基于虛實(shí)結(jié)合的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳淼，李偉

（浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院，浙江 紹興）

一 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)際“芯片戰(zhàn)”的加劇，國(guó)產(chǎn)替代[1]成為人們討論的主流話題和必然趨勢(shì)。這就要求國(guó)人發(fā)憤圖強(qiáng)，提高自身的能力和水平。電路原理作為電類的基礎(chǔ)必修課程，為后續(xù)電類更高層次的課程提供理論基礎(chǔ)。電路原理實(shí)驗(yàn)也為學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐提供一個(gè)開(kāi)端，為培養(yǎng)學(xué)生興趣和思維方式打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn)卻存在以下幾種問(wèn)題：

（1）多數(shù)學(xué)生第一次接觸相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不熟悉，搭建電路容易出錯(cuò)[2]；

（2）對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生只是簡(jiǎn)單地記錄數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的正確與否并不了解；

（3）學(xué)生對(duì)電路結(jié)構(gòu)不夠了解，遇到問(wèn)題不會(huì)解決，缺乏解決問(wèn)題的能力，從而影響實(shí)驗(yàn)熱情[3]；

（4） 課上時(shí)間不夠，由于實(shí)驗(yàn)室課外時(shí)間不開(kāi)放，課外學(xué)生也沒(méi)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成完整實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，本文提出一種 “虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒4-5]，即在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前通過(guò)Multisum軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，記錄仿真數(shù)據(jù)，然后在課上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行電路搭建，記錄數(shù)據(jù)并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，查找數(shù)據(jù)出入點(diǎn)的原因并改正，課后進(jìn)入開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室查缺補(bǔ)漏及知識(shí)擴(kuò)展，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)、數(shù)據(jù)分析及總結(jié)等。進(jìn)一步提升學(xué)生獨(dú)立思考能力及動(dòng)手能力及解決問(wèn)題的能力。

二 電路原理實(shí)驗(yàn)基本情況

電路原理實(shí)驗(yàn)室主要針對(duì)我校低年級(jí)學(xué)生使用，主要包括電子信息工程專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)、通信工程專業(yè)及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)。由于之前的實(shí)驗(yàn)臺(tái)年限比較久，實(shí)驗(yàn)過(guò)程容易壞，影響學(xué)生效率及興趣，學(xué)校對(duì)此也比較重視，采購(gòu)了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并優(yōu)化了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：了解電路原理及基本電路結(jié)構(gòu)，熟悉電路搭建流程，并能夠排查電路故障，解決實(shí)際問(wèn)題，提高獨(dú)立思考能力及動(dòng)手能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：疊加原理的驗(yàn)證、戴維南定理和諾頓定理的驗(yàn)證、最大功率傳輸條件的測(cè)定、RLC串聯(lián)諧振電路的研究、RC一節(jié)電路的響應(yīng)測(cè)試、三相交流電路電壓電流的測(cè)量。

三 教學(xué)改革內(nèi)容

（1）增加綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)比例，改變學(xué)生觀念及模式，提高學(xué)生綜合水平[6]。

（2）采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，即虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式[7-9]；相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高了教學(xué)效果及效率，激發(fā)了學(xué)生的思維能力及自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生的興趣及解決問(wèn)題的能力。其主要包括三個(gè)方面，即課前預(yù)習(xí)及仿真、課中實(shí)驗(yàn)及分析、課后總結(jié)及探討[10-11]。

（3）建立開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生課外也有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)加強(qiáng)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的管理，為學(xué)生提供便利。

四 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革案例分析

基于以上教學(xué)內(nèi)容的改革，結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行闡述和說(shuō)明，本文以“RC一階電路的響應(yīng)測(cè)試”為例。

（一） 實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)

上實(shí)驗(yàn)課前，首先理論課老師會(huì)對(duì)相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行講解，然后再安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)要求大家掌握RC電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。在仿真實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生應(yīng)掌握相關(guān)定義，其定義為：在線性電路中，響應(yīng)可以由外施激勵(lì)源和初始儲(chǔ)能共同產(chǎn)生，當(dāng)動(dòng)態(tài)元件的初始儲(chǔ)能為零，僅有外施激勵(lì)源引起的響應(yīng)為零狀態(tài)響應(yīng)；換路后電路無(wú)外施激勵(lì)源，僅由初始儲(chǔ)能引起的響應(yīng)為零輸入響應(yīng)[12]。

（二） 實(shí)驗(yàn)仿真電路設(shè)計(jì)

由于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡過(guò)程是十分短暫的單次變化過(guò)程，要用普通示波器觀察過(guò)渡過(guò)程和測(cè)量有關(guān)參數(shù)，就必須使這種單詞變化過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)，為此，我們利用信號(hào)發(fā)生器輸出的方波來(lái)模擬階躍激勵(lì)信號(hào)，利用方波的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號(hào)；利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號(hào)。根據(jù)負(fù)載端的元件不同，RC電路可以組成微分電路及積分電路。其示意圖如圖2所示。

