OBE理念下“虛實結合”的電路分析實驗教學探索與實踐

張帝，周小杰，權悅，孫雯，國海，胡福志，丁西明

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，安徽蚌埠，233100）

0 引言

實驗教學是高等學校學生借助儀器設備進行實踐性教學的一種組織形式，通過將課程所學理論知識運用于實踐，可以提高學生動手能力，培養其工程實踐能力，是人才培養方案體系中不可或缺的關鍵教學環節。近些年來，隨著國家積極推進新工科建設，對未來人才的工程實踐能力提出了更高要求，而實驗教學對于該能力的培養起到關鍵性作用。因此實驗教學質量的好壞決定新工科人才的培養質量。成果導向教育（Outcomes-Based Education，簡稱 OBE）是以學習產出或者成果為導向并對整個教學過程進行設計和評價的先進教學理念。即通過設定預期學習目標和學習成果，圍繞成果導向為核心將所有教學計劃和課程內容進行精心組織和持續改進，讓課程學習達到預期效果，使得學生獲得最大能力，從而完成教學目標提高實驗教學質量[1][2]。基于OBE理念的工程實驗教學則有利于培養學生理論與實踐結合的能力，有利于實驗教學質量的提高，滿足新工科背景下對于工程教育的要求以及新時代新工科人才培養質量的提升[3]。

電路分析實驗是我校電氣工程專業的的一門專業基礎課程。其教學目標是在理論教學基礎上通過實驗對電路理論進行實驗驗證，在實驗過程中通過運用所學電路基本分析方法對電路問題進行分析。實驗教學可以使學生能夠得到基本的工程實踐鍛煉。但是目前傳統的電路分析實驗教學還停留在以教師為主，學生被動模仿老師實驗的階段，缺乏自主實踐探究能力。因此對電路分析實驗進行教學改革顯得尤為必要。

1 傳統電路實驗教學現狀分析

傳統的電路分析實驗教學模式已逐漸不能適應新工科背景下對于工程實踐能力的要求，同時落后于信息化教學的發展，課本上的實驗內容也過于陳舊，無法緊跟技術前沿，存在諸多客觀問題，導致教學效果逐年下降。通過在教學過程中調研及與老教師交流發現，歸納總結存在問題如下：

1.1 實驗內容陳舊，缺乏項目實踐，教學內容亟待更新

傳統的電路分析實驗教學內容在不同專業的培養方案中所占學時有所差異，主要包括非線性元件的伏安特性分析、戴維寧定理及其他定理的驗證等，實驗內容總體上較為單一且大多數為驗證性實驗，探索性不強，同時缺乏創新設計內容，實驗過程主要以教師現場講述和演示為主，通過實驗操作完成原理性內容驗證之后，學生受制于有限的實驗教學內容，往往不會引發進一步的思考，缺乏進一步提高能力的發揮空間[4]。此外，實驗內容大都局限于書本上的內容，無法和實際的工程應用有所聯系，學生的項目實踐能力無法得到鍛煉。因此，電路分析實驗教學內容亟待更新，深刻挖掘實驗內容與所學專業及工程項目間的內在聯系，在實驗中激發學生動手實踐積極性。

1.2 教學設施有限，分組實驗較多，獨立自主有待加強

目前我校電路分析實驗室所使用的的是2015年購置的求是教學儀器設備，實驗設施較為老舊。且由于學校經費有限，所購實驗設備數量為25臺左右，其中還有部分實驗臺損壞，每次上課學生平均人數為40到50人左右，因此在實驗過程中常以2 -3人為一組進行實驗，無法做到每個人獨立完成實驗，常導致一個小組中只有一個人做實驗，其他組員在旁圍觀的狀態。另外，由于現有的實驗設備功能有限，無法滿足學生工程項目實踐的需求。總之教學設施的陳舊和落后以及分組實驗限制了對學生的獨立自主實驗能力的培養，背離高校培養應用型人才的目標。

