電路分析實驗“三維三段式”教學模式探索與實踐

劉淑琴 嵇英華

摘 要：根據專業培養方案進行“電路分析”實驗課程的教學改革探索。通過增加實踐項目比重，從“虛擬儀器仿真、實驗室現場測試、課外設計制作”三個階段整體構建實驗內容；相應地從“能力水平、情感態度、過程方法”三個維度檢驗評價教學與學習效果，突出工程師人才培養目標，鍛煉電子信息工程專業學生分析和解決實際問題的能力。

關鍵詞：三維三段式 電路測試 實驗改革 目標體系

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0126-02

電路課程是電子電氣類專業最基礎、最核心的課程之一，該課程的教學內容、教學手段與方式直接影響到學生學習習慣的形成，擔負著引領工程意識“啟蒙”教育的重任。電路系列課程的教學改革已成為電子電氣類專業教學改革的重中之重。

電路分析課程的教學進程安排一般設置在大一下學期或者大二上學期，同期開設的還有對應的實驗課程，是后續專業課程如模擬電子技術、數字電子技術、高頻電路的基礎課程，所需的實驗測試技能和基本分析方法都可以在該課程中接觸和學習[1-4]。通過與工程實踐密切相結合等多種途徑，電路分析課程的課堂教學改革已取得較大成效。然而，目前與電路理論教學密切相關的實驗教學的改革卻進展緩慢，學生的動手實踐操作能力及對實驗現象的分析能力亟待提高。如何基于“大工程”觀的現代工科教育理念，對電路實驗教學內容與教學模式進行有效深入改革，一直困繞著人們，并已成為與此相關的電子電氣信息類專業教學改革的瓶頸。

隨著多媒體技術和互聯網+技術的應用推廣，很多網絡在線優秀課程出現在慕課中，實驗課程教學與工程實踐結合的途徑帶來了新的機遇。同時“以學為主”的新興教學法不斷改變了以往的“以教為主”的現狀。為適應“以學為主”的教學模式的轉變，結合自身條件和優勢，結合工程規范、電路設計、電路安裝、電路測試等教學內容，從“能力水平、情感態度、過程方法”三個維度，通過整體構建“虛擬儀器仿真、實驗室現場測試、課外設計制作”環環相扣、螺旋式上升的實驗教學環節，對在實驗教學過程中如何有效地培養學生的工程意識與實踐能力進行了深入探索與實踐。

1 三維多層次目標體系

根據美國學者L·迪·芬克提出的關于課程設計的“創造有意義的學習經歷”[1]，在教學設計中改變以往的實驗體系，在學科知識中融入實際應用案例，建立驗證-制作-測試三位一體的實驗結構，采用“虛擬儀器仿真、實驗室現場測試、課外設計制作”三段式培養步驟流程，將知識應用到新情況或者領域中，從而獲得解決問題的能力。

以往很多實驗項目均是基礎驗證性為主，利用已有的模型電路通過儀器儀表的測試得到有關的電壓電流數據，進而分析電路原理是否正確。由于低年級學生基本上是第一次使用專業測試儀器儀表，最先接觸到驗證性實驗能夠幫助他們獲得基本的實驗儀器測試技能，完成理論到實踐的第一步[2]。隨著課堂教學的深入，學生已能夠理解知識點之間的關聯性，再單純地驗證一些電路理論，將無法有效地提高學生的分析能力和動手能力。遵循由淺入深、循序漸進的原則[3]，將電路分析實驗構成部分擴展為三個層次的模塊：基礎驗證、設計制作、測試拓展。

1.1 基礎驗證性項目

該內容覆蓋了電路分析大約一半容量的知識點。通過經典的驗證性實驗內容理解戴維南定理、動態電路響應、串并聯諧振、濾波器和雙口網絡的基本知識點。在實驗輔助手段上采用Multisim仿真軟件進行有關電路原理的驗證，在之后結合實際電路實驗數據測試，進行數據誤差分析，培養學生建立實驗邏輯思維，自上而下的實驗體系思路。同時在實驗內容上注意和后續課程的銜接，提出思考問題留待學生課后尋找答案。其中Multisim軟件操作培訓利用兩次課堂教學教授入門知識，在隨后的實驗教學中熟悉應用。

