電路分析基礎綜合性實驗探索與研究

摘要：開設設計性、綜合性實驗以培養學生的實踐創新能力是實驗環節的共識和目標，據此論述了在電路基礎或電路分析實驗中開設綜合性實驗的重要性和可操作性。以實例說明了綜合性實驗的設置方法，并進行了仿真驗證，并對該實驗設置中的關鍵注意事項等進行了探討。結果表明，在電路基礎實驗中設置綜合性實驗是可行的，為在該課程中設置綜合性實驗提供了借鑒思路。

關鍵詞：電路實驗；綜合性實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）08-0240-02

一、引言

電路基礎或電路分析是電子和電氣信息類的第一門專業基礎課。在該課程的教學中，通常都會設置涉及不同內容的實驗教學環節。實驗環節的實施將有助于學生較好地加深對該課程相關內容的理解，并起到對動手實踐能力的培養和鍛煉目標。但是目前國內眾多的電路基礎實驗教材中開設的綜合性實驗卻明顯較少：一個實驗往往只涉及到單個知識點，各個實驗之間缺乏有機聯系，另外實驗的形式、手段比較單一，導致效果不夠理想。同時，目前學校的主要開課方式是將實驗設置在平時的課堂教學過程中，每次只能進行3～4個學時的實驗不利于學生綜合能力的鍛煉和提升。究其原因可能有兩點：一是對電路基礎課程中綜合性實驗的認識或重視程度不夠并對其含義理解存在偏差；二是認為學生的相關專業基礎知識還比較少，開設綜合性實驗有不少難度，因此導致在電路分析課程中開設時間長、內容廣、形式多的綜合性實驗缺乏動力。好在近年來，在電工電子實驗教學體系中提倡開設設計性、綜合性實驗以培養學生的創新能力已成為眾多相關專家的共識，因此在電路基礎或電路分析課程中開設綜合性實驗也自然十分必要。但是，開設綜合性實驗仍然面臨一些問題，主要是在實驗項目涉及電路基礎或電路分析課程中知識點不明顯的超出了課程范圍，即在內容緊緊圍繞理論課程的前提下，對設置綜合性實驗的概念和內涵等仍要進行解釋和澄清，這才有利于綜合性實驗項目的展開和實施。

二、綜合性實驗的概念和意義

綜合性實驗也可稱之為實驗的綜合，正如文獻指出，綜合性實驗可以理解為：（1）實驗內容的綜合性，即實驗內容涉及本課程或相關課程的綜合知識；（2）實驗方法與手段的綜合性，即運用綜合的實驗方法與手段進行實驗。因此綜合性實驗可以理解為既可以是涉及理論知識或內容的整合，也可以是涉及實驗方法或手段的集合，還可以是涉及上述兩種情況的綜合。由此可見，基于上述概念，與傳統的基礎性、單一性實驗相比，綜合性實驗往往具有更多的實驗信息量和操作工作量。這在時間上會對現有的少學時課堂教學模式造成沖擊。同時在形式上，綜合性實驗只對實驗者提出了其任務要求或給出總體的實驗思路，并沒有給出具體的測試方案和詳細實驗步驟，卻要求實驗者根據上述要求或思路，制訂完整的實驗方案，或者利用多種實驗手段，對自行設計或給定的電路與系統的功能參數進行測試，并從測試結果中探究和評估該電路的特性和功能特點等，繼而判斷實驗結果是否符合設計要求或是否符合某種理論或常識。由于學習理論的最終目的是為了掌握知識并應用知識到實踐中，解決現實生活中的問題往往需要多方面的理論知識和多種手段，因此進行綜合性實驗一方面可以將理論課程中涉及到的多個知識點集中，并建立有機聯系的橋梁，起到舉一反三的效果；另一方面，實驗的形式或手段的多樣性可以多方面較長時間地鍛煉實驗者，這種較高要求的鍛煉有利于促進學生綜合能力的培養和提升。因此，綜合性實驗無論是在課堂教學環節還是在實踐教學中都具有比較重要的意義。

綜合性實驗設計方法及實驗步驟：綜合性實驗的設置一直是困擾電路基礎實驗改革的一項難題。首先不單單是因為綜合性實驗的相關概念不夠明確和缺乏改革的動力，更為重要的是在實驗項目涉及的知識點不明顯超出課程范圍的前提下，對綜合性實驗內容和方法的設計比較難把握。這是因為，電路基礎或電路分析是一門十分注重基礎理論和推導的課程，它主導對給定電路進行分析的理論與方法，缺乏對學生設計和綜合意識的熏陶和引導，既然理論課程中沒有設計和綜合的內容，要在處于配套地位的電路實驗中讓學生甚至教師馬上具備這種思想和意識是較為困難的。因此，目前實驗教科書中綜合性實驗較少，綜合性實驗則更少。這里筆者舉一個例子，希望起到拋磚引玉的作用。“最大功率傳輸”是電路理論教學中十分重要的內容，該定理所涉及的問題也是實際電子、通信電路設計和應用中必須考慮的問題。在電路分析課程中，最大功率傳輸在不同的章節和電路模塊（直流電阻電路、正弦穩態交流電路、含理想變壓器電路）中多次出現，貫穿整個電路分析過程的始終，因此其內容具備一定的綜合性，掌握該內容需要理論課程不同知識點的有機聯系和綜合，是課程的一個難點和重點。因此，若將其涉及的多個知識點集成在一個實驗環境中，并綜合通過軟硬件結合的方法設計和實現，就可以很好地達到綜合性實驗的目標和要求，且又不盲目提高或超出學習要求。這里需要指出的是該實驗無論是實驗的數據表格設置還是測試過程，都有許多值得注意和探討的地方。