1.3 教學手段單一，信息化教學不足，有效產出無法衡量

目前的實驗教學主要是在固定的實驗教室內進行，授課老師將提前編制好的實驗指導書發給學生。實驗教學過程通常首先由教師講解實驗原理，實驗目的和實驗內容，接著教師進行相關儀器操作演示，之后學生根據老師的演示過程和步驟進行簡單模仿和復制，被動的完成實驗測試任務。整個實驗過程中，均是以教師講授為主學生被動接受的方式進行，教學手段較為單一，學生在有限的課堂時間內往往不能對電路中元器件參數有較為深刻的分析。由于對實驗器材的不熟悉在實驗過程中會因操作不當導致電路故障，且不能及時發現并排除故障，從而影響實驗的效率和結果。信息化教學則可以彌補這一不足，并能夠很好衡量和評價學生的實驗預習和實驗探究能力。

1.4 考核方式落后，問題反饋不暢，過程考核尚需規范

電路分析實驗課程的考核方式主要是根據學生平時的出勤率和實驗報告完成情況給出評分。考核方式較為單一，并沒有對學生的操作過程和實驗技能進行全面綜合的考察和評價。在實驗過程中遇到的問題往往也不能及時反饋給老師，由于老師面對的學生較多，且還要負責實驗授課和課堂紀律，與學生互動交流的時間十分有限，因此老師在實驗教學過程中很難全面掌握每個人的實驗過程，無法對學習效果進行評估監控，從而做出進一步的教學調整。師生間缺乏高效的問題反饋渠道和互動交流空間。整個實驗的考核評價過程側重于結果評價，而缺乏過程性考核和監控。

2 《電路分析》OBE理念實驗教學模式設計

針對上述實驗中存在的主要問題和矛盾，本文提出了融合OBE理念的虛實結合的實驗教學模式，在此模式下建立以仿真預學、課上實驗、課后探究為三位一體的實驗教學法，不僅可以解決傳統教學模式出現的問題，還能拓寬學生的專業視野和加強實驗技能，變被動為主動學習，有效激發學生的學習興趣，培養并提升學生發現問題及解決問題的能力[5]。具體教學改革策略如下。

2.1 根據人才培養目標，優化教學內容，更新教學模式

根據我校對電氣類專業制定的人才培養方案和既定目標，要求學生在掌握電學理論知識的同時，能夠將理論與實踐結合，解決實際電路設計和應用中出現的問題。根據這一目標，在OBE理念下，在已有教學內容基礎框架下，優化并增添綜合性、設計性實驗項目，彌補驗證性實驗無法培養學生探究分析能力的不足。此外可根據不同學情的學生，建立層次化的實驗教學內容，既有基礎的驗證性實驗內容，又有學科相關的工程實踐類綜合性、創新性實驗項目，讓學生根據自身情況挑戰不同階次實驗模塊，踐行OBE和工程教育認證的先進教學理念。

2.2 增加教學手段，創新教學方法，提升教學質量

為了激發學生動手實驗的積極性和樂于實踐的興趣，在充分調研后，結合現有教學條件的不足，創新教學手段，引入信息化教學。在實驗課堂外打造虛擬實驗室作為第二課堂。利用學生電腦安裝電路仿真軟件Multisim，借助虛擬仿真環境提前搭建實驗電路，在線下實際操作前就能熟悉實驗原理和過程。實驗課堂中通過實驗儀器測得的實際結果還可與仿真結果相比較，從而快速定位和發現電路故障和問題。降低調試電路時間，從而可更加專注于實驗原理和進一步的探究。此外可借助學習通、Mooc等線上資源輔助學生預習，課堂考勤，課后學習效果記錄與反饋，構建OBE理念下虛實結合實驗室的全程教學監控和反饋通道[6]。輔助教師及時調整教學策略和教學進度。

