網(wǎng)絡(luò)化、開放式電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

荊娟娟 顏少波 徐美玉

（河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽471023）

0 引言

如何調(diào)動(dòng)學(xué)生自主思考的積極性，提高工程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐能力，一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要解決的痛點(diǎn)，傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合學(xué)生的時(shí)間、指導(dǎo)教師的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室的排課時(shí)間，考量三個(gè)維度后，集中到實(shí)驗(yàn)室“教師帶著學(xué)生做實(shí)驗(yàn)”。對(duì)此，電路實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì)探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，打破固化的學(xué)生只能在教師的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式，以學(xué)生為主體，尊重學(xué)生的自主意識(shí)，充分利用學(xué)生的課外時(shí)間和手邊資源，通過開放實(shí)驗(yàn)室的形式、網(wǎng)絡(luò)化線上線下相結(jié)合的教師指導(dǎo)方式等改變，讓學(xué)生獨(dú)立自主地去完成實(shí)驗(yàn)過程，在綜合運(yùn)用理論課程所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，激發(fā)其自主思考的積極性，提高實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

1 線上線下相結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

依托學(xué)習(xí)通在線開放課程平臺(tái)，指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)電路實(shí)驗(yàn)的章節(jié)框架，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑓⒖紝?shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或自行進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案制定以及數(shù)據(jù)測(cè)試等工作，并通過手機(jī)學(xué)習(xí)通實(shí)現(xiàn)與指導(dǎo)教師的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1]，如圖1所示。每個(gè)實(shí)驗(yàn)大致分為預(yù)習(xí)及其審核、實(shí)驗(yàn)操作和課后總結(jié)三個(gè)部分，所有的數(shù)據(jù)資料都可以留存。

圖1 超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)頁版與手機(jī)App界面

1.1 預(yù)習(xí)及其審核

預(yù)習(xí)任務(wù)包括線上觀看相關(guān)理論視頻，回答客觀題等，部分實(shí)驗(yàn)需要完成設(shè)計(jì)任務(wù)并在平臺(tái)提交、指導(dǎo)教師審核，只有完成預(yù)習(xí)任務(wù)，審核通過后才可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)。把預(yù)習(xí)任務(wù)放到課堂教學(xué)以外，可以充分利用學(xué)生的課余時(shí)間，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足的問題；布置設(shè)計(jì)性題目，促使學(xué)生利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合理論知識(shí)，借助軟件仿真，學(xué)以致用。

以雙口網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)為例，指導(dǎo)教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)下發(fā)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生自行學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，并完成客觀題后，依據(jù)限定元件自行完成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，搭建T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)，及二者級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路；使用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真，在給定電壓、開路或短路限定條件下，記錄相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)，并形成元件清單，同時(shí)根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算T矩陣并推導(dǎo)T矩陣的通用表示形式。完成后將設(shè)計(jì)方案及數(shù)據(jù)上傳，指導(dǎo)教師對(duì)方案進(jìn)行批改、確認(rèn)，審核通過后方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

學(xué)生設(shè)計(jì)電路選取電阻阻值的多樣性，導(dǎo)致判斷測(cè)量數(shù)據(jù)正確與否變得煩瑣，可借助同時(shí)測(cè)量法的實(shí)驗(yàn)思路，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)T矩陣中A、B、C、D的通用表示形式[2]。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，給定電壓源為直流穩(wěn)壓電源，電壓統(tǒng)一默認(rèn)單位為V，電流單位為mA；第一個(gè)下標(biāo)表示輸入端或輸出端，第二個(gè)下標(biāo)表示條件，O表示開路，S表示短路。故有：U2O=U1O/A，I1O=U2OC×1000，I2S=U2S/B×1000，I1S=I2SD。從而得到各個(gè)被測(cè)量對(duì)象的理論值，借助Excel等數(shù)據(jù)處理軟件，提前編輯各個(gè)對(duì)象間的計(jì)算關(guān)系，以便驗(yàn)收學(xué)生測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，快速判斷學(xué)生的數(shù)據(jù)是否正確。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

