“新工科”背景下電路測試實(shí)驗(yàn)平臺改造及實(shí)踐

吳葛，鄧春花，尹仕，馮學(xué)玲

（華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢）

一 引言

“新工科”理論是教育部為應(yīng)對新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等國家戰(zhàn)略而提出的新一輪的工程教育改革，其培養(yǎng)的人才應(yīng)該能夠?yàn)閲业膽?zhàn)略任務(wù)提供服務(wù)[1]。“新工科”人才培養(yǎng)的目標(biāo)邏輯中，人才素質(zhì)的復(fù)合是前提，創(chuàng)新是關(guān)鍵，工程是要旨，智能是趨勢。在“新工科”人才培養(yǎng)的過程邏輯中，跨界培養(yǎng)是其核心特征。知識操作上要堅持理論與實(shí)踐的跨界[2]。實(shí)踐教學(xué)作為人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)等方面有其獨(dú)特的作用[3]。所以，“新工科”理念的提出給相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)開展帶來了困難與挑戰(zhàn)。

《電路測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程是電氣工程及自動化、水利水電工程、光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)工程、集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)、電子信息工程、通信工程、生物醫(yī)學(xué)工程及測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是電氣與能源動力類專業(yè)必修的主干核心課，它服務(wù)于《電路理論》課程，幫助學(xué)生掌握電路電子技術(shù)基礎(chǔ)知識及其運(yùn)用，并通過工程性和功能性相結(jié)合的實(shí)踐研究環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、主動學(xué)習(xí)、自主動手和獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的研究能力和創(chuàng)新意識。

傳統(tǒng)《電路測試技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力；而在“新工科”教育背景下，課程更加注重學(xué)生獨(dú)立思考能力，運(yùn)用所學(xué)知識、先進(jìn)自動化技術(shù)和通過查閱搜集相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計有創(chuàng)新性的多種實(shí)驗(yàn)方案，并能夠解決具有一定復(fù)雜性的工程問題。傳統(tǒng)的電工實(shí)驗(yàn)臺已經(jīng)不滿足需求，本文從我校“電路測試技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，提出基于“新工科”背景下電路測試實(shí)驗(yàn)平臺改造方案，在此基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)分層次的教學(xué)。

二 現(xiàn)有電路測試教學(xué)中存在的問題

（一） 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)臺存在的問題

目前我校《電路測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程，采用的是于2012年自主研制的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，存在以下問題：

1.電氣安全及裝置陳舊問題

電路實(shí)驗(yàn)包含直流和交流實(shí)驗(yàn)，接線口如圖1所示，由于面板接線柱不統(tǒng)一，為了防止學(xué)生觸電，采用帶有彈片保護(hù)接線端子，但是保護(hù)套多次插拔之后容易松動，實(shí)驗(yàn)過程中易彈出，考慮到強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)的危險性，必須高度重視安全問題[4]。另外，實(shí)驗(yàn)臺由于年限較長，并且每年承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)較重，部分元器件已老化且裝置器件陳舊，不利于學(xué)生順利開展實(shí)驗(yàn)。

圖1 直流、交流實(shí)驗(yàn)面板

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)K的固化

現(xiàn)有設(shè)備主要完成驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，模塊固定，無法進(jìn)行綜合設(shè)計型的實(shí)驗(yàn)；采用封閉式掛箱，學(xué)生無法接觸到實(shí)際的元器件，無法建立對實(shí)際元件的認(rèn)知，更談不上進(jìn)行綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)，無法提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力，也限制了學(xué)生的想象力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

3.實(shí)驗(yàn)空間受限

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺與市面電工實(shí)驗(yàn)臺類似，臺面過高，占用空間大，不利于課前集中講授，在進(jìn)行中需要合作的綜合性項(xiàng)目時，不方便交流，不利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)臺不方便移動，實(shí)驗(yàn)室空間復(fù)用率不高，只能作為專用實(shí)驗(yàn)室。

（二） 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏驗(yàn)證性

從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的類型來看，目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要分為三個單元，直流單元、交流單元以及動態(tài)單元[5]。基本都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性和設(shè)計性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一化嚴(yán)重，很難激發(fā)學(xué)生的興趣與熱情，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，這在一定程度上影響了課程的效果。

2.教學(xué)模式單一

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭琅f是學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課中教師講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及注意事項(xiàng)，學(xué)生根據(jù)老師的講解連線，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該模式雖然對掌握電路理論有一定的幫助，但是對學(xué)生大腦的訓(xùn)練始終不夠，不利于學(xué)生工程設(shè)計能力的提高。

