“電路理論基礎實驗”線上教學的探索與實踐

顧俏麗，楊文榮，裘之亮，董 超，李 英

（1.河北工業大學 電氣工程學院，天津300130；2.國機重工集團國際裝備有限公司，北京100176）

0 引言

突發而至的新冠肺炎疫情防控使得全國乃至全世界的學校教學模式從2020年春季開始，被強制納入線上教學模式［1］。傳統的線下實驗教學因需要借助實驗設備，受到時間、空間等方面的現實局限，在恢復正常實驗教學日期不明朗的前提下，需要有新的方法來滿足大學生實驗教學的要求［2～3］。如何利用現有的信息技術轉換教學模式，將實驗搬到線上，并能有效調動學生的學習積極性，完整的還原和實現各個實驗環節，充分發揮線上資源的優勢對實驗內容進行適當的擴充和提升，已經成為當前亟待解決的問題。

本文將詳細介紹在延期開學期間，我院基于北京潤尼爾網絡科技有限公司提供的“電路分析虛擬實驗室”，結合線上交流媒介，為學生構建的立體的線上實驗課。本文還對線上實驗課的教學效果以及存在的問題進行了評價分析，旨在對線上實驗課的廣泛開展提供一定借鑒作用。

1 虛擬實驗教學平臺與實驗課程的結合

我?！半娐防碚摶A實驗”課程是電子信息、自動化等信息類專業學生接觸的第一門專業基礎實驗必修課，課程為20學時，包含10個實驗。該課程旨在幫助學生鞏固并加深對所學理論知識的理解，掌握基本電路的測量、分析方法，其教學效果的好壞直接影響到“模擬、數字電路實驗”等后繼實驗課程的開設［4～5］。

經過資源對比，我們選擇的虛擬實驗平臺為北京潤尼爾網絡科技有限公司針對“電路分析”實驗課程，配套開發的開放式網上電路分析虛擬實驗室。仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供相似的實驗環境，學生可以自主選擇邏輯器件或者電路元件搭建電路進行仿真實驗。

虛擬實驗室提供了108個實驗元件和16個典型實驗案例，將實驗教學計劃和平臺資源充分融合后，我們可將實驗分為三類，完成10個原教學計劃其中的8個：典型實驗案例中可直接使用的4個；實驗內容相對簡單需進行擴充的2個；提供的實驗列表中沒有，但是借助實驗平臺可獨立設計完成的2個。由于條件限制，2個交流電路的實驗需返校后到實驗室完成或利用其它實驗替換。實驗計劃每周開放一個，學生可自主選擇課余時間完成，內容與授課計劃保持一致。

2 線上實驗教學實踐操作

疫情環境下，隨著授課形式的改變，實驗室教師的職責也相應的發生轉變。

2.1 教師課前準備工作

課前無需再準備相關實驗器材，但需要提前熟悉虛擬實驗環境，通過親自搭建各個實驗電路，逐步操作并試錯，找出學生的易錯點和實驗注意事項；及時發現個別實驗過程中，虛擬實驗環境需要的特殊操作規范或與常規實際情況不相符之處；制作與課程有關的實驗講義、PPT或視頻講解；合理安排學習進度，通過網絡及時發布相關學習材料。

2.2 虛擬仿真實驗操作

學生通過自主學習教師發布的相關課程資源后，即可通過登錄相關網址進入虛擬仿真實驗平臺開始獨立的實驗操作。圖1為實驗臺頁面截圖。

圖1 實驗臺

“電路分析虛擬實驗室”系統總體框架包含：元件庫、實驗臺、屬性欄和菜單欄。實驗臺居中，學生可從左側元件庫選擇器材構建電路。選中相應元件，通過右側屬性欄可修改顯示標簽、設置參數。點擊上方菜單欄下的虛擬儀器標簽，可在電路中加入示波器、電壓表、電流表等虛擬儀表。通過點擊鼠標可完成元件連接，電路搭建完成后，點擊運行按鈕，即可進行實驗的仿真運算，等待運行結果顯示。