綜合性實驗的實現過程一般都經歷了以下幾個步驟。

1.明確實驗目的及任務和要求。實驗者首先需要明確實驗目的，并對于給定的實驗任務，弄清楚實驗可能涉及的實驗原理、實驗測試方法、測試內容等。

2.制訂合理的實驗方案和測試內容。對于給定實驗電路結構的驗證性或研究性實驗，在對電路進行了一定理論分析之后，只需按照任務要求，確定具體的測試內容即可。對于檢測維護性實驗，需要實驗者對所檢修或維護的系統工作原理大致了解，從理論上分析和判斷引起故障的可能原因，從而確定實驗測試的內容和方法。對于設計性實驗，由于只對電路功能或指標要求進行說明，因此要求實驗者自行查閱資料，了解相關的理論、方法等內容，并確定電路各個組成模塊，并實現電路的連接，進而確定元器件參數及測試內容。

3.確定合理的實驗步驟和方法。當電路的測試內容確定后，需要合理安排實驗的測試過程和步驟。因為有些實驗的電路參數或輸入信號頻率在測試過程中需要根據測試結果進行必要調整，為了提高測試的效率，避免重復且不必要的工作，需要確定合理的實驗測試順序和步驟。endprint

4.進行電路仿真實驗。對綜合性實驗，可前期先對待測的電路進行仿真實驗。仿真的目的是靈活和方便地在較為理想的狀態下測試電路性能，避免實際測試過程中的一些不確定性和不必要的浪費，并同時得到需要測試的參數、波形，大致了解電路的工作性能是否符合要求。

5.連接實驗電路，進行測試。搭接實驗電路時需要注意的是，要確保電路連線正確，同時電路中的激勵信號源要調整到位后，才能接入電路，以免損壞電路及測試儀表；儀器儀表的量程要選擇合適，太大測量誤差亦會大，精度達不到要求；太小又可能損壞儀表。要養成邊測試邊記錄數據和波形的習慣，以及與仿真結果進行比較（若沒法仿真，也應先求出理論上的數值）的習慣，以便發現錯誤后能及時檢查和修正。

6.選擇合適的儀器儀表。當實驗步驟確定后，就要根據實驗測試參數、測試精度、測量范圍、電路的工作頻率范圍等選擇合適的儀器儀表，并充分考慮儀表內阻對測量結果的影響。但要注意的是，仿真只是一種輔助設計的手段，即使仿真成功了，實際電路也不一定能滿足設計要求，還需要進一步的測試和調整。

7.分析測試數據，給出測試結果及評價。所有的參數測試完畢后，我們的實驗并沒有結束，還需要對實驗測試數據進行整理和評估。一方面檢查數據是否符合要求，若不符合，還要找出原因所在，進行進一步的修正；另一方面，檢查電路是否還有改進的空間和方法。

參考文獻：

[1]舒洪.現代電路技術實踐教程[M].北京郵電大學出版社，2007.

[2]黃大剛，劉毅平，朱連津.電路基礎實驗[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]呂偉鋒，董曉聰.電路分析實驗[M].北京：科學出版社，2010.

[4]王光義.實驗教學理念與創新能力培養[J].實驗室研究與探索，2008，27（8）：76-78.

[5]張慶新，李一波，許謹.改革實驗教學體系建立綜合性實驗室[J].實驗室研究與探索，2007，26（8）：116-118.

[6]胡仁杰.為創新人才培養營造綜合性實踐環境[J].電氣電子教學學報，2003，25（6）：82-84.

[7]羅正祥.提高實驗教學地位，培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索，2006，25（6）：589-591.

[8]王勇，宋萬年.改進綜合性、設計性實驗考核辦法提高學生實驗能力[J].實驗技術與管理，2006，23（4）：105-107.

[9]奎麗榮，張丕進，周紅，徐云.關于電路原理開放與設計性綜合實驗的一些探索[J].實驗技術與管理，2006，23（3）：86-87.

[10]諶海霞，李平，王暉，劉建新，陳國麗.電路實驗教學的研究與實踐[J].中國電力教育，2012，（8）：98.

[11]羅正祥.理論基礎與工程實踐并重，培養創新型人才[J].實驗技術與管理，2006，23（2）：1-4.

[12]胡建萍，馬金龍，王宛蘋，呂幼華，胡曉萍，呂偉鋒.電路分析[M].北京：科學出版社，2006.

[13]李瀚蓀.簡明電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[14]Charles K.Alexander，Matthew N.O.Sadika.Fundamentals of Electric Circuits[M].北京：清華大學出版社，2003.endprint