三 電路測試實(shí)驗(yàn)臺改造思路

（一） 消除隱患，保障用電安全

一方面要對學(xué)生進(jìn)行安全用電教育，培養(yǎng)學(xué)生的安全用電意識，掌握用電基本規(guī)律，規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作[6]。另一方面增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置安全性[7]。

1.統(tǒng)一接口

將所有強(qiáng)弱電模塊接線柱統(tǒng)一，換用帶硬質(zhì)保護(hù)套的導(dǎo)線，保證接線安全的同時，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

2.新增電源保護(hù)

實(shí)驗(yàn)臺電源模塊是通過交流接觸器控制通斷。主回路由一個接觸器控制整個實(shí)驗(yàn)臺，三相電源單獨(dú)一個接觸器控制。在三相電路交流接觸器的輔助電路中新增一塊限流保護(hù)模塊，該模塊通過檢測線路中的感應(yīng)電流進(jìn)行比較，控制保護(hù)板上的繼電器的通斷，進(jìn)而控制三相電路交流接觸器的輔助電路，通過電磁線圈產(chǎn)生的機(jī)械動作帶動觸頭接通或斷開[8-11]，實(shí)現(xiàn)三相電模塊回路的通斷控制。

3.遠(yuǎn)程控制

在電源模塊的主電路的接觸器的輔助回路中串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備，與實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)結(jié)合，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中控制設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)情況，實(shí)現(xiàn)智能控制電源關(guān)斷。

（二） 元件可視化，模塊可拓展

1.專有實(shí)驗(yàn)?zāi)K可視化

將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺集成化、封閉化的掛箱進(jìn)行再設(shè)計，專有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合，模塊設(shè)計成可視化面板，如圖2所示。讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時增強(qiáng)元器件的認(rèn)知，同時便于教師及時發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行維修。

圖2 可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)K

2.通用實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K可擴(kuò)展

在提供部分專用實(shí)驗(yàn)?zāi)K的同時，引入九孔板（主要用于大功率電阻、電容以及設(shè)計模塊）、面包板，如圖3所示。結(jié)合虛擬儀器NI-myDAQ，能夠靈活搭建各種實(shí)驗(yàn)電路，并能夠滿足多種形式的創(chuàng)新實(shí)踐需求，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

圖3 可擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K

（三） 實(shí)驗(yàn)臺機(jī)架式設(shè)計

減小體積，合理布局，將實(shí)驗(yàn)臺改造成機(jī)架式，儀器設(shè)備固定，實(shí)驗(yàn)面板以及擴(kuò)展元器件收納于車內(nèi)，增強(qiáng)可移動性，在滿足《電路測試基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，更好地提高實(shí)驗(yàn)室空間的復(fù)用率。

四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完善

基于改造后的電路測試實(shí)驗(yàn)臺以及現(xiàn)有教學(xué)中存在的問題，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計，分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及真實(shí)電路實(shí)驗(yàn)。其中真實(shí)電路實(shí)驗(yàn)分為3個層次進(jìn)行教學(xué)，即基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)以及虛實(shí)結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生一人一組獨(dú)立完成，虛實(shí)結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)2～3人一組完成實(shí)驗(yàn)。

（一） 仿真實(shí)驗(yàn)

主要有三個仿真實(shí)驗(yàn)，在課外完成。包括“線性有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)測量”“二階電路的響應(yīng)”“日光燈電路與功率因數(shù)提高”，學(xué)生通過學(xué)習(xí)課程組錄制的慕課來進(jìn)行Multisim仿真軟件的學(xué)習(xí)，完成仿真實(shí)驗(yàn)。引入仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時間和空間的限制，而且經(jīng)過仿真，學(xué)生在線下實(shí)操時對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象能夠更加了解，實(shí)驗(yàn)的目的性更加明確，縮短了實(shí)驗(yàn)時間，提高了實(shí)驗(yàn)效率[12]。另外，可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)分析和解決電路設(shè)計的能力，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)的課程打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

（二） 基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是安排在課程前期，學(xué)生通過微課視頻掌握電路基本物理量的測量方法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析，熟練掌握常用元器件的識別方法；通過課堂老師講解和演示，以及“直流穩(wěn)壓穩(wěn)流源的使用以及特性曲線的測試”實(shí)驗(yàn)的完成來熟悉實(shí)驗(yàn)室各種儀器設(shè)備的使用；通過“故障檢查”實(shí)驗(yàn)，來幫助學(xué)生掌握基本電路問題的排查與測試，為后面實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