如電路搭建有誤，儀表示數不正確甚至不顯示，學生可根據不正確的數據預判錯誤點，檢查連接是否正常，元件參數是否正確。有一些特殊事項需提醒學生注意，如：實驗運行過程中不可進行修改參數、標簽等設置操作，需先停止程序后進行；盡量確保有接地端等，這些都會導致誤操作或結果出錯。如反復檢查后未能自行解決，可進一步求助教師或同學，進行線上交流和討論。實驗完畢后學生可在實驗臺下方實驗內容部分填寫相關表格，上傳要求圖片完成實驗報告并提交。

2.3 線上教學

從課上以教師講授為主、面對面指導轉變為教師輔導為主，學生自主學習與師生合作學習相結合的線上學習方式。學生通過自主學習相關實驗課程資源，獲得對實驗內容、實驗操作以及注意事項等的初步認識和基本了解。教師應及時組織線上答疑，針對學習或實驗操作中存在的疑問，通過師生或生生互動釋疑，使學生走出認知誤區，實現自主學習與合作學習的有機結合，同時可實現教師線上監督學生的學習進度和質量。

2.4 實驗考核

登錄教師端可在實驗提交列表中查看已提交同學的相關信息，系統通過智能批改給出預判成績，教師可手動批改進行成績修正。教師可進入對應學生的實驗臺查看電路，給出實驗成績，在線批改實驗報告，給出報告成績。通過預設的實驗成績與報告成績的比例得到總成績，提交后錄入系統。點擊發布成績后，學生可登錄賬號查看成績，通過教師的批注和評語檢查電路和報告內容的錯誤之處。圖2為已批改的實驗報告內容。

圖2 實驗報告

3 線上實驗教學的效果及評價

3.1 線上實驗的優點

日前已按進度在線完成4個實驗，并對學生進行匿名問卷調查，綜合各個實驗完成情況和學生反饋可分析得出：

1）驗證性實驗通過仿真基本可以達到實驗目的

類似于“基爾霍夫定律的驗證”和“疊加定理的驗證”這種基礎性的驗證實驗，實驗電路較簡單，學生搭建好電路后即可利用虛擬平臺模擬電壓表和電流表的運行，測量數據進行驗證。一些注意事項如需注意直流儀表的正負極性同樣適用，操作過程簡單、目的明了。而且可避免實際實驗時，由于學生的一些誤操作如直接短接電壓源、電流表而造成的儀器儀表的毀壞。匿名問卷調查結果顯示，超過90%的同學認為通過實驗平臺能達到實驗目的，如圖3所示。

圖3 學生對驗證性實驗的反饋

2）可以實現儀器儀表功能熟悉和使用練習

在“數字萬用表、信號發生器與示波器的使用”這個實驗中，平臺模擬了萬用表和各個類型的信號發生器與示波器的面板與操作。通過問卷調查發現大約70%的同學認為實驗界面清晰，控制面板還原度很高，使學生能達到在實驗室真實操作的目的，但部分學生反映操作過程不夠順暢，如圖4所示。

圖4 學生對儀表類實驗的反饋

3）線上實驗安排靈活，生生交流順暢

不需要統一安排實驗時間，學生可自主利用課余時間隨時進行實驗并且操作時間不限時。學生除了完成既定實驗內容外，還可以改變某一實驗條件或加入新儀表，自主設計并驗證相關實驗內容，大大提高了學生的能動性和創新力。線上交流答疑時，很多同學會在群里積極參與交流與糾錯，共享自己的經驗或小竅門。遇到問題或特殊情況如系統故障時，會互相打氣鼓勵，氣氛活躍。文獻［6］總結了“非典”時期的線上學習經驗，得到結論：許多學生認為網絡教育可以“暢所欲言”，還可以“結交朋友”和“解除疑問、增長知識”，可見，合理利用線上形式，可消除老師固有的“呆板”和畏懼感，能加強師生間的理解，提高學生的學習興趣和主動性。