2.3 改善教學條件，融入工程實踐，培養工程意識

因實驗室條件的不足，實驗儀器設備有限且大都陳舊，影響實驗效果。因此在我校即將專業認證的背景下，積極申報實驗教學改革項目，通過項目申請獲取經費改善相應課程的實驗教學條件。同時為了培養學生的工程實踐意識，在實驗教學環節，還可不定期邀請校外企業相關學科或專業工程師來校指導，積極和地方企業合作，推動校企聯合共建實驗室，在實驗教學中融入工程實踐元素，培養學生工程意識，促進以OBE為導向的工程人才培養。

2.4 以應用型人才目標為導向，構建多元化考核機制

OBE理念是以結果為導向進行人才培養方案和教學過程的設計，因此科學的教學評價和考核機制決定了OBE理念教學的效果。為此打破傳統單一實驗教學考核模式，從學生主體性出發，注重過程與結果相結合的考核導向，將考核評價貫穿實驗全程，如加入對學生提前預學環節的考察，這部分主要可以通過線上提交仿真實驗作業進行評價；另外線上虛擬仿真實驗的進行以及線上考勤均可縮短線下實驗過程時間，從而可為教師考核學生實驗操作表現節省了時間。最后實驗考試通過布置綜合性的設計項目來考察學生的綜合實驗設計能力和動手能力，實現多方位的全面考核[7]。

2.5 教學實踐實例

下面以課程中經典的基爾霍夫定律實驗為例，對OBE理念下虛實結合實驗的教學開展進行介紹。具體開展步驟如圖2所示。

（1）首先在學習通上或者通過QQ群，發布上課前的課程教學任務，即驗證基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律。預習相關理論知識并引導學生在各自電腦上安裝Multisim軟件。教師發布基爾霍夫定律練習題，學生上傳軟件安裝成功截圖到學習通，從而評測學生預習任務完成情況。

（2）在學習通上，給出實驗電路，如圖1所示。標出關鍵檢測節點和電流參考方向，發布實驗內容和預期目標，將Multisim學習資料和資源通過線上發布，積極引導學生在Multisim搭建電路并完成線上實驗。

圖1 基爾霍夫定律實驗電路

（3）在完成線上實驗的基礎上，在線下實驗室，根據實驗指導書的內容給學生重點講解基爾霍夫定律實驗驗證過程中出現的問題，總結學生線上實驗的結果。鼓勵學生在線上實驗的基礎上舉一反三，獨立完成線下實際電路實驗的接線和定律驗證，增強理論與實踐相結合、線上與線下相促進、虛擬與實操相統一的能力。

（4）完成線上線下實驗后，要對學生的實驗過程進行綜合評價。主要通過OBE理念布置與本次實驗教學相關性較大的基爾霍夫定律為主題，驗證特殊條件下，即含有受控源的情況下，基爾霍夫定律是否滿足，以及該如何驗證。線上系統的自動記錄學生的學習過程占比30%，線下實驗室操作成績50%、出勤/課堂表現10%、學生互評占比10%。綜合評價方式多元且能夠保證評公平有效。

3 實踐效果

通過OBE理念建立線上線下的虛實相結合的電路分析實驗教學模式，在實際教學過程中，取得了較好的教學效果。學生在軟件仿真實驗的基礎上學會了Multisim仿真軟件的應用，在此基礎上也結合課堂實驗鞏固實驗原理的理解，了解真實實驗環境干擾因素。基于虛實結合實驗室的建立和應用，學生具備了基本電路的設計和分析能力，具有虛擬環境與實際環境的轉換與應用能力，滿足虛實結合環境的構建目的。

圖2 OBE理念虛實結合實驗架構及開展步驟

4 結語

本文以工程人才培養為目標，依托OBE理念構建虛實結合的電路分析教學模式，對實驗室教學環節中的設計性、綜合性實驗融入OBE人才培養理念，著重解決傳統教學模式中重驗證、輕探索的問題。通過改進教學手段和優化教學內容和考核方式，將線上教學優勢與線下課堂相結合，鍛煉學生理論與實踐相結合，虛擬與實操相促進、過程與結果相貫穿的能力。為后續學生將電路知識應用于工程實踐打下堅實基礎。