模塊化電路實驗教學平臺設計探析
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摘要：針對常規(guī)電路實驗教學中存在的元器件參數(shù)固定、被動實驗、工程實踐能力培養(yǎng)不足等問題，研發(fā)了模塊化電路實驗教學平臺，形成了“以學生為中心”、層次化的電路實驗教學體系。幾年的教學實踐表明，該平臺便于學生更好地完成個性化、探究性實驗任務，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。
關鍵詞：模塊化；電路實驗；實驗平臺；自主設計實驗
隨著電路實驗教學內(nèi)涵建設的不斷深入，對學生的動手能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。為解決常規(guī)實驗教學模式中元器件參數(shù)固定、內(nèi)容單一、被動實驗、工程實踐能力不足、缺乏實驗內(nèi)容開放的環(huán)境等問題[1-2]，設計開發(fā)了模塊化電路實驗教學平臺。該平臺按照資源共享、功能集約的原則，將目前大部分高校普遍使用的實驗臺、實驗箱中的元器件分離出來，制作成分立的元器件模塊，讓學生可以根據(jù)自己的設計選取合適的模塊，建構個性化的實驗電路來完成實驗。該平臺自2017年秋季學期開始使用至今，獲得了令人滿意的教學效果。實踐表明，模塊化電路實驗教學平臺的建設滿足新時代、新形勢下對建設一流課程的要求，真正體現(xiàn)了“以學生為中心”、學生學習與發(fā)展成效驅(qū)動的教育理念，可以有效地幫助學生在當前已有的全開放自主學習環(huán)境下，更好地完成個性化、探究性實驗任務?；谠撈脚_的實驗改革，完善了課程內(nèi)容的高階性和創(chuàng)新性，提高了學生主動學習的意識和創(chuàng)新能力，保證了電路實驗課程的教學質(zhì)量[3-4]。
1模塊化電路實驗教學平臺研制的必要性
電路實驗課程作為電類專業(yè)技術基礎課，是電類專業(yè)培養(yǎng)方案中一門重要的必修課程。原有的實驗方式通常是基于定制的實驗臺或元器件固定的實驗箱進行實驗，這種實驗方式將大部分實驗元器件隱藏到了面板內(nèi)部，存在如下問題。一是學生對實際工程中的元器件和測量設備缺乏直觀認識，不利于培養(yǎng)學生的工程意識和實際動手能力。二是元件配置基本固定，開設新的實驗必須制作新的實驗箱，需要花費大量經(jīng)費。三是由于元器件之間不通用，導致開放實驗室的使用效率和安全性降低。大部分學生無法完成自主設計創(chuàng)新性實驗。基于上述問題，設計了模塊化電路實驗教學平臺，它具有以下幾個突出特點。第一，搭接電路全部為分立元器件的模塊，元器件全部裸露，接線直觀、清晰、方便，使學生進行開放自主設計實驗時由漫無邊際變得具有現(xiàn)實可行性。達到了每個實驗項目都可以進行創(chuàng)新設計、每名學生都能自主實驗的目標。第二，元器件參數(shù)覆蓋范圍全面。在其設計中，充分考慮元器件模塊之間的通用性，使得一些復雜的綜合設計型實驗內(nèi)容可在基礎實驗課程中引入。同時，考慮了模塊之間連接的安全性，采用帶護套的連接插孔和導線，經(jīng)濟耐用，接觸良好，全方位助力學生完成自主設計實驗。第三，實驗教學資源的管理更加科學、規(guī)范、合理，后續(xù)的實驗更新只需在已有模塊的基礎上增添一個或幾個模塊，可以節(jié)省大量實驗經(jīng)費。
2模塊化電路實驗教學平臺的構成和功能
模塊化電路實驗教學平臺包含56種模塊和多功能電路連接底板，如圖1所示。模塊主要包括基本電路模塊、綜合設計實驗箱模塊(也稱黑箱模塊)、高電壓實驗模塊等。這些模塊既能在交、直流電路使用，也可在高、低壓電路通用。
2.1基本電路模塊
基本電路模塊包括二端元件模塊、集成電路模塊、可變元器件模塊、可拆卸電感模塊。二端元件模塊實物圖如圖2所示。此模塊可以將任意二端元器件如電阻、電容、二極管等插入插孔，插孔有3種規(guī)格，可以根據(jù)管腳粗細進行選擇。元件之間可以用導線進行連接，然后搭建任意需要的電路。實際電路如圖3所示。集成電路模塊實物圖如圖4所示。模塊提供兩個運算放大器，此模塊與電阻、電容、電感一同作為電路的基本元件。實驗設計中將含有運算放大器的實驗滲透于許多章節(jié)，可以使學生初步了解模擬電子技術與電路理論之間的相互關系，打破電路與模擬電子技術實驗課程之間的界限。
2.2綜合設計實驗箱模塊
綜合設計實驗箱模塊實物圖如圖5所示。此模塊由若干常用元器件構成，各元器件之間無導線連接，隱藏了電路參數(shù)，實驗中模塊為被測量和識別的對象，根據(jù)外接電路的測量結果，可以判斷元件的性質(zhì)和參數(shù)。此實驗過程采用與常規(guī)實驗相反的思維方式，即以逆向思維形式來進行實驗，在實驗挑戰(zhàn)度方面，對學生提出更高要求。此模塊可以組合成若干個不同的實驗電路，無論暫態(tài)還是穩(wěn)態(tài)實驗、低壓還是高壓實驗都可以使用，對培養(yǎng)學生科學研究的習慣和入腦入心又動手的實驗能力具有重要的作用。
