電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以清華大學(xué)“電路原理”實(shí)驗(yàn)課程為例

朱桂萍 王帥國(guó) 宮 晨 李甫成

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電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以清華大學(xué)“電路原理”實(shí)驗(yàn)課程為例

朱桂萍1王帥國(guó)2宮 晨3李甫成4

（1．清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2．清華大學(xué) 在線教育辦公室，北京 100084；3．北京時(shí)代行云科技有限公司，北京 102200；4．美國(guó)迪芝倫科技有限公司中國(guó)分公司，上海 201203）

文章以清華大學(xué)“電路原理”實(shí)驗(yàn)課程為例，介紹了借助便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備和雨課堂進(jìn)行智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的設(shè)計(jì)理念和教學(xué)實(shí)踐：首先，利用便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備有效實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)的有機(jī)融合；然后，基于雨課堂設(shè)計(jì)開發(fā)了電路原理線上線下混合式智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了實(shí)驗(yàn)的智慧化水平。該系統(tǒng)為學(xué)生提供了電路仿真、搭建實(shí)際電路、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果、保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能，最終自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上傳。據(jù)此，教師可以全程準(zhǔn)確掌握每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，使得教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判更加準(zhǔn)確。該系統(tǒng)已于2017年春季學(xué)期起在清華大學(xué)投入使用，獲得了學(xué)生的支持和好評(píng)。

雨課堂；雷實(shí)驗(yàn)；智慧實(shí)驗(yàn)；混合式實(shí)驗(yàn)

引言

“電路原理”實(shí)驗(yàn)課程作為電類專業(yè)基礎(chǔ)課——電路原理的配套課程，是電類專業(yè)培養(yǎng)方案中一門重要的必修課程。隨著元器件和各種測(cè)量設(shè)備的性能改進(jìn)以及新的測(cè)量技術(shù)不斷涌現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)高校的電路原理實(shí)驗(yàn)可大致分為基于分立器件的實(shí)驗(yàn)、基于通用或定制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)、基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)三種形式。每一種實(shí)驗(yàn)形式都各有優(yōu)缺點(diǎn)：①基于分立器件的實(shí)驗(yàn)有利于幫助學(xué)生建立對(duì)各種元器件和測(cè)量設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)，但體積大、集成度低，不易開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)。②基于通用或定制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)集成度有所提高，但同時(shí)把大部分實(shí)驗(yàn)元器件隱藏到了面板后面，學(xué)生對(duì)各種元器件和測(cè)量設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)有所削弱；另外由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的空間有限，元件配置基本固定，也不易開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)。基于分立器件的實(shí)驗(yàn)和基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)都需要在指定的時(shí)間到固定的地點(diǎn)（通常是實(shí)驗(yàn)室）去完成，教學(xué)靈活性比較差。③基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)在集成度和實(shí)驗(yàn)靈活性上都有了大幅提升，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)也比較容易，唯一不利的是學(xué)生對(duì)各種元器件和測(cè)量設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)進(jìn)一步削弱，甚至出現(xiàn)完成電路實(shí)驗(yàn)后都不知道實(shí)際的電感電容為何物的情況，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力都非常不利。

2013年以來，清華大學(xué)電路原理教學(xué)組借助自己錄制的MOOC資源[1]，利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式，在理論課教學(xué)中開展了以學(xué)生為中心的混合式教學(xué)實(shí)踐[2]，取得了良好的效果。但實(shí)驗(yàn)課程改革卻一直踟躕不前，最主要的原因是一直沒有找到新的教育教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)合點(diǎn)。受理論課程教學(xué)改革的啟發(fā)，本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于雨課堂[3]的電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

一 智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

清華大學(xué)電路原理教學(xué)組首先借助便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備——從最初NI的myDAQ到Digilent的Analog Discovery 2再到目前時(shí)代行云科技的A+D Lab，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)的有機(jī)融合。目前在兩學(xué)期共96學(xué)時(shí)（64+32）的理論課學(xué)習(xí)中，已分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了15+8個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)中既有較為簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生在課前通過MOOC平臺(tái)自學(xué)完成相關(guān)內(nèi)容后即可利用便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成；也有一些難度較大的研究性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)通常需要學(xué)生設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一些具有特定功能的電路，一般安排在完成課堂討論、深刻理解某一部分知識(shí)點(diǎn)后再進(jìn)行。這種理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的模式，一方面通過時(shí)序上的完美配合使得理論知識(shí)一學(xué)完立刻就能學(xué)以致用，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；另一方面通過解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又幫助學(xué)生加深了對(duì)基本概念的理解，把抽象的理論具體化，大大提升了教學(xué)效果。在過去的四年中，這一教學(xué)模式在清華大學(xué)“電路原理”課程中獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)同。