圖2 微分電路、積分電路示意圖

為了使仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有個(gè)直觀的對(duì)比，在選擇元器件參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量選取與實(shí)驗(yàn)裝置一樣的參數(shù)，所以在仿真前，教師應(yīng)給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)元器件的參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.積分電路：仿真積分電路，取R=10KΩ，C=0.01uF，組成如圖3(a)所示的積分電路。激勵(lì)源采用信號(hào)發(fā)生器輸出Um=3V、f=1KHz的方波信號(hào)，搭建積分電路，并通過(guò)示波器觀察響應(yīng)變化情況。

圖3 積分電路仿真電路及結(jié)果

結(jié)合輸入波形和輸出波形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電路的輸出信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓的積分成正比。電容先充電，為零狀態(tài)響應(yīng)，后放電，為零輸入響應(yīng)。

少量地改變電容值或電阻值，定性地觀察對(duì)響應(yīng)的影響。

（1）電阻R不變，少量的減少電容C至2200pF，輸出波形變陡；

（2）電阻R不變，將電容0.01uF和3300pF都打開(kāi)，由于2個(gè)電容是并聯(lián)關(guān)系，即少量增大電容C，輸出波形平緩；

（3）電容C不變，將電阻30K和10K都打開(kāi)，由于2個(gè)電阻是并聯(lián)關(guān)系，即電阻R減小，輸出波形變陡；

（4）電容C不變，電阻R增大至30K，輸出波形變平緩。

2.微分電路：仿真微分電路，取C=0.01μF，R=100Ω，組成如圖4(a)所示的微分電路。激勵(lì)源采用信號(hào)發(fā)生器輸出Um=3V、f=1KHz的方波信號(hào)，搭建積分電路，并通過(guò)示波器觀察響應(yīng)變化情況。

圖4 微分電路仿真電路及結(jié)果

為了更直觀的觀察輸出波形，這里把輸入波形接GND觸發(fā)，即不顯示輸入波形，可以觀察到響應(yīng)是一個(gè)尖脈沖波形，符合微分電路情況。

增減R的值，定性地觀察對(duì)響應(yīng)的影響。

（1）當(dāng)電容C不變時(shí)，減小R至20Ω時(shí)，輸出波形變化不明顯；

（2）當(dāng)電容C不變時(shí)，增大R至5KΩ時(shí)，輸出波形脈沖變得越來(lái)越明顯，當(dāng)R增大至1MΩ時(shí)，輸出波形是接近于輸入的方波波形。

（三） 課上實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)及軟件的仿真，對(duì)RC一階動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果應(yīng)有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。首先，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上選擇信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源，并調(diào)整輸出為Um=3V，f=1KHz的方波信號(hào)，然后分別搭建積分電路和微分電路，記錄相關(guān)波形數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 積分電路、微分電路輸出結(jié)果

通過(guò)積分電路與微分電路的課上搭建，可以發(fā)現(xiàn)積分電路和微分電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真時(shí)一致，從而一方面對(duì)原理進(jìn)行了驗(yàn)證，另一方面提高了動(dòng)手能力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以熟悉相關(guān)儀器的使用方法和技巧。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真不一致時(shí)，可以主動(dòng)去思考問(wèn)題所在，從而解決問(wèn)題，提高了獨(dú)立思考及解決問(wèn)題的能力。

（四） 課后總結(jié)

學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)，首先，可以做一個(gè)深入的總結(jié)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)了解多少內(nèi)容，對(duì)有疑問(wèn)的知識(shí)可以通過(guò)線下及線上的方式與老師進(jìn)行溝通交流。其次，學(xué)生可以走進(jìn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，把有疑問(wèn)的地方通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證一下，加深印象；同時(shí)，可以對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行發(fā)散，如RC二階動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，并在課外完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不僅僅是抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的內(nèi)容，而是要通過(guò)自己的語(yǔ)言描繪出實(shí)驗(yàn)的理論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行一個(gè)精確的分析，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)本實(shí)驗(yàn)的總結(jié)如下：

（1）由于積分電路的條件是τ=RC＞＞T/2，當(dāng)減小電阻R到一定值時(shí)，積分條件就不滿足，輸出就變成一條直線。

（2）由于微分電路的條件是τ=RC＜＜T/2，當(dāng)增大電阻R到一定值時(shí)，積分條件就不滿足，輸出時(shí)越來(lái)越接近輸入的方波。

五 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕虒W(xué)改革，本人及相關(guān)專業(yè)老師進(jìn)行了深入調(diào)研及對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果明顯，學(xué)生更愿意主動(dòng)去思考問(wèn)題及解決問(wèn)題了。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。