1.2 設計制作性項目

RLC所組成的一階、二階動態電路有很多應用，作為前期的設計性實驗項目來鍛煉學生的實驗能力是可行的。首先作為設計性實驗開設，前提是學生均學完暫態電路理論知識且完成使用雙蹤示波器觀測和分析波形的基礎實驗。設計性實驗要求學生設計實驗方案、實驗元件與測試設備，提供實驗步驟和實驗電路圖，對實驗結果記錄并進行結論分析，實驗數據相差太大的要求重新設計。根據學生個人能力不同，設置不同難度的設計性實驗。例如：選擇不同輸入信號分析RC一階電路的零狀態響應、設計一階電路的時間常數測定方案并與理論值比較、二階動態電路諧振點測試與衰減系數測算等。通過實驗前知識點的分解講述和討論，學生完成設計性實驗的質量高于平時的驗證性實驗，同時對于知識點的理解也要更廣義一些。

1.3 研究拓展性項目

在設計制作項目后期，學生能夠從測試中獲得一些經驗，建立了實踐性思維體系，能夠了解項目管理流程。此時教師應積極地引導學生關注知識拓展應用。設計制作中和學生增強互動，了解學生發現的問題，并引導學生拓展有關學科的關聯性。

為了給學有余力的學生提供拓展思維的途徑，電路分析實驗教材編寫中加入了有關拓展性小知識和有關實驗內容。拓展性內容主要是將一些知識點在實際生活或者工業上的應用進行啟發式教學，從設計實驗的角度去說明這個知識點的延伸面。比如說實際電源的兩種等效模型，從理論的角度容易分析兩者等效性成立的條件，那么采用什么的實驗手法可以驗證這個條件成立？同時提出在實際工程實踐中如何根據功耗條件選擇等效模型。這樣學生就不僅了解到電源等效變換的方法，同時也聯系到實際應用，達到舉一反三的效果。

除了拓展思維外，該階段還增加了能力拓展要求，教師利用Altium designer軟件將前期設計性實驗的電路圖制作成PCB版，讓學生再次測試制版后的電路參數來校驗之前的實驗結論。

從基礎驗證到設計制作再到測試拓展，三個環節構建一體式實驗內容。學生學習的內容從簡單到復雜，從虛擬到現實，依次遞進。多階梯層次的實驗模塊體現了多維教學的特點，可以根據不同學生的特點進行有效傳授知識和技能。學生們在設計性實驗階段興致很高，調試成功的喜悅讓他們體會到學習的快樂。從學生們課后交流的情況來看，他們在該學期的實驗課程中收獲頗豐，特別是后期的電路模塊制作，他們的實驗能力得到了極大提高。

2 構建實驗成績三維評價體系

在芬克創建的綜合性大學課程設計原則中，反饋與評估是其中非常重要的一環。根據芬克的設計理念，他認為反饋與評估是基于教學目標來反向設計的，這樣能更好地理解教學設計目標。

所進行的電路分析實驗改革不僅是期望學生具備基本的實驗測試技能，學會如何分析項目需求并制作設計電路，熟悉使用專業制圖軟件完成專業制版；而且更主要在于培養學生的工程意識與工程應用能力，培養學生的責任人與團隊精神。為合理評價、檢驗學生的學習效果與能力養成效果，就需要從“能力水平、情感態度、過程方法”三個維度，定性與定量結合、全面公平地評定實驗成績。