（三） 設(shè)計性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計性實(shí)驗(yàn)主要采用的教學(xué)模式是與課前仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式。基本思路是通過課前發(fā)布的任務(wù)指標(biāo)，學(xué)生根據(jù)指標(biāo)，自行完成電路的參數(shù)設(shè)計，并且利用Multisim仿真軟件分析驗(yàn)證參數(shù)的有效性以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；課中，學(xué)生根據(jù)老師的原理講解，檢視設(shè)計的電路是否正確，修正完善最終電路方案，選擇合適的元器件，并且在九孔板上搭建電路進(jìn)行調(diào)試，完成實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與課前仿真結(jié)果對比，分析正確性。

設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，要求學(xué)生根據(jù)指標(biāo)依次進(jìn)行電路設(shè)計、參數(shù)選型、仿真驗(yàn)證、電路再設(shè)計、再驗(yàn)證，確定最終的設(shè)計方案并進(jìn)行電路實(shí)踐。通過這一個完整電路設(shè)計的過程訓(xùn)練，幫助學(xué)生為后期的科研訓(xùn)練和將來工作中建立電路設(shè)計的思維習(xí)慣以及行為習(xí)慣。

（四） 虛實(shí)結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)采用的教學(xué)模式是虛擬儀器NI-myDAQ Labview與真實(shí)硬件電路結(jié)合的形式，即“虛實(shí)結(jié)合”，教學(xué)內(nèi)容是將不同的知識點(diǎn)進(jìn)行融合。課程組基于此設(shè)計了4個綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生進(jìn)行選擇：“簡易溫度采集系統(tǒng)”“超聲波避障系統(tǒng)”“簡易紅外檢測報警系統(tǒng)”“音效處理系統(tǒng)”。

虛實(shí)結(jié)合的綜合性項(xiàng)目，相對于設(shè)計性實(shí)驗(yàn)需要自己進(jìn)行簡單元器件的選型外，還需要了解各類傳感器的原理及特性，更加接近完成真實(shí)項(xiàng)目制作，這就進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生設(shè)計及動手能力。與仿真實(shí)驗(yàn)不同的是，通過虛實(shí)結(jié)合的形式進(jìn)行的綜合實(shí)驗(yàn)，采集的是實(shí)際電路的信號，同時可以將硬件與軟件很好地結(jié)合，將數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示一次完成。

通過綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生將能夠掌握：

1.能應(yīng)用NI-myDAQ的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合Labview虛擬儀器的可視化、模塊化編程設(shè)計，制作出合適的測量儀器，用于自主設(shè)計以及創(chuàng)新；

2.能對簡單系統(tǒng)進(jìn)行需求拆分，自行選擇合適的器件進(jìn)行系統(tǒng)搭建；

3.能掌握軟硬件調(diào)試的方式方法；

4.能在團(tuán)隊(duì)合作中得到提升。

五 教學(xué)改革效果

通過學(xué)生提交的總結(jié)反思報告，可以看出93%的同學(xué)表示收獲很大。

基本技能和理論水平：電路測試實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)以來的第一個專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，通過分層次的教學(xué)幫助他們掌握了基本的電路搭建、調(diào)試以及設(shè)備的使用，同時也鞏固了電路理論的專業(yè)知識，為后續(xù)課程提供了服務(wù)。

工程設(shè)計與實(shí)踐能力：將仿真技術(shù)和綜合項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一方面能夠幫助學(xué)生提升應(yīng)用計算機(jī)分析和解決問題的能力；另一個方面學(xué)生通過自己制定實(shí)驗(yàn)方案，選定器件，仿真驗(yàn)證、真實(shí)電路搭建一個完整的項(xiàng)目訓(xùn)練鍛煉了工程設(shè)計與實(shí)踐能力。

團(tuán)隊(duì)合作能力：在綜合實(shí)驗(yàn)過程中，通過小組的配合，包括硬件和軟件的配合、方案的篩選等等，都有效地提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

六 結(jié)語

經(jīng)過改造后的電路測試實(shí)驗(yàn)平臺，在保障安全的前提下，對擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的開展以及實(shí)驗(yàn)室其他課程的開設(shè)都有一定的幫助。基于新平臺改革后的課程，對學(xué)生的工程設(shè)計、實(shí)踐以及團(tuán)隊(duì)合作能力培養(yǎng)方面有較好的效果，同時也為后續(xù)課程打下了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。