面向新工科的“電工電子學”多模態實驗探索

張英敏 雷 勇 杜佳耘 王 鵬 王小昔

(四川大學 電氣工程學院, 成都 610065)

為應對新一輪科技革命、產業變革和我國戰略需求,教育部積極推進新工科建設[1]。“電工電子學”課程是非電類工科專業的人才培養體系中一個重要的組成部分,屬于課程體系的“工程基礎類課程”,得到了教育部基礎課教指委的支持和肯定[2-4]。“電工電子學”課程知識面寬,實踐性強,綜合性和跨學科特色鮮明,該課程不僅有助于樹立學生嚴肅認真的科學作風和理論聯系實際的工程觀點,還對培養學生的科學思維能力、分析計算能力、實驗研究能力和科學歸納能力方面起著重要的作用。

“電工電子學”課程理論性強,知識點多,學生往往感到概念抽象,難以理解,配以相應的實驗教學對于學生理解和掌握這門課程十分必要[5-9]。而傳統的“電工電子學”實驗更多的是驗證型實驗,學生必須在固定時間、固定地點,按照固定思路進行實驗,往往使學生養成思維惰性,只是做實驗而不會用理論知識對結果進行分析判斷。四川大學“電工電子學”課程組,在2020～2021學年秋季學期為本科一年級學生教授“電工電子學”課程時,選取了少數幾組學生,試行“電工電子學”多模態實驗方式。該模式真正實現了以學生為中心,讓實驗室跟著學生走,增強學生的自主性和創新性。本文分享了幾個多模態實驗案例。

1 多模態實驗方式

“電工電子學”多模態實驗方式采用雨課堂與A+D Lab相結合,用基于互聯網+的“雷實驗”模式進行。多模態實驗分為驗證型實驗、綜合型實驗和設計型實驗,驗證型占比15～20%,綜合型占比25～40%,設計型占比40～50%。擬增加應用型實驗。

1.1 雨課堂

雨課堂是由學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發的一款智能終端,把課堂過程賦予全新的體驗,最大限度地釋放教與學的能量,推動教學改革[10-16]。雨課堂通過將PowerPoint/WPS與微信相結合,增強師生互動體驗,為學生課下預習、課中互動和課后復習提供了一個很好的解決辦法,開啟了互聯網+的學習時代。

1.2 A+D Lab智慧教學平臺

A+D Lab智慧教學平臺通過互聯網技術優勢,將學生從傳統的實驗室解放出來,方便學生能夠隨時隨地做實驗。A+D Lab是一套針對理工科專業學生實施便攜式實驗的軟硬件解決方案。A+D Lab產品硬件部分由黑色底座和可更換面板組成,黑色底座上包含示波器、信號源、電壓表、邏輯分析儀、程控電源等十多種功能,可根據選擇課程的不同來更換面板。

1.3 “雷實驗”模式

在互聯網+信息互通教育背景和新工科學習趨勢下,將雨課堂和A+D Lab相結合便形成了“雷實驗”教學模式:教師通過雨課堂發布實驗任務、在線批閱電子實驗報告。學生通過接受任務、設計實驗、仿真驗證、模型搭建、數據采集和撰寫報告,所有的數據、照片和報告都可以上傳到雨課堂。

這種實驗教學模式能夠給予學生更多空間,鍛煉了自主學習能力和理論聯系實際的能力,還能不限時間不限地點方便師生之間交流和問題的解決。

2 多模態實驗過程

多模態實驗的具體過程如圖1所示。

圖1 多模態實驗過程

步驟1:教師發布實驗,學生接受任務后進行相應的實驗準備工作。

步驟2:學生準備充分后,設計出實驗電路,使用Multisim或Tina進行仿真,在實驗仿真步驟可使用屏幕截圖,截圖后上傳至教師處。若教師不認可學生設計,返回意見,學生重新設計并仿真。

步驟3:設計方案被確認,學生進行實物實驗。實物搭建好后以照片的形式從手機端同步到學生平臺。經教師檢查確認電路無誤后,可以開始通電實驗。實驗中的示波器、信號發生器、可編程電源等多種功能由平臺軟件實驗,方便操作。完成實驗后進入實驗總結步驟,學生可在此寫下心得體會。報告整理步驟會顯示之前的仿真截圖、實物圖片以及測得的數據等等,最后撰寫完成實驗報告,提交給教師批閱。

在全過程的任一環節,師生之間都可以進行良好互動。整個過程體現了以學生為中心,以學生主導、教師輔導的方式充分調動學生的積極性。學生在自主查閱資料、設計電路、進行仿真、搭建電路、查找錯誤等過程中理論聯系實際,加深了對課堂上知識的理解和掌握,鍛煉了動手能力和小組協作能力。

3 多模態實驗案例分享

3.1 驗證型實驗

題目:“基爾霍夫定律的驗證”。

實驗電路如圖2所示,用五個電阻連成一個不平衡的電橋結構,兩端加電壓。然后用萬用表測量各個支路的電流,各個節點的電壓,代入KCL、KVL公式驗證基爾霍夫定律。

圖2 基爾霍夫定律驗證實驗原理圖

在實驗仿真過程中可在Tina軟件中搭建仿真電路如圖3所示。由于需要驗證基爾霍夫電流電壓定律,所以需要測得每個元件的電流和電壓。通過KCL、KVL公式計算驗證基爾霍夫定律。

圖3 基爾霍夫定律驗證仿真電路圖

仿真成功并交由教師檢查后,可搭建實驗實物并用萬用表測得R2的電流電壓數據如圖4所示。最后采用萬用表測得每個元件實際的電流和電壓,記錄下來,帶入公式驗證。仿真所得的每個元件的電壓電流和實物實驗測得的電壓電流如表1所示,表中元件參考方向可結合圖3中所標示節點來看。