1.2.1 課時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)操環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)教師講解設(shè)備儀器、儀表的使用方法、元件識(shí)別方法和電路組裝技巧，強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)；學(xué)生在現(xiàn)有的臺(tái)架或面包板上，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或之前審核通過、自主設(shè)計(jì)的電路原理圖，選取正確的元件搭接電路，并在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)學(xué)習(xí)通相應(yīng)要求，拍照留存過程照片或視頻。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成后，采取現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的形式，指導(dǎo)教師可隨機(jī)提問問題、對(duì)學(xué)生測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行批改、讓學(xué)生重現(xiàn)某一數(shù)據(jù)的測(cè)得過程等，目的在于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與經(jīng)典理論沖突矛盾的地方，即理論無法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象無法印證理論時(shí)，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)，不放過問題，進(jìn)而深入思考[3]。

以三相電路功率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，用有功功率表測(cè)量對(duì)稱負(fù)載無功功率時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的是三相對(duì)稱的白熾燈、電容，理論上套用無功功率的計(jì)算公式，容性負(fù)載無功功率應(yīng)是負(fù)值。為了加深學(xué)生對(duì)無功功率的理解，且深刻地認(rèn)知三線電源的相序在實(shí)際生產(chǎn)中的重要意義，故意設(shè)置“陷阱”，將一些實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三相電源接成逆序，使得實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得容性負(fù)載無功功率的數(shù)值是正值。顯然，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)是不正確的，學(xué)生往往也會(huì)發(fā)出質(zhì)疑。此時(shí)，指導(dǎo)教師只需引導(dǎo)學(xué)生考慮這一現(xiàn)象和三相電源相序間的關(guān)系，制造且拋出問題，指明方向，留待學(xué)生自主解答。

1.2.2 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

由于課時(shí)所限，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題后也需要時(shí)間查閱資料，故需另外在實(shí)驗(yàn)室空閑的時(shí)間開放實(shí)驗(yàn)室，以供學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。例如，三相電源的相序怎么測(cè)定？部分學(xué)生課下查閱資料發(fā)現(xiàn)，可以借助仿真軟件設(shè)計(jì)電容型相序儀電路原理圖，之后利用實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭接電路，進(jìn)行相序的測(cè)定。可以得出結(jié)論，白熾燈較亮的是電容的后續(xù)相，再去判斷自己所在實(shí)驗(yàn)臺(tái)相序是正序還是逆序，和測(cè)得容性負(fù)載無功功率的正負(fù)號(hào)是否吻合。從工程實(shí)踐的視角去引導(dǎo)學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考、大膽質(zhì)疑、小心驗(yàn)證。

1.2.3 課堂思政

為了督促學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，從細(xì)節(jié)做起，把整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)歸為實(shí)驗(yàn)操作成績考核的一部分。要求學(xué)生在每次實(shí)驗(yàn)完成后，必須整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括還原工具、儀器位置，整理導(dǎo)線，擺放凳子，保持實(shí)驗(yàn)臺(tái)整潔衛(wèi)生，并拍照上傳學(xué)習(xí)通，如圖2所示。

圖2 整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)示例

1.3 課后總結(jié)

課后總結(jié)包括回答思考題，上傳過程照片或視頻、帶有教師簽字的原始數(shù)據(jù)照片、設(shè)計(jì)報(bào)告等。書寫一份完整、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，督促學(xué)生回顧、梳理整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，從而查缺補(bǔ)漏，是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)之一，尤其是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以以附件的形式提交。實(shí)驗(yàn)報(bào)告需反映以下工作：方案設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)的電路原理圖、數(shù)據(jù)記錄表格及理論推導(dǎo)；電路驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上選取正確的元件，連接調(diào)試電路，測(cè)取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；數(shù)據(jù)分析；補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題是怎么解決的；實(shí)驗(yàn)總結(jié)，思考過程、心得體會(huì)等。

2 開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境

開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以從實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)開放，實(shí)驗(yàn)室開放，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放三個(gè)方面來理解。

2.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)開放

指導(dǎo)教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)創(chuàng)建電路實(shí)驗(yàn)課程，并關(guān)聯(lián)學(xué)生之后，學(xué)生和指導(dǎo)教師間的聯(lián)系就建立起來。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生可根據(jù)任務(wù)要求；或針對(duì)課時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題；查閱資料，在學(xué)習(xí)通手機(jī)端詢問教師，借助多樣的仿真軟件，靈活分配時(shí)間，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)室開放

