新工科背景下“電路分析基礎”線上仿真實驗探究＊

張變蓮，楊森林，張運良，范 璟

（西安文理學院機械與材料工程學院，陜西 西安710065）

“電路分析基礎”是一門面向很多工科專業(yè)的專業(yè)基礎課程，該課程同時具備理論性、工程性和實踐性，之前該課程的實踐教學環(huán)節(jié)一直采用線下教學的方式進行，過度依賴實驗室的硬件實驗器材，由此帶來的問題是該種實驗教學方式不能很好地適應環(huán)境的變換，比如在特殊時期，不能進行現(xiàn)場實驗教學的情況下，需要探索在線實驗教學，并且還要保證學生的學習理解程度達到課程目標。目前在“新工科”建設中，“電路分析基礎”理論課程的在線教學已經(jīng)展開[1]，而與之對應的實踐教學環(huán)節(jié)的線上教學更加注重培養(yǎng)學生的實踐能力和實際工程素質(zhì)，如何有效地開展線上實踐教學，是目前需要進行進一步探索的環(huán)節(jié)。特別是當線下實踐教學環(huán)節(jié)無法正常開展時，為了完成對應人才培養(yǎng)的要求，需要在調(diào)動學生學習積極性的同時，有效地開展“電路分析基礎”線上教學[2-3]。

作為一名專業(yè)基礎課一線教師，通過2020 年春季學期大規(guī)模線上實踐教學環(huán)節(jié)的開展，對“電路分析基礎”課程線上實踐環(huán)節(jié)的教學模式進行了探索，實現(xiàn)了理論教學和線上教學的有機結(jié)合。在之前線上實驗教學的基礎上，對該種教學模式進行研究和探索，以下從實踐教學設計以及案例分析、在線實驗教學考核和評價等方面進行分析和研究。

1 在線實踐教學的設計與案例

“電路分析基礎”課程是一門實踐性較強的課程，學生在理論基礎掌握較好的情況下還需要進行較多的實踐和操作，通過實驗環(huán)節(jié)，一方面可以加深學生對理論知識的掌握，更好更深入地理解課堂所學；另一方面，通過實驗學生可以掌握一些基本電學變量的測量以及其中所蘊含的物理含義，而不是僅僅停留在對概念理解的程度上，比如如何測量電壓、電流，含源一端口電路的開路電壓和短路電流是什么，一端口電路的等效電阻意味著什么，正弦穩(wěn)態(tài)電路的電壓電流最大值和有效值有什么關系等[4]。另外，通過實驗環(huán)節(jié)，學生可以掌握電學課程中一些基本儀器的使用方法，比如萬用表如何使用，示波器的功能是什么，示波器顯示的各個量含義是什么，分別對應于電路中的哪些變量。由于實驗環(huán)節(jié)在整個“電路分析基礎”課程中占有很大的比例，通過實驗教學，可以提高學生的動手操作能力和獨立思考能力，這些能力的鍛煉是理論教學不具備的，所以如何既能鞏固對應的理論知識，又能提高這些方面的能力，需要教師做好教學設計以及課程的引導。另外，在線上實驗教學過程中，有機地將課程思政元素融入課程教學中，不僅僅將理論知識和實踐方法教授給學生，而且也在科學的研究方法和研究思路方面給學生一些啟發(fā)。這些能力對于學生后續(xù)課程的學習以及各種科技競賽的訓練也是非常重要的[5]。

綜上，在傳統(tǒng)現(xiàn)場實驗教學的基礎上，對實驗教學進行了改革，將線上實驗教學引入到教學環(huán)節(jié)中。“電路分析基礎”課程的課程體系可以分為電阻性電路分析、動態(tài)電路分析以及正弦穩(wěn)態(tài)電路分析3 個版塊，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 “電路分析基礎”課程體系結(jié)構(gòu)框圖

在電阻性電路環(huán)節(jié)部分，學生需要掌握一些基本直流量的測量，以及理解元件伏安特性的測量方法并且能夠根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析繪制元件的伏安特性曲線，以線性與非線性元件的伏安特性測量實驗為例，在該實驗中需要掌握元件的伏安特性的測量方法以及測量原理，并且能夠?qū)嶒灉y量的原始數(shù)據(jù)進行分析和處理。先在線教授學生繪制電阻元件伏安特性測量的電路圖，如圖2 所示。

