電路實驗項目設(shè)計型教學方法探討

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摘要：以實現(xiàn)電氣工程及其自動化專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目的，改變現(xiàn)有電路實驗課程中學生被動接受的現(xiàn)狀，電工電子實驗中心根據(jù)項目設(shè)計型實驗教學模式改革的方案，進行了一系列的教學改革活動，提高學生自主思考、分析、解決問題和實踐的能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實踐；項目設(shè)計型；教學改革

近年來，河南科技大學電氣工程學院有計劃地進行了一系列教學改革活動，探索創(chuàng)新教育與專業(yè)教育深度融合的具體方法，初步構(gòu)建了貫通課內(nèi)、課外，融匯主要教學環(huán)節(jié)的地方高校工科大學生創(chuàng)新實踐教育模式，以求切實加深學生對課程理論知識理解、提高動手應(yīng)用知識能力。其中，電氣工程學院提出項目設(shè)計型實驗教學模式改革的方案，電工電子實驗中心以電路實驗課程為依托進行改革，要求學生自主完成實驗電路設(shè)計，課下進行仿真軟件驗證；實驗中自選元件、芯片，在面包板上進行電路調(diào)試，使用數(shù)字示波器、萬用表等測取實驗結(jié)果。以實驗形式、實驗指導方式的改變，實現(xiàn)學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。

1電路實驗教學改革的必要性

傳統(tǒng)的電路實驗通常是教師進行實驗原理、實驗電路的講解，告知實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如何測量驗證、實驗儀器設(shè)備的使用方法以及實驗過程中需要注意的安全問題；學生在外購的實驗臺上進行接線、驗證，完成實驗報告。該教學方式存在諸多的弊端，學生在整個過程中被動接受，按部就班地完成實驗過程，避開了實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，缺少自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，不能充分調(diào)動其進行獨立思考和創(chuàng)新的積極性，也就無法達到通過實驗來加深對所學知識理解、鍛煉動手能力，在實驗中獲得滿足感，進而主動研究、接受挑戰(zhàn)，增強其實踐創(chuàng)新能力的目的。項目設(shè)計型實驗教學模式，基本思路是部分或者全部拋開實驗臺，實驗采用在面包板上插接電子元件的形式進行。電工電子實驗中心針對電路實驗課程中“二階電路響應(yīng)”“雙口網(wǎng)絡(luò)”為例進行改革創(chuàng)新。要求學生在實驗前自行完成實驗電路設(shè)計，并使用Multisim仿真軟件進行驗證，獲得相應(yīng)測量波形及數(shù)據(jù)，自我評估實驗方案是否合適。實驗中，學生根據(jù)實驗前自主設(shè)計的電路，選取合適的電子元件、芯片，最后插接在面包板上進行電路調(diào)試，使用數(shù)字示波器、萬用表等測取實驗結(jié)果，與仿真結(jié)果進行比較，自我判斷實驗結(jié)果是否正確。實驗結(jié)束后自我梳理，完成整個實驗設(shè)計報告。項目設(shè)計型實驗教學模式，學生首先需要利用所學的知識進行電路設(shè)計，再通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷或者漏洞，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行分析，解決問題，最終通過設(shè)計報告、實驗報告的撰寫進行總結(jié)反思，提煉成文。相比傳統(tǒng)的接線、驗證實驗方式，項目設(shè)計型實驗教學模式，學生從自己設(shè)計電路開始，能力培養(yǎng)目標轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐吩O(shè)計、知識運用、自主分析問題、解決問題的能力和實踐動手能力。

2二階電路的響應(yīng)

在二階電路的響應(yīng)實驗進行改革之前，采取PSpice軟件仿真的形式進行，目的在于學習PSpice軟件的基本使用方法，同時理解二階電路的三種暫態(tài)過程，結(jié)合學生已掌握軟件和工具的使用情況，將實驗形式改革為“軟件仿真+面包板插接”。提前實驗任務(wù)，提出要求，限定元件范圍，要求學生課下使用Multisim軟件進行仿真設(shè)計，選取RLC二階電路的參數(shù)，查看仿真結(jié)果，列元件清單；既定實驗時間，完成PSpice仿真任務(wù)后，領(lǐng)取元件，進行面包板插接，自主操作完成對應(yīng)結(jié)果的測量。