針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)在課內(nèi)時(shí)間沒有完成的情況下，或?qū)嶒?yàn)過程中產(chǎn)生懷疑需要再進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，可以在實(shí)驗(yàn)室空余的時(shí)間，填寫實(shí)驗(yàn)室開放登記本，詳細(xì)填寫日期、時(shí)間、姓名、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)等信息后，再次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放

所謂實(shí)驗(yàn)，本就是驗(yàn)證經(jīng)典理論之后，在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上靈活實(shí)踐運(yùn)用，最終用于解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中遇到的問題，而工程實(shí)踐中遇到的問題，尚未可知，沒有定數(shù)，故實(shí)驗(yàn)形式、內(nèi)容也不應(yīng)該局限固有的電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[4]。

例如，戴維寧定理的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上提供兩路直流穩(wěn)壓電源，一路電流源，兩塊搭接好的實(shí)驗(yàn)電路板，符合戴維寧定理成立的條件即可自由選擇、任意組合，并通過繪制等效前后的電壓、電流關(guān)系曲線，達(dá)到驗(yàn)證其目的即可。

例如，判斷三相交流電源是正序還是逆序，方法很多，可以結(jié)合電路、數(shù)模電的知識(shí)，來實(shí)現(xiàn)相序的自動(dòng)判定，實(shí)現(xiàn)正序指示燈亮，否則不亮，也可在此基礎(chǔ)上增加正序上電逆序斷電的功能，進(jìn)一步接近相序繼電器的控制邏輯。啟發(fā)學(xué)生現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品源于理論，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用。

3 考核要求

課前預(yù)習(xí)，將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)準(zhǔn)備、理論公式推導(dǎo)、表格制定、方案設(shè)計(jì)等上傳學(xué)習(xí)通平臺(tái)，指導(dǎo)教師進(jìn)行審核，占比10%；實(shí)際操作，電路搭建、儀器操作熟練，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄清晰、準(zhǔn)確，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)方案合理，現(xiàn)象、結(jié)果正確，占比50%；課后總結(jié)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整、規(guī)范，突出思考過程等，占比40%。

4 實(shí)驗(yàn)改革效果與改進(jìn)

4.1 實(shí)驗(yàn)改革效果

在兩年多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐的過程中，作為指導(dǎo)教師也很欣慰。例如，在T矩陣推導(dǎo)過程中；提高單相交流電路功率因數(shù)中，計(jì)算功率因數(shù)為1時(shí)的理論電容C值；三相三線制供電系統(tǒng)中，證明二瓦計(jì)表法成立等過程中，學(xué)生的方法思路多種多樣，可謂“百花齊放”。

網(wǎng)絡(luò)化、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的角色從隨從者變成了主導(dǎo)者，指導(dǎo)教師從主導(dǎo)者變成了護(hù)航者。從實(shí)驗(yàn)前的電路設(shè)計(jì)、軟件仿真、理論推導(dǎo)，到實(shí)驗(yàn)中的面包板插接、實(shí)驗(yàn)臺(tái)接線、實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)取等實(shí)操，以及發(fā)現(xiàn)問題后的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后的自行總結(jié)，學(xué)生會(huì)自發(fā)的運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)，積極思考，去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，完成實(shí)驗(yàn)后也會(huì)獲得更大的滿足感，從而推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐的動(dòng)力。并在過程中主動(dòng)思考，設(shè)備、軟件、工具等的熟練運(yùn)用，也會(huì)為后期的專業(yè)學(xué)習(xí)、研究打下良好的基礎(chǔ)。

4.2 改進(jìn)方向

進(jìn)一步細(xì)化考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)習(xí)與課后總結(jié)，在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上，可以看到每道題詳細(xì)的分值分配，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生答題情況給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并可填寫評(píng)語，指出學(xué)生失分的地方；細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)指的是實(shí)操部分的考核，以往實(shí)操成績往往和學(xué)生完成的先后順序、完成情況、實(shí)驗(yàn)態(tài)度等有關(guān)，沒有具體量化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要在接下來的實(shí)踐教學(xué)中，繼續(xù)完善。

5 結(jié)語

師者，所以傳道授業(yè)解惑也。作為教師，不僅要教會(huì)學(xué)生理論知識(shí)，更要教會(huì)學(xué)生自主思考，創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手能力，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題。網(wǎng)絡(luò)化、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式只是電路實(shí)驗(yàn)改革的一個(gè)探索，還需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)。