圖2 電阻元件伏安特性測量電路圖

首先，搭建所需的電路，搭建好測量電路以后，通過改變可變電阻的阻值，讀出電壓表和電流表的示數(shù)，然后將讀取的數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理，得出電阻元件的伏安特性曲線圖；其次，學生在掌握基本的電路搭建方法以及測量和數(shù)據(jù)分析流程以后，就可以發(fā)揮主觀能動性測量其他元件的伏安特性；最后，學生們在線進行討論，對本次實驗所得和經(jīng)驗進行總結(jié)和分享。

在動態(tài)電路分析部分以及正弦穩(wěn)態(tài)電路分析部分，學生需要掌握示波器以及信號發(fā)生器的使用方法，由于學生是初次接觸該類儀器，實際實驗教學環(huán)節(jié)中學生上手相對較慢，所以在線上教學的環(huán)節(jié)中引入這2類儀器，不牽涉復雜的調(diào)試過程，學生可以很快地掌握虛擬儀器的使用方法，在此基礎上接觸現(xiàn)場實驗室中的示波器和信號發(fā)生器，學生的接受、理解及操作程度都可以很快地達到目標要求。另外也可以將仿真引入課堂教學環(huán)節(jié)中，既可以當堂加深學生對該部分知識的理解，又可以為現(xiàn)場實驗教學中的實驗原理、實驗方法及操作打下良好的基礎。

在教學內(nèi)容方面，實驗內(nèi)容不僅僅局限在以往實驗指導書中的內(nèi)容，利用仿真軟件Multisim 自身的優(yōu)點，可以將實驗內(nèi)容過渡到探索性實驗。線上實驗教學模式采用了基于國家級精品MOOC 課程及SPOC 課程，并結(jié)合線上直播教學等模式的線上混合式教學。整個線上實驗教學環(huán)節(jié)分為集中學習、自主實踐和教學管理3 個部分，如圖3 所示。

圖3 在線實驗教學環(huán)節(jié)設計

首先，在直播課堂環(huán)節(jié)，主要是針對該次實驗內(nèi)容及要求進行重點講解，并且對基本的元器件選擇和操作步驟進行示范，在此過程中，學生可以直觀地感受到仿真的優(yōu)點，從而調(diào)動學生學習的積極性，并且通過直播環(huán)節(jié)，學生可以初步掌握仿真的步驟以及元器件的選擇，掌握該次實驗的內(nèi)容、目的。其次，學生針對基本內(nèi)容進行練習，可以按照示范步驟選擇元器件和方法，也可以發(fā)揮主觀能動性，自行選擇另外的方法進行仿真。仿真無誤后進入下一個環(huán)節(jié)，自主練習，學生針對教師提出的要求，自行進行電路的設計及在線搭建和元器件選型，并將設計和仿真的內(nèi)容及時反饋給教師，并且在完成自主練習后進行在線討論。這個環(huán)節(jié)的訓練對于后續(xù)課程的學習及課程設計甚至是畢業(yè)論文的撰寫都是至關重要的，通過該環(huán)節(jié)可以很好地鍛煉學生的動手能力以及方案的設計能力，并且也可以為學生參加各類學科競賽打下良好的基礎。再次，進行數(shù)據(jù)的分析和處理，學生可以摒棄傳統(tǒng)手動繪制各類曲線，可以借助于各種數(shù)據(jù)處理分析軟件進行，從而又在一定程度上提高了學生的計算機應用能力。最后，進行學習反饋和在線學習資源的維護，并且要求學生在線提交仿真結(jié)果與實驗分析。通過該環(huán)節(jié)，學生可以對每一次的仿真實驗進行總結(jié)，并且可以借鑒其他學生的方式方法，從而達到鍛煉自己以及提高自己的目的。在整個在線實驗教學的實施過程中，可以適當融入一些課程思政元素，培養(yǎng)學生正確的科學觀以及實事求是、科學嚴謹?shù)膽B(tài)度，通過分組實施以及分組討論，可以鍛煉學生的團隊協(xié)作能力以及溝通交流等能力，這些都會為學生順利踏入社會以及適應工作崗位的要求打下良好的基礎。