表1說明了實驗成績評定包含的四個方面，其中每個內容都有對應的細分成績評定表，都包含定性評價與定量評價部分。

例如：制作模塊部分，強調針對每個功能電路測試過程、也針對測試的結果進行分值給定，綜合調試成功才能給予滿分的成績。每個模塊設置為25分，根據完成的功能部分給予相應的分值，鼓勵學生盡量單獨完成電路焊接和測試任務。對于電子信息工程專業和通信工程專業的學生，基礎驗證實驗實行的是1人一組的實驗方式，避免了多人成組時蒙混過關的現象。而在制作模塊部分，允許采取2人一組的方式，每人做兩個模塊，最后聯調四個模塊作為實驗組的成績，培養學生間的合作關系，并讓同組學生有交流和討論的對象。研究拓展模塊相當于附加分值，挑戰難度大的項目即使最后實驗結果有出入，考核分值相應會有增加。在近200名學生中，有大約1/4的學生選擇了難度為A的研究拓展項目，說明該模塊的設置還是很有成效的，給學生提供了提高能力的空間需求。

在基礎驗證性實驗設計中有5個項目，操作成績是指對應的5個實驗的表現平均分，包含預習報告、實驗報告和平時實驗操作[3]。由于實驗內容的改革，學生實驗成績不再是單純地定性給出，而是根據具體的對應量化分值進行統計，綜合了學生在整個實驗階段的表現。

3 改革效果的評價

電路分析實驗進行了很多方面的改革，包括實驗內容和考核方式。以往驗證性實驗項目較多，學生對知識點的理解不夠深入，知識網絡單一。加入設計性實驗后，學生通過參數設計、方案對比深入學習各知識點間的關聯性，增加了學生動手機會，落實了實驗設備操作技能訓練。

（1）增加了電路設計性實驗項目，學生按照電路功能要求設計可行性電路，并完成實際電路的焊接測試工作，體驗從電路原理圖到電路連接圖的轉換學習，認識基本元器件，學會查找芯片資料。整個過程學生主體作用更強，有更大的自由空間分析實驗目標，真正做到了理論和實踐運用的聯接，從而極大地提高了學生的學習興趣和主觀能動性。

（2）利用現在流行的慕課等網絡教程方式，錄制一些基本儀器的使用視頻，解決了以往枯燥講授儀器儀表功能的弊端，讓學生能夠通過觀看視頻內容學會測試方法，體現“三位一體”教學的優勢，能力差異不同的學生可以找到自己不熟悉的內容進行個性化自學。

（3）實驗內容及時間安排，與理論教學的非完全一致性有出乎意料的效果。安排的實驗課程進度先于理論課堂教學一周左右。學生在實驗教師通俗易懂地介紹實驗原理后，可以獲得直接的感觀認識，從而有助于呈現實驗現象和理論原理之間的關聯呼應。教師能夠在課堂延伸知識面時，結合實驗中出現的問題和波形數據等實驗現象，深入地分析原理。這點是該學期改革中最意外的收獲。

4 結語

在芬克的教育理念體系中，學生最終從教學活動所獲得的“有意義的學習經歷”是指學生從對信息觀點的基本理解記憶能轉變為自主學習者，能夠學會學習從而進行有意義的探索。基于這個教學理念，認為在改善實驗體系的實驗設備和實驗內容外，實驗教師應更關注學生關心的問題，面對各種冗雜，在教學互動中激發其好奇心和興趣，在實踐中反思。或許這樣的電路分析實驗課程才會一直受到學生的喜愛。

參考文獻

[1] L·迪·芬克，著.創造有意義的學習經歷[M].胡美馨，劉穎，譯.杭州：浙江大學出版社，2006：10-45.

[2] 王靜，邢冰冰，羅文.電路分析實驗教學改革的實施[J].實驗技術與管理，2009，26（9）：131-134.

[3] 陳壽坤.電路分析實驗課程教學改革的研究[J].實驗室科學，2012，15（6）：6-9.

[4] 張文婷，王紫婷.電路分析實驗課程教學改革的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：146-148.