀理解感抗和容抗與電源頻率的關系，為電工學后續交流電路理論內容的學習奠定基礎。單一R、L、C 元件的電壓和電流間的相位關系，也是后續串聯交流電路和諧振電路等內容的基礎，但多數學生對相位差概念理解不夠，從而導致交流電路分析部分的學習效果較差。傳統R、L、C 元件的阻抗特性實驗，由實驗教師講解實驗原理和實驗操作步驟后，每組學生動手只限于測量相同參數的R、L、C 元件的阻抗隨頻率變化關系，得相同的實驗數據。實驗成績考核由實驗操作成績和實驗報告成績兩部分構成。由于實驗內容和考核方式單一，學生參與實驗興趣不高，不會主動思考實驗過程中出現誤差的原因，不利于學生的動手能力和創新能力的培養[8]。因此，從實驗內容、實驗教學方法和實驗考核三個方面對R、L、C 阻抗特性實驗進行改革，以提高學生的學習興趣、主動思考能力和創新能力。

2 改進的R、L、C 阻抗特性實驗

改進的R、L、C 阻抗特性實驗，在內容上增加了電壓與電流相位關系測量、基爾霍夫定律及諧振概念等；在教學方法上，堅持以學生自主學習為中心，教師指導和答疑為輔助的教學模式，具體實施過程為，學生利用學習通平臺進行線上預習實驗、使用仿真軟件仿真實驗結果，線下在實驗室進行實物操作，分析仿真結果與實物結果不同；在考核方式上，將線上預習數據和仿真電路設計計入考核結果，形成以實驗前預習成績、實驗中操作成績、實驗后報告成績組成的全面全方位過程考核評價。在實驗中學生需要經歷實驗預習、參數選擇、仿真電路設計、實物電路搭建及測試、問題解決、誤差分析、報告整理等過程。通過本實驗，使學生掌握交流電路的測量方法和實驗操作技能，培養學生自主獨立實驗能力和實驗數據分析處理能力，提高學生實驗方案設計能力，解決實際問題。

2.1 R、L、C 阻抗特性實驗內容

R、L、C 阻抗特性實驗首先要驗證感抗和容抗與電源頻率的關系，其次要讓學生理解電感和電容在交流電路中的電壓與電流相位差的問題，還要讓學生理解交流電路中如何使用基爾霍夫定律及改變電源頻率對電路的影響。在實驗過程中既要讓學生掌握實驗原理和熟悉交流電路中儀器的使用，還要通過實驗的內涵，引導學生思考測量數據方法，分析實際電路元件與理想電路元件的差別，如何選擇合適元件的參數減少測量過程中誤差等。依據以上思路設計實驗內容為以下4個部分。

（1）采用伏安法測量電阻、電感和電容元件的交流伏安特性。實驗電路如圖1 所示。測量過程中采用固定電源頻率，改變電源電壓大小的方法，用萬用表測量電路中的電流。根據測量數據得出電阻、電感和電容元件的交流伏安特性曲線。該部分實驗內容設計旨在讓學生通過實驗理解線性元件的伏安特性和熟悉交流電路實驗中測量儀器的使用方法。

圖1 伏安法測電阻、電感和電容元件的交流伏安特性電路圖

（2）利用伏安法測量電阻、電感和電容元件的阻抗與頻率變化關系。測量中采用固定電源電壓大小，改變電源頻率的方法，用萬用表測量電路中的電流。根據測量數據得出電阻、電感和電容元件的阻抗隨頻率變化曲線。該部分實驗內容設計旨在讓學生通過實驗理解電阻、電感和電容元件的阻抗與頻率的關系，并通過數據分析理想元件和實際元件的差別。

（3）利用示波器測量電阻、電感和電容元件的電壓與電流相位關系。測量電路如圖2 所示。實驗過程中，引導學生如何利用示波器既能測量出電路中的電流與電壓相位關系，又盡量減少測量的誤差。該部分實驗內容設計旨在讓學生通過實驗理解電阻、電感和電容元件的電壓與電流相位關系，并引導學生在實驗中思考如何合理選擇實驗器件參數，以達到最佳測量效果。

圖2 示波器測量電阻、電感和電容的電壓與電流相位關系圖

（4）利用萬用表和示波器進行交流電路的基爾霍夫定律。

①基爾霍夫電流定律

基爾霍夫電流定律實際電路如圖3 所示，由信號發生器和四個電阻、一個電感和一個電容并聯構成，其中R、L、C 是待測元件，R＇是電感的等效電阻。與待測元件串聯電阻R＇＇的目的是測量電流的相位。

圖3 基爾霍夫電流定律測量電路圖

②基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律電路如圖4 所示，由信號發生器和一個電阻、一個電感和一個電容串聯構成，其中R、L、C 是待測元件，R＇是電感的等效電阻。實際電路中，由于示波器的接地探頭要求共地，無法直接測量電感電壓與電容電壓相位關系，只能通過各自的電壓與電阻電壓關系比較得到。

圖4 基爾霍夫電壓定律測量電路圖

該部分實驗內容設計旨在讓學生通過實驗，理解交流電路中如何進行實驗數據分析，并將前期實驗與后續實驗有效銜接，做到知識的鞏固和預習。

該實驗項目內容改進后，涵蓋知識廣，學生既驗證了不同性質元件的交流阻抗特性，也理解了基爾霍夫定律在交流電路的適用條件，還對后續的R、L、C 串聯電路的幅頻特性和諧振等概念有基本了解。學生可以通過實驗理解實際測試環境的非理想狀態對測試結果影響，并根據測量數據理解如何選擇合理電路參數，減小測試誤差等。該實驗內容改進后融入小部分創新元素，具備一定難度，可以激發學生更多的興趣，培養學生的研究探索能力。