表1 元件電壓電流值

圖4 基爾霍夫定律驗證實物搭建圖

整個實驗過程中所有測得的數據都可直接通過A+D Lab軟件進行保存,在撰寫實驗報告的時候就可直接在軟件中提取數據和圖片,整個過程方便簡單。

在撰寫實驗報告時,要求學生寫明實驗原理,自行計算出理論值,和仿真值及實測值進行比較后,進行誤差分析。通過本實驗,不但進行理論驗證,還引導學生理解理論和實驗的聯系和不同,理解誤差的產生和正確處理方法。

3.2 綜合型實驗

題目:“不同功能運放電路的實現”。

學生先進行仿真分析,然后通過自行選擇運放、電阻、電容等,搭建了包括反相放大器、同相放大器、積分器等在內的多種運放電路。通過信號發生器提供頻率為1 kHz、幅值為1 V的正弦輸入信號,并通過雙蹤示波器顯示出輸入電壓和輸出電壓進行對比。

通過選擇適當器件,學生搭建了反相放大器、同相放大器、積分器等不同功能的運放電路。實物搭建圖、仿真電路和測量波形圖如圖5-圖10所示。

圖5 反相放大器實物搭建圖

圖5、圖6中,選擇恰當的電阻值使反相放大器放大倍數為5,輸入輸出反相。

圖6 反相放大器波形圖

圖7、圖8中,選擇恰當的電阻值使同相放大器放大倍數為6,輸入輸出同相。

圖7 同相放大器實物搭建圖

圖8 同相放大器波形圖

圖9、圖10中,積分器輸入電壓為方波時,輸出電壓呈現三角波的形狀,改變電容或電阻可改變輸出電壓的幅值。

(a)R=1 kΩ,C=0.1uF

(b)R=1 kΩ,C=0.22uF

(c)R=1 kΩ,C=0.47 uF圖10 積分器波形圖

在撰寫實驗報告時,要求學生寫明實驗原理,對各運放電路進行綜合的原理推導,對輸出波形和結果進行分析。通過本實驗,引導學生更了解運放電路的功能,并對運放電路電阻值的選擇、輸入信號范圍、運放本身的運行區域有更深刻的理解和體會。

3.3 設計型實驗

題目:“現有器件包括運算放大器、不同阻值的電阻若干和一個電容元件,試搭建一個感性電路”。

要實現感性電路,必須設計回轉器將電容通過逆變轉換為等效電感。學生自行搜索和回轉器相關的知識,設計能實現回轉器功能的電路,先仿真驗證,再搭建實際電路。如圖11所示,給出了回轉器的仿真電路圖,其中框內為2個運放搭建的回轉器電路,所有電阻都取1 kΩ。當回轉器的第二個端口接電容時,從第一個端口看進去的等效阻抗呈現純電感的特性。由于實物搭建時,A+D Lab示波器只能顯示電壓波形,因此在電源側串接入一個380 Ω電阻,一方面實現感性電路,一方面由于電阻的電壓和電流同相,顯示出電阻的電壓波形,也就顯示出了電阻的電流即等效電感的電流的相位變化規律。仿真圖中也同樣接入了這個380 Ω的電阻。

圖11 回轉器設計實驗仿真電路圖

通過理論計算可以得到圖11所示的回轉器電路(左邊為1端口,右邊為2端口),其端口特性應滿足

(1)

其中r1=r2=1000 Ω。

當2端口外接0.22 uF的電容元件時,從1端口看入的等效電感為:

L=r1*r2*C=0.22 H

當接入頻率為1000 Hz、幅值為1 V的正弦電源時,等效電感的阻抗大小為1382 Ω。總電路呈現電感性,Z=380+j1382 Ω,計算得到380 Ω電阻兩端電壓幅值約為265 mV,等效電感的電壓幅值約為964 mV。

對實驗電路進行瞬時仿真計算,得到仿真波形如圖12所示。

圖12中黃色曲線為電源電壓波形(幅值為1 V),紅色曲線為回轉器1端口的電壓波形,黃色曲線為380 Ω電阻電壓波形(和回轉器1端口的電流波形同相)。可以看出,回轉器1端口的電壓超前于電流90°,呈現純電感的特性。等效電感電壓幅值和380 Ω電阻的電壓幅值和理論計算值一致。

再搭建實物實驗電路如圖13所示,加以頻率為1000 Hz、幅值為1 V的正弦電源,得到輸出波形圖如圖14所示。

圖13 回轉器設計實驗實物搭建圖

圖14 回轉器設計波形圖

圖14中黃色波形為380 Ω電阻的電壓,藍色波形為等效電感的電壓。從波形圖中看,藍色波形超前于黃色波形90°,滿足電感元件的電壓電流的相位關系。但是電壓幅值和理論計算值略有差異,考慮到元件本身具有的誤差和電路連接的情況,產生這樣的誤差屬合理范圍。

通過本實驗,學生查找資料、自行設計實驗方案并實現,培養學生自主學習的能力和創新思維。

4 結語

本文介紹了面向新工科的“電工電子學”課程多模態實驗方式,并分享了四川大學“電工電子學”課程的幾個驗證型、綜合型和設計型實驗案例。通過多模態實驗方式,培養學生自主學習、方案設計、團隊協作、理論聯系實際和運用知識解決問題的能力,造就多樣化和創新型卓越工程科技人才,更好地為我國的工程人才培養服務。