2.1使用Multisim軟件進行二階電路設(shè)計

完成參數(shù)選取、暫態(tài)過程波形記錄在電路實驗的課程設(shè)置中，RLC串聯(lián)諧振電路的分析是使用Multisim軟件完成的，故學生已掌握軟件的基本使用方法，可以使用虛擬函數(shù)信號發(fā)生器、示波器及基礎(chǔ)的電阻電容電感搭建仿真原理電路，并觀察實驗現(xiàn)象；一階RC電路的響應(yīng)在實驗臺上完成，故學生已掌握由實物的函數(shù)信號發(fā)生器、示波器及分立元件組裝調(diào)試電路，觀察記錄測試結(jié)果的能力，且二階電路的響應(yīng)在周期性重現(xiàn)操作時與一階電路是相通的，均可將方波或者矩形波的跳變邊沿視為換路時刻，進而觀察暫態(tài)響應(yīng)過程，適合作為一階響應(yīng)的進階實驗?；谝陨蟽牲c，在二階電路的整個實驗過程中，可以弱化任課教師的指導作用，放手讓學生自主設(shè)計并調(diào)試完成測試任務(wù)。任課教師提前二階電路的實驗任務(wù)，限定電阻、電位器、電感、電容的參數(shù)范圍，要求學生課下借助Multisim軟件選擇合適的電感、電容參數(shù)及恰當?shù)姆讲l率，計算電阻值，使暫態(tài)過程分別為過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼，用示波器觀察記錄各暫態(tài)響應(yīng)曲線并估讀暫態(tài)持續(xù)時間。

2.2使用PSpice仿真工具進行仿真實驗

既定實驗時間，學生提交Multisim軟件仿真實驗電路圖、仿真結(jié)果及元件清單，任課教師審核通過后方可進入實驗室。為了實現(xiàn)讓學生熟悉并掌握PSpice工具使用方法的目的，教師演示搭建二階電路原理圖及獲取仿真波形的示例后，預(yù)留一定時間如半個小時，供學生完成其自主設(shè)計二階原理圖的輸入，并截圖幾個暫態(tài)響應(yīng)過程，比較分析三種暫態(tài)響應(yīng)過程的不同點、變化條件、時間長短，課下完成總結(jié)。若不能在限定時間內(nèi)完成實驗任務(wù)，可在實驗室開放時間自由補做。

2.3硬件面包板插接完成

PSpice仿真或者預(yù)留限定時間倒計時結(jié)束后，學生2人一組自由組合，憑元件清單領(lǐng)取元件及工具。自主操作，進行面包板插接，在面包板上搭建由分立元件組成的電路，用函數(shù)信號發(fā)生器給出合適頻率的輸入方波，使衰減或振蕩有足夠的時間減小到0，用數(shù)字示波器測量相應(yīng)波形，改變電位器或者電阻值的大小，完成對應(yīng)整個暫態(tài)過程波形的測量。在整個面包板硬件插接過程中，教師只負責元件工具的發(fā)放，講解儀器設(shè)備的使用。電路搭建、調(diào)試，制定測試方案，判斷實驗現(xiàn)象是否正確等由學生自主設(shè)計完成，達到預(yù)期實驗?zāi)繕撕螅山處熦撠燆炇?，并根?jù)學生演示及問題回答情況給出實驗操作分數(shù)。

2.4評分標準

評分標準依據(jù)RLC二階串聯(lián)電路的設(shè)計電路圖、元件清單、電路三種暫態(tài)過程的Multisim軟件仿真波形，即設(shè)計環(huán)節(jié)占實驗成績的30%，實驗操作環(huán)節(jié)占實驗成績的30%，PSpice仿真波形及硬件插接實驗波形結(jié)果占實驗成績的20%，實驗設(shè)計報告完成情況占實驗成績的20%。

3雙口網(wǎng)絡(luò)

雙口網(wǎng)絡(luò)實驗在改革之前在實驗臺上直接完成，且實驗臺已經(jīng)封裝好現(xiàn)成的T網(wǎng)絡(luò)和π網(wǎng)絡(luò)，學生只需簡單連線給定輸入電壓，連接測量儀表即可完成實驗數(shù)據(jù)的測量，課后計算T參數(shù)。為了進一步提高學生電路設(shè)計、知識運用能力，將雙口網(wǎng)絡(luò)的實驗形式改革為面包板插接。

3.1使用Multisim軟件進行雙口網(wǎng)路電路設(shè)計

并測量數(shù)據(jù)完成T參數(shù)理論值計算任課教師提前雙口網(wǎng)路的實驗任務(wù)，并限定電阻元件的選擇范圍，要求學生課下自主選擇電阻元件搭建T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)及二者級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路，并根據(jù)選取的電阻阻值及電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計算相應(yīng)的T參數(shù)矩陣的理論值。之后，使用Multisim軟件進行仿真，根據(jù)實驗指導書上的內(nèi)容，給定直流穩(wěn)壓電壓源10V。利用同時測量法測量輸出端開路、短路條件下T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端的電壓、電流值。用分別測量法測量T網(wǎng)絡(luò)和π網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后網(wǎng)絡(luò)輸出端開路、短路條件下，輸入端的電流值；以及輸入端開路、短路條件下，輸出端的電流值。要求有仿真測量電路圖、T參數(shù)矩陣的計算值及仿真數(shù)據(jù)表格。