4）學生報告記錄完整，考核方便

批改實驗環節，在教師端可同時查看學生的實驗臺和數據。教師能夠檢查學生是否搭建電路，避免個別同學作弊直接抄數據的行為。教師批改實驗報告時能標對號和錯號，做批注、留評語給出建議，操作方式多樣、方便。通過檢查電路正確與否和批改數據，可發現學生的操作誤區和知識點掌握不牢固之處。批改成績結束后，可根據實驗完成情況進行總結，制作完成新的學習資源結合正確答案發放，幫助學生梳理本次實驗的知識點，糾正學生搭建電路的不規范之處，完成糾錯和知識的鞏固吸收。

3.2 線上實驗的不足之處

與實際操作相比，虛擬實驗不可避免的存在一些缺點。

1）個別元件參數理想化

例一，實際受控源輸入端接入電流和電壓不能過高，電流應小于0.5 mA，電壓應小于5 V，否則會燒毀芯片，而軟件庫中的模擬受控源，輸入端接入的電壓、電流數值大小可任意設置，沒有上限，輸出端按原理可測得無限大的電壓或電流，與實際不符。在實驗過程中，個別粗心的同學由于沒有注意電流單位或實驗要求，輸入端電流設置了安培級別的電流，仿真仍可正常進行，從而導致結果錯誤。例二，某個實驗的測量結果與理論結果完全一致，誤差為0，細心的同學難免會質疑實驗數據的可靠性。

2）個別儀表操作規范與實際不同

例用示波器連接信號發生器與觀察波形時，兩個儀表的數據變化不能實時同步。實際操作時改變信號發生器的參數設置即可在示波器端同步觀察波形的改變，而在模擬環境下，需停止實驗，關閉信號發生器，重新打開信號發生器，設置新參數，示波器波形才會更新。如果不停止實驗直接修改信號參數，或不關閉信號發生器直接修改參數，示波器波形都不會更新，仍舊保持上一個觀察的波形。所以實驗過程中如果操作不規范，波形結果就會不正確，學生在連續操作過程中難免出錯，造成困擾。另外系統不能模擬一些參數的連續變化，如有的步驟需要連續調節電阻或電流以找到某個特定的合適的電阻或電壓值，模擬時只能不停的停止程序、試數如此往復。

3）其他情況

由于實驗資源大，比較耗費服務器，當學生集中在線實驗，訪問人數過多時，服務器壓力過大，會出現暫存或提交失敗，導致已填寫的數據或圖片丟失，影響學生正常使用和心情，需錯峰使用并注意及時清理瀏覽器緩存，多暫存，提前截圖或拍照片保存備用。另外線上實驗要求網絡和電腦，一些家庭特殊或偏遠地方的學生不滿足；平臺對電腦系統和配置有要求，一些同學的電腦達不到。

4 結語

運用虛擬實驗平臺開展線上實驗教學對于大多數學生和教師來說是一種新生事物，它不僅是最大限度減少疫情對正常教學影響所采取的應急措施，也是運用信息技術拓展學習途徑、轉變學習方式、培養學生自主學習的一種積極嘗試。授課方式的轉變需要教師群策群力，提前認真“備課”，精心設計教學內容，保證線上交流和答疑，監督學生按時保質量完成各項任務；需要學生作為學習主體，變被動為主動，養成正確的學習方法和較強的自學能力，激發學習興趣，利用虛擬仿真平臺在玩中學、學中做，實現理論知識的學習和動手能力的雙重提升。通過圖5和圖6我們可以看到，線上實驗得到了大概70%同學的認可，很多同學評價良好。作為特殊時期停課不停學的解決途徑，虛擬實驗平臺能滿足本實驗課程大部分內容的要求，充分保障實驗教學的內容和質量的同時，也促進了學生的自主學習能力。線上理論教學發展已久，實驗教學也可以借鑒，基礎的簡單的驗證實驗和一些儀表的使用練習可放到線上完成，也可以課下留一部分擴充或綜合設計實驗到網上模擬，靈活機動。

圖5 學生認可度調查

圖6 學生評語