但這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺匀淮嬖谝恍┯写倪M(jìn)的地方，主要體現(xiàn)在三點(diǎn)：①由于實(shí)驗(yàn)數(shù)量比較多，不可能要求學(xué)生對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)那些不提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的實(shí)驗(yàn)只能最后在課堂上檢查一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師無法全面了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題以及解決問題的具體過程，而這些恰恰是實(shí)驗(yàn)價(jià)值之所在；②教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程缺乏必要的監(jiān)管手段，尤其是每學(xué)期最后安排的一個(gè)大實(shí)驗(yàn)，時(shí)間跨度較大（前后共6周時(shí)間），但學(xué)生經(jīng)常到最后2周才開始突擊，客觀上不利于做出有創(chuàng)意的成果；③目前學(xué)生寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，習(xí)慣性大量照抄實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的一些基本概念或定理定律，比較浪費(fèi)時(shí)間，更重要的是提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或波形都只是一條“死”的曲線，如果在批改過程中教師對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)波形有疑問，不能便捷地核查實(shí)驗(yàn)波形所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。

基于上述原因，本研究秉承以下理念和原則設(shè)計(jì)了電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：①使用方便，充分利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，與已有的便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備兼容，無需新增任何硬件設(shè)備；②教師可隨時(shí)了解全班每一位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況；③按照教師設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中上傳必要的圖片、數(shù)據(jù)和相關(guān)分析說明，最終自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；④保證實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性；⑤教師可查閱實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)應(yīng)的真實(shí)數(shù)據(jù)；⑥實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以永久保留，教師既可以在手機(jī)上即時(shí)批閱，也可以在任何時(shí)候通過電腦下載批閱。

圖1 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能與流程

二 智慧實(shí)驗(yàn)的流程和主要特點(diǎn)

1 智慧實(shí)驗(yàn)的流程

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)基于雨課堂平臺(tái)和便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“雷實(shí)驗(yàn)”（Lab of Electronics Intelligence，LEI）。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能及實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。由圖1可知，教師和學(xué)生之間通過雨課堂服務(wù)器進(jìn)行交互。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的四個(gè)步驟——仿真、搭建實(shí)物電路、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果、上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，學(xué)生可以在任意一個(gè)步驟暫存后，或返回修改，或退出實(shí)驗(yàn)，下次重新登錄后可以從已經(jīng)完成的任一步開始重新進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。

2 智慧實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間、空間限制

實(shí)驗(yàn)采用的便攜式設(shè)備如圖2所示，大小約為23.5′19′3.3cm，通過USB連接線與電腦相連后，可以輸出±5 V和±12 V直流電源，有2路模擬輸入、2路模擬輸出、8路數(shù)字輸入/輸出，最大采樣率可達(dá)100Mbps，輸出最大功率為500mW，可以滿足絕大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)的需求。學(xué)生可以在各種場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方就可以把實(shí)驗(yàn)過程中得到的結(jié)果上傳，沒有信號(hào)時(shí)也可以先單機(jī)實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，待有信號(hào)再上傳。利用該實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生還可以在任何時(shí)候把自己腦海中靈光一現(xiàn)的一些想法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，為訓(xùn)練創(chuàng)新思維、進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)提供了一個(gè)較好的平臺(tái)。

圖2 便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀

（2）線上線下充分結(jié)合

線上線下的充分結(jié)合，一方面有效保證了實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，另一方面便于教師進(jìn)行管理——這是電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與單機(jī)版“口袋實(shí)驗(yàn)室”的最大區(qū)別。學(xué)生在“雨課堂”微信公眾號(hào)中收到教師布置的新實(shí)驗(yàn)通知后，需要用自己的微信登錄，然后才能在智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所需的仿真軟件是完全內(nèi)置的，實(shí)物電路需要多角度拍照上傳，系統(tǒng)可獲取硬件設(shè)備的序列號(hào)，與波形對(duì)應(yīng)的真實(shí)數(shù)據(jù)同步上傳，這些措施都有效保證了實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。教師通過“雨課堂”可以隨時(shí)查詢學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，便于及時(shí)提醒和管理。目前市場(chǎng)上很多種單機(jī)版的“口袋實(shí)驗(yàn)室”雖然也給學(xué)生提供了比較方便的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4][5][6]，有些已經(jīng)考慮到與MOOC教育相結(jié)合[7]，但教師對(duì)學(xué)生在課外的實(shí)驗(yàn)情況基本無法掌握，相應(yīng)地，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性也無從保證。

（3）自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過流程設(shè)計(jì)，形成了一個(gè)清晰、簡(jiǎn)潔、全面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，學(xué)生只需根據(jù)提示在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟中將相應(yīng)的內(nèi)容（如仿真電路、仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其與仿真結(jié)果的對(duì)比等）截屏或拍照上傳，在結(jié)束實(shí)驗(yàn)時(shí)智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的其它內(nèi)容也可以以附件形式上傳，最終將一并加入實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在保證實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范化的同時(shí)也為個(gè)性化研究預(yù)留了空間。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告可線上、線下批閱

對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可以直接在手機(jī)端進(jìn)行線上批閱，也可以在雨課堂的網(wǎng)頁(yè)版下載后進(jìn)行線下批閱，兼顧了不同年齡段教師的工作習(xí)慣。