3.2硬件面包板插接

既定實驗時間，學生提交其設(shè)計的T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)及二者級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路圖、各網(wǎng)絡(luò)的理論T參數(shù)、Multisim仿真測試數(shù)據(jù)及元件清單，任課教師審核通過后方可進入實驗室。憑元件清單領(lǐng)取元件及工具，在面包板搭建由電阻組成的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)測量的方法，利用實驗臺的直流穩(wěn)壓電源作為輸入，直流電壓表、直流電流表或者萬用表測量相應(yīng)的電壓電流，完成T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)、二者級聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)實測數(shù)據(jù)的測定。由教師負責驗收，并根據(jù)學生操作及問題回答情況給出實驗操作分數(shù)。

3.3評分標準

雙口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計電路圖、元件清單、T參數(shù)矩陣理論計算結(jié)果、仿真數(shù)據(jù)測量正確與否占實驗成績的30%；實驗操作環(huán)節(jié)及實驗測量數(shù)據(jù)正確與否占實驗成績的50%；根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)及實驗方法計算的T參數(shù)正確與否、實驗設(shè)計報告完成情況占實驗成績的20%。

4實驗教學改革效果與改進

4.1實驗教學改革效果

通過課前布置實驗任務(wù)，課下設(shè)計實驗電路，再通過面包板插接環(huán)節(jié)搭建調(diào)試電路，很好地鍛煉了學生的自主設(shè)計電路、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。在實驗過程中，弱化教師的主動指導作用，發(fā)揮學生的主觀能動性，變學生的被動學習為主動思考，極大地提高了學生的積極主動性。同時，在實操環(huán)節(jié)，利用函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器等設(shè)備儀器，承接后續(xù)電子技術(shù)實驗課程的學習。俗話說：“兵馬未動，糧草先行?！痹O(shè)備、工具、軟件環(huán)境的熟練運用，可為以后的專業(yè)課學習、研究打下堅實的基礎(chǔ)。更重要的是在整個“學而思，思而做，做而樂，樂而學”的良性循環(huán)學習過程中，學生學習習慣和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將使其受益無窮。

4.2進一步改進的方向

腳踏實地，進一步細化電路實驗課程改革過程中存在的問題，找準下一步的努力方向。二階電路的響應(yīng)實驗，在實驗時要完成PSpice軟件仿真和面包板插接，耗時較長，可嘗試將PSpice二階電路示例做成視頻，供學生課下學習，或讓其尋找網(wǎng)絡(luò)資源，符合當下流行的學習趨勢，且提高效率。雙口網(wǎng)路實驗，實際搭接電路時，電流的測量值在十幾毫安至幾十毫安時可減小測量誤差，這就要求電阻取值合適，否則直接影響測量數(shù)據(jù)的準確性，故可適當?shù)匦薷碾娮鑵?shù)的選擇范圍。雙口網(wǎng)絡(luò)中電阻參數(shù)選取不同，T參數(shù)、測量的電壓電流值也各異，放手讓學生自主設(shè)計電路的同時，也給檢查學生數(shù)據(jù)帶來了一系列不便。可以根據(jù)雙口網(wǎng)路的一般結(jié)構(gòu)，推導T參數(shù)的通式，將要測量的數(shù)據(jù)表示成T參數(shù)的表達式，借助數(shù)據(jù)處理軟件，減少數(shù)據(jù)比對過程中的計算量。

5結(jié)語

能夠利用所學知識解決實際工程問題，具備創(chuàng)新意識與實踐動手能力，是電氣專業(yè)人才培養(yǎng)目標的核心要求之一，更是責任與期望。項目設(shè)計型實驗教學改革的實施，更是任重道遠。

參考文獻

[1]苗苗.新時期高校電路實驗教學改革與實踐探索[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學學報(上旬刊),2019(1):85-86.

[2]謝麗萍,孝大宇,齊林.基于虛擬仿真技術(shù)的電路原理實驗教學改革研究[J].中國教學信息化,2018,(22):67-69.

作者：荊娟娟 田葳 史敬灼 單位：河南科技大學電氣工程學院