2 考核和教學評價

在教學環(huán)節(jié)中，采用了一定的教學模式后，需要對該種模式取得的效果進行考核和評價，即該種方式能否達到既定的教學目標，是否符合人才培養(yǎng)方案對應環(huán)節(jié)的要求。通過采用這種形式的線上實驗教學模式，一方面可以在現(xiàn)場實驗教學不允許的情況下完成對應的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，另外一方面還可以將理論知識和實踐環(huán)節(jié)有機地結(jié)合起來，鍛煉學生的動手能力和綜合運用能力，并提高仿真能力，可以為后續(xù)的課程設計以及畢業(yè)設計環(huán)節(jié)的電路仿真打下良好的基礎。采取此種形式的線上教學，需要對教學效果以及學生掌握的知識情況進行考核和教學評價。對于學生的考核實施的是過程性考核，涉及整個教學過程。實驗環(huán)節(jié)方面的考核分為課堂表現(xiàn)成績和實驗報告撰寫成績，課堂表現(xiàn)成績又分為考勤、互動討論、實驗操作等成績，能夠全方位、全過程地考查學生。實驗報告成績主要是根據(jù)學生在線提交的作業(yè)給定，根據(jù)報告內(nèi)容是否完整、思路和總結(jié)是否清晰到位等情況給出作業(yè)成績。作業(yè)統(tǒng)計情況如圖4 所示。

圖4 實驗作業(yè)統(tǒng)計情況

通過對整個在線實驗教學進行評價，可以發(fā)現(xiàn)95%以上的學生可以按時提交作業(yè)并且作業(yè)最低平均分為88.31，說明大部分學生對于在線的仿真教學內(nèi)容掌握較好。并且通過觀察學生的討論可以看出，由于該課程是在大一的第二學期開設，剛開始接觸仿真是非常生疏的，但是經(jīng)過慢慢熟悉以后，后面的實驗教學內(nèi)容學生接受起來就容易的多。并且學生可以直觀地看到自己的實驗成果，更多的是體會到一種成就感，從而激發(fā)學生對“電路分析基礎”課程甚至是后續(xù)電類課程的學習熱情。

課程評價的內(nèi)容包括學生評價、同行評價及督導評價。通過對學生進行問卷調(diào)查，90%的學生對這種線上實驗教學的方式都欣然接受，但是其中有45%的學生反映不能完全借助于線上實驗教學，需要將線上實驗教學作為主體，可以在此基礎上在條件允許的情況下加入現(xiàn)場實驗教學，這樣可以分別在軟硬件方面培養(yǎng)學生。同行評價方面，75%的教師傾向于采取線上實驗教學，督導普遍比較認可這種新穎的教學方式。總體來說，僅僅進行線上實驗教學是存在不足的，需要在線上教學的基礎上結(jié)合現(xiàn)場實驗教學，這種模式可以作為普遍性的電類課程教學模式被推廣。

3 結(jié)論

針對“新工科”建設背景下以及目前國內(nèi)外的疫情防控形勢，對“電路分析基礎”課程的實驗教學環(huán)節(jié)進行線上教學改革。整個線上實踐教學環(huán)節(jié)分為集中學習、自主實踐以及教學管理3 個模塊。采用這種線上仿真的教學模式，可以完成既定人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的教學目標要求，加深學生對基礎理論部分知識的理解，學生在接觸到自己可控可實現(xiàn)的事物后，極大地提高了學生學習的積極性，在鞏固所學基礎知識的同時，也鍛煉了學生的自主創(chuàng)新能力。雖然線上教學不能完全取代線下實驗教學，軟件仿真也具有其缺點，比如仿真太具有理想性，不能鍛煉學生應對實際電路各種各樣問題的能力及不能提高學生操作儀器儀表的能力等[6]，但是仿真可以作為線下教學的補充，正常教學能夠進行的情況下，學生可以利用相應軟件先做仿真，對將要做的實驗內(nèi)容和實驗過程及結(jié)論有一個直觀的認識，然后進入到實驗室中按照已經(jīng)選定無誤的軟件搭建電路，這樣可以減少元器件的損壞率，降低實驗成本。在線上實驗教學實施過程中，改變了傳統(tǒng)以教師為中心的教學思路和教學模式，逐步從教師為中心過渡到學生為中心，從而更好地順應“新工科”建設的潮流。