圖3 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教師端主要結(jié)果顯示

三 實(shí)例介紹

本研究以筆者在2017年秋季學(xué)期布置的一次實(shí)驗(yàn)“方波、三角波或鋸齒波發(fā)生器”為例，來介紹電路原理智慧實(shí)驗(yàn)過程中的一些主要步驟及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)形式。

1 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)教師端

在電腦上啟動(dòng)便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備相配套的主程序，教師用自己的手機(jī)微信掃碼登錄后就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)管理，包括增、刪、查、改，按照屏幕提示完成即可，此處不再贅述。當(dāng)教師布置完實(shí)驗(yàn)并推送至相應(yīng)班級(jí)后，學(xué)生在“雨課堂”公眾號(hào)中就會(huì)收到新實(shí)驗(yàn)通知。隨著學(xué)生微信登錄主程序，開始實(shí)驗(yàn)，教師的手機(jī)端就會(huì)實(shí)時(shí)更新班級(jí)所有人的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖3（a）、（b）所示。對(duì)于已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)并提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師既可以在手機(jī)端點(diǎn)開進(jìn)行批閱，并給出成績(jī)，如圖3（c）～（g）所示；也可以在雨課堂的網(wǎng)頁(yè)版中下載該實(shí)驗(yàn)報(bào)告，打印出來進(jìn)行批閱。在手機(jī)端可以顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線上任一點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)，如圖3（h）所示。

2 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)學(xué)生端

學(xué)生端啟動(dòng)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的主程序時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須通過USB連接線連接至所用電腦，微信掃碼才能成功登錄，并進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。仿真軟件為TINA（TI）或Multisim（NI），可以在登錄主界面中進(jìn)行設(shè)置，圖4（a）所示界面中的仿真軟件為Multisim。在實(shí)驗(yàn)過程中，完成上一步任務(wù)后才能進(jìn)行下一步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量，如圖4（b）所示。實(shí)驗(yàn)過程的每一步都可以暫存后返回上一步修改或退出，下一次重新登錄后可以繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)。對(duì)于上傳的截屏圖片或?qū)嵨镫娐氛掌伎梢愿郊臃治稣f明，如圖4（c）所示。最終自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以對(duì)報(bào)告中的所有文字說明進(jìn)行集中修改，確認(rèn)后再上傳。

圖4 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)生端主要操作界面

四 結(jié)語

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自2017年春季學(xué)期起在清華大學(xué)“電路原理”翻轉(zhuǎn)課堂班級(jí)中試用，功能不斷完善，交互界面更加友好。便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備大大拓展了實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間邊界，線上線下混合式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絼t充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)思維對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母倪M(jìn)和優(yōu)化。電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)基本可以滿足電路原理、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程的絕大部分實(shí)驗(yàn)需求，為研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了一個(gè)較好的平臺(tái)。

[1]學(xué)堂在線.清華大學(xué)電路原理MOOC課程[OL].

[2]朱桂萍,于歆杰,陸文娟. “電路原理”課程深度改革的實(shí)踐探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013,(5):6-10、33.

[3]王帥國(guó).雨課堂:移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下的智慧教學(xué)工具[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2017,(5):26-32.

[4]漆強(qiáng),劉爽.基于嵌入式系統(tǒng)的“口袋實(shí)驗(yàn)室”設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,(12):97-102.

[5]董介春,于瑞濤,衛(wèi)成兵.口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2017,(3):133-135、147.

[6]初竑邑,房啟志,張麗麗.“口袋實(shí)驗(yàn)室”在電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016,(50):131-132.

[7]鄧力,劉和平,余傳祥.MOOC式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究[J].教育教學(xué)論壇,2016,38:263-264.

The Design and Practice of Intelligent Experiment System for the Principles of Electric Circuits ——Taking the Experiment Course of Principles of Electric Circuits in Tsinghua University for Instance

ZHU Gui-ping1WANG Shuai-guo2GONG Chen3LI Fu-cheng4

Taking the experimental course of Principle of Electric Circuits of Tsinghua University as an example, this article introduced the design concept and teaching practice of intelligent experiment teaching reform in virtue of portable experiment equipment and the rain classroom. Firstly, the integration of experiments and theoretical teaching was effectively realized by using portable experiment equipment in the examplified course. Then, an online-offline hybrid experiment system was designed and developed based on rain classroom, and greatly enhanced the intelligence level of the experiments. In this system, students could perform circuit simulations, built actual circuits, measure experimental results and save experimental data according to the designed process. In addition, the system could automatically generate experiment report and upload it. Through this intelligent experiment system, teacher could accurately grasp each student’s experimental status and evaluate experimental results more precisely based on the uploaded data of the experimental waves. The system has been put into use in Tsinghua University since spring semester in 2017, and has won the support and praise from students.

rain classroom; lab of electronics intelligence,intelligent experiment; hybrid experiment

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0107—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.016

朱桂萍，博士，副教授，長(zhǎng)期從事電路原理課程教學(xué)，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)儲(chǔ)能及其應(yīng)用，郵箱為gpzhu@tsinghua.edu.cn。

2018年3月6日

編輯：小西