2.3高電壓實驗模塊
此模塊的實物圖如圖6所示。該模塊的特點是元器件參數(shù)與工程實際完全相同。與其相關的實驗項目可以將常規(guī)實驗中復現(xiàn)熒光燈照明原理的驗證性實驗，延伸為與工程實際密切相關的研究性實驗。研究問題涉及電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器對電路的影響、電子鎮(zhèn)流器的諧波測量、電源電流波形畸變等，知識點包含正弦電流電路、非正弦周期信號電路、諧振電路和帶通濾波器等。該模塊的運用打破了電路理論課程各章節(jié)知識點的間隔，引導學生有意識地思考現(xiàn)實中的問題，將自己學習的專業(yè)知識應用于實際的生活和生產(chǎn)。
3模塊化電路實驗教學平臺的教學應用
模塊化電路實驗教學平臺支撐國家級精品課程、國家級精品資源共享課—電工電子實驗系列課程中的電路實驗、電工學實驗、電工與電子技術實驗和電子線路實驗的電路實驗部分。課程主要授課對象為電氣等電類專業(yè)、機械等非電類專業(yè)的本科學生，每年實驗人數(shù)為3500人左右，年均約5.5萬人時數(shù)。
3.1電路實驗教學模式的改革
基于模塊化電路實驗教學平臺，重塑了電路實踐課程教學體系，滿足多個專業(yè)和課程的教學要求。建立了多層次、多類型、個性化的實驗項目，突出對學生的個性化培養(yǎng)，滿足不同層次學生的學習要求，逐步提升學生的實踐技能和創(chuàng)新能力。電路實驗教學模式如圖7所示。模塊化電路實驗平臺有利于個性化、多樣性的實驗教學模式的實施，學生可以選擇采用定制式實驗或自主設計式實驗模式來完成實驗。3.2實驗項目設計內(nèi)容的改革第一，遵循由簡單到復雜、循序漸進的原則，從入門引導、基本技能訓練、綜合研究到自主設計，逐步實現(xiàn)教學目標。與常規(guī)實驗不同，在保證實驗學時不變的條件下，定制實驗中為個性化研究預留了空間，引導學生運用所學知識去解釋現(xiàn)象、解決問題，提高學生實踐的興趣。第二，設計中突出了實驗與工程實踐相融合、已有知識與拓展知識相融合、課內(nèi)實驗與課外研學相融合。改變了常規(guī)實驗簡單驗證知識，學生自主學習、分析研究壓力與空間不足等問題，適應當前形勢下知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。例如串聯(lián)諧振實驗[7]，基本實驗方法是在正弦電流電路中，采用調(diào)頻的方法研究諧振。為促進學生在完成實驗基本任務的基礎上能夠進一步深入思考，進而更好地掌握相關認識，在研究性實驗內(nèi)容中體現(xiàn)諧振電路的應用。把電源改為頻率固定的方波信號，通過調(diào)節(jié)電容來實現(xiàn)諧振，實現(xiàn)將方波信號的5次諧波從信號中分離出來。第三，增加了難度較大的研究性實驗項目。例如反映電路理論前沿內(nèi)容的混沌電路實驗[8]、回轉(zhuǎn)器實驗、信號的合成與分解、在電力及通信系統(tǒng)普遍應用的傳輸線實驗等項目。此部分內(nèi)容需要學生深刻理解電路理論某一部分知識點后才能進行操作，將理論課程與實驗課程無縫連接。同時也彌補了理論課程概念抽象、無法理解的不足。第四，依托該平臺，在高等教育出版社出版了教材《電路實驗教程》《電工學實驗教程》，用于本科生的實驗教學?；诖似脚_的實驗設計，在國家級電工電子實驗大賽獲得一等獎1項。
3.3實驗開放環(huán)境和考核激勵機制改革
實驗教學過程中，線上線下充分結合，努力為學生營造全開放的實驗教學環(huán)境。同時利用國家級精品資源共享課—愛課程網(wǎng)、電工電子實驗教學中心網(wǎng)站、高教出版社數(shù)字平臺，實現(xiàn)多平臺協(xié)同共享。學生可以隨時通過網(wǎng)上課件完成平臺使用方法的預習、實驗內(nèi)容的檢測等任務，有力地支撐課外學生自主學習任務的實施。在實驗考核上，實行對完成3個以上優(yōu)質(zhì)自主設計式實驗的學生予以期末考試免試的激勵機制，鼓勵學生創(chuàng)新與自主學習。在過去的幾學期實踐中，這一機制在電路實驗課程中獲得了學生的普遍認同。
4結語
模塊化電路實驗教學平臺，改變了常規(guī)實驗基本上只能進行統(tǒng)一設計和接線的模式，為實驗在“開放式”的基礎上向“研究性”開展提供了良好的硬件支持。通過實驗教學模式和電路實驗方法改革，引導學生自主學習、研究、發(fā)現(xiàn)、掌握實驗知識方法與技能，綜合運用知識、接觸工程實際、開展探索研究。此平臺的應用實踐對提升學生工程實踐能力、促進教學理念和教學水平的提升提供了值得借鑒的成果，可在同類高校中推廣應用。
作者:劉東梅 王曉媛 劉洪臣 原桂彬 王宇紅 單位:哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院