2.2 實驗教學方法

傳統實驗由實驗課前學生預習實驗、實驗課中教師講解實驗、學生按教師講解按步驟用相同電路元件搭建統一的電路進行數據測量[9]。這種教學模式對學生的課前預習情況不能有效檢查，學生對實驗原理等理解不夠深入,教學效果差。因此采用線上+線下、虛擬+實物的混合實驗模式，提高學生實驗興趣和教學效果。

實驗教學實施進程由課前預習、實物操作和仿真和課后整理三部分組成，具體實施進行如表1 所示。

表1 教學實施進程表

實驗前的預習是通過學習通平臺發布的預習資料進行的，電工學實驗在學習通平臺建課情況和學生預習統計結果如圖5 所示。從圖5 可以看出，學生通過視頻和文檔提前預習實驗內容。在實驗課程開始時,教師抽查學生對實驗的理解和掌握情況，結合線上的統計數據和抽查結果，合理地評價學生預習過程，給出評價結果。學生在實驗操作過程中，可以根據預習的內容,熟悉實驗原理和實驗步驟,快速地進入實驗操作中。

圖5 電工學實驗在學習通建課情況和學習預習統計情況圖

該混合式教學模式以學生主動思考并解決問題為主，教師答疑和補充為輔，可以充分調動學生主動學習的積極性。具體實驗教學實施時，教師提前一周在線上發布教學資源和實驗室現有器件型號、參數等，學生根據線上教學資源預習實驗原理、實驗操作要求等內容后，在根據教師提供的實驗器材型號，利用仿真軟件做出仿真電路并得到仿真結果。學生通過軟件仿真，既可以加深實驗原理的理解，也可以對實物實驗的結果進行預判，達到實驗預習的目的。教師可以在線上和課前通過檢查仿真電路和提問等方式，對學生是否進行有效預習的情況進行檢查。教師在實驗前總結學生設計實驗電路中的典型問題，給出解決思路，并強調實驗中的注意事項，保證實驗的順利進行。實驗過程中，要求每個實驗小組使用不同型號的實驗器材進行實驗，避免學生在實驗過程中出現實驗數據抄襲。由于仿真實驗和實物實驗存在差距，實驗中要求學生分析兩種不同實驗方法得到的實驗數據存在差距原因，并設計合理的實驗電路元件參數,來減小實驗數據誤差。這樣使學生在實驗過程中主動思考并解決問題，既有利于學生小組協作能力、動手能力的培養，也有利于學生自主學習能力的培養。實驗后，教師根據學生的實驗情況進行實驗總結，并提出與該實驗相關的下一個實驗的核心問題，供學生課后思考和下一個實驗的預習。學生在實驗后通過整理實驗報告，分析實驗誤差和思考教師提出的問題，進一步深化對實驗的理解，達到實驗的目的。

2.3 實驗考核

傳統實驗考核由實驗課上的實驗操作部分和實驗課后的實驗報告成績兩部分構成，這種考核方式不能全面評價學生的實驗過程。采用線上+線下、虛擬+實物混合實驗模式的電工學實驗,重新設計了對學生實驗的考核評價，學生的實驗成績由線上預習數據和仿真電路、線下實驗操作和課后實驗報告三部分組成。首先，線上預習數據主要包括學生對實驗原理、儀器使用方法、實驗注意事項等視頻觀看的完成情況，仿真電路主要檢查學生對實驗的理解情況和學生設計的仿真電路是否合理等，教師根據線上的數據給出該部分成績，占實驗總成績的 20%。其次，實驗中的操作部分是考查學生對實驗原理、實驗內容能否正確理解，實驗操作步驟是否合理，儀器使用是否規范熟練，實驗中出現問題能否及時合理解決，實驗數據是否正確等的情況，需要教師對學生的整個實驗過程進行充分的考量。該部分成績占實驗總成績的 40%。最后，實驗報告部分包括是否正確記錄實驗結果，能否分析仿真實驗和實物實驗數據差別的分析，得出實驗結論，并對實驗中遇到的問題和教師提出相關問題給出解決辦法，形成規范的書面實驗報告。該部分占實驗總成績的 40%。將預習部分加入實驗考核中，進一步完善電工學實驗的考核方式，從全方位考核學生的實驗過程，更加注重學生學習的動態評價過程，課程的考核不僅僅只是作為終結性評定，而是要促使它成為教學診斷和改進的手段，轉變為促進學生發展的形成性評價[10,11]，使實驗成績評定更加合理、規范。

將“線上+線下、虛擬仿真+實物操作”的混合式實驗教學模式用于R、L、C 阻抗特性實驗后，對物理學專業2018 級和2019 級兩個年級的實驗成績做了統計和對比，統計結果如表2 所示。從表2 中可以看出，采用混合式教學方式后，能更有效地、更全面地評價學生的學習過程，且整體成績有所提高。

表2 混合式實驗教學模式前后實驗成績對比

3 總結

在R、L、C 阻抗特性實驗教學過程中，堅持“以學生為中心”的教學理念，采用“線上+線下、虛擬仿真+實物操作”的混合式實驗教學模式，彌補了傳統電工學實驗中存在的問題和不足。混合式實驗教學模式下的R、L、C 阻抗特性實驗在我校物理專業中實施了兩年，R、L、C 阻抗特性實驗案例參加2021 年”鼎陽杯”全國電工電子實驗案例設計競賽,獲得華北賽區二等獎。實踐表明，以學生為中心的混合式教學模式，能夠充分地調動學生學習主動性，有效提高學生的學習興趣，進而提高教學質量[12]。這一模式也可以在電工學的其他實驗中開展。