电路实验课程引入设计型实验的实践探索

吴丽丽+余佩琼

摘 要：为了深化教学改革，加强学生的创新意识培养，在电路课程实验中引入设计提高型实验，设计开发不同层次的设计型实验项目。改变传统实验教学模式，在完成基本的验证型实验基础上，采用开放式实验教学方式，学生组队完成设计型实验，以培养学生的实践创新能力以及团队协作的能力，同时丰富了实验考核的手段。

关键词：电路实验 教学改革 设计型实验

中图分类号：TM13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0218-03

Abstract：In order to deepen teaching reform and strengthen the training of students awareness of innovation， the paper introduces the design improvement experiment in the course of circuit experiment， and designs and develops the design experiment items of different levels. Change the traditional experimental teaching mode， to complete the verification experiment based on the open experiment teaching mode， the student team to complete the design experiment， in order to cultivate the students practical innovation ability and team cooperation ability， enrich the experimental evaluation means.

Key Words：Circuit experiment； Reform of teaching； Design experiment

在高等学校教育工作中，课程建设是基础，改革是动力，提高教学质量是目的[1]。目前，高校中电路实验课程往往依附于课堂教学的内容，以验证性实验模块为主，包含个别综合实验模块。验证性实验可以帮助学生理解和巩固课堂所学的理论内容，但教学内容缺乏层次性及创新性。实验内容采用统一的实验教材，实验教学内容单一，学生在教师讲解演示结束后，再按部就班地重复实验过程，容易导致学生缺乏学习兴趣，无法满足不同层次学生的需求。

电路实验课程设置的目的是培养学生加深理解电路的基本理论知识、掌握基本实验测试技能、养成良好的实验操作习惯和解决工程实际问题的综合能力具有重要的作用。所以实验教学环节应该在更高层面上审视自己的教学定位，应该成为创新实践教育的抓手和推手。从低年级开始实施创新意思和创新能力的培养，应该成为实验教学改革与实践的出发点与落脚点[2]。该校的电路实验教学中，在传统的验证型实验中引入设计提高型实验，针对不同层次的学生提出相对应的设计实验内容。深入研究了实验教学内容改革、实验考核手段改革等多方面内容，充分利用实验教学基地的科研条件，在教师的引导下，提前进入科研实践，提高学生的创新精神和科研动手能力及团队协作能力等。

1 引入设计提高型实验的教学改革

设计提高型实验是根据生产实践中遇到的问题或理论课中提出的课题确定实验任务的要求及各项性能指标。学生需自行设计实验方案，通过虚拟仿真实验验证实验方案、确定设计参数，然后进行实践操作，观察实验现象，分析實验数据，得出实验结论。教师需规范实验的验收过程，根据实验课题的难易程度以及学生完成的情况给出相应的成绩，并将成绩记入学生最终的实验成绩中。

设计提高型实验可以改变以教师为中心的传统的灌输式教学模式，代以“学生为主体，教师为主导”的教学模式。在整个教学过程中，以学生为主体，让学生主动去思考问题、探索知识，使得学生具有较大的学习自主性，易于激发学生的学习兴趣，培养学生创新能力、发现问题和解决问题的能力。

把电路实验课程分为基础性实验和设计提高型实验，对现有的基础实验和仿真实验教学内容做整合，开发创新设计型实验项目。采用X+Y+Z的模式，X为验证型的基础实验项目，在课内时间在电路实验室完成；Y为虚拟仿真实验项目，鼓励学生在相关内容实际操作实验项目进行前在课外完成；Z为设计提高型实验项目，学生可根据自身知识水平和兴趣自主选取实验项目，然后自行拟定实验方案和步骤。由教师对学生实验方案的完善给予指导。

1.1 设计提高型实验题目的设计

设计提高型实验题目的拟定可以有两条途径，一条是教师根据课程内容结合应用实际提出，另外也可以学生根据自己的兴趣结合所查询的资料提出相关的题目交于教师审核，通过审核后便可作为提高型实验的题目。设计提高型实验题目的拟定是整个实践探索中的一个关键，也是一个难点。合理的实验题目既能激发学生的兴趣，让学生体会在实验中能学有所用，又能让课堂教学的知识点在实验过程中得到很好的印证。

设计提高型实验题目的拟定需在遵循“三基”原则（基本实验原理、基本实验方法及基本实验技能）的前提[3]。题目需注重可行性与趣味性相结合，扣紧课堂所学基础知识，同时结合实际应用，具有一定的知识延伸性，难易程度适中，以充分调动学生的动手积极性。如滤波器电路设计的实验，滤波器电路是电气信息类学生最经常接触的电路类型之一，具有很广的应用前景。分立元件组成的无源滤波器电路是根据电路中元器件的感抗和容抗对各次谐波分量的反应不同，感抗与信号的频率成正比，容抗与信号的频率成反比。工程上利用电感L和电容C彼此相反而又互补的频率特性，设计具有一定滤波功能的“单元电路”，然后再用搭积木方式（如串联、并联），连接成各种的无源滤波器网络，如图1所示[4]。

根据题目的要求选择相适合结构的滤波电路，选择合适参数的元器件，应用Multisim仿真软件对电路进行仿真测试，调整元器件参数和电路结构，观察输入输出信号的波形，得到最优的电路结构和元器件参数。根据仿真结果确定的相关元器件参数，学生自行采购元器件进行实际电路的焊接与调试，根据实测数据撰写实验报告。整个过程中，学生可以根据所查资料自主确定电路结构和相关参数，并与同学进行相关知识的讨论和经验的交流，大大提高了学生学习的自主性和主动性，学习兴趣也会大大提高。通过实验的设计、电路板的制作与调试、实验报告的撰写等工作让学生真正做到理论与实践的相结合。教师扮演的是知识点启发，和接受咨询的角色，可以启发学生进行相关知识点的延伸，完善学生的设计，真正做到“学生为主体，教师为主导”的教学模式。

1.2 团队的协作及教师的引导

选题过程中以3～4位学生一组来共同完成一个课题，一个课题可以拆分成几个功能模块，每个学生负责其中的一个模块，最后再将各个学生各自调试好的模块进行联调完成整个课题。包括最终的实验报告也可以是团队中的每个学生先将各自部分的实验内容撰写完毕，最后再形成一篇完整的实验报告。在这个过程中，要注意课题功能模块的分割，避免某个学生的工作量过多或者过少，保证最后分数的公平性。在团队协作过程中，学生可以互相交流所学到的知识及所查询到的资料，培养团队协作的精神。

在学生自主完成课题的过程中，教师也不是完全放任不管。首先，在课题的选择上就需要教师把好第一道关。课题选择应该要扣紧课堂所学知识，不能脱离课堂。但也不能是课堂知识的简单堆砌，要结合实践应用，有一定的知识延伸性，这些都需要教师来进行把握。其次，在课题制作进行的过程中，要做好理论知识的引导与延伸，帮助学生巩固课堂知识的同时，拓宽知识面。同时指导学生如何进行相关知识的检索，如何在庞大的数据中快速找到自己所需的内容。这些实践探索的过程对于学生今后的科学研究包括走上工作岗位都将是受益匪浅。

1.3 丰富实验考核手段

现阶段该校电路实验课程的考核包含两大块：一块是分实验的成绩，每个实验需要教师给出每位学生的操作分及实验报告分，这部分的成绩占该生最终成绩的60%；另一块就是考试成绩，考试时每位学生抽取一个考题，在规定时间内根据题目要求完成操作实验，记录数据，分析数据，回答考题中的问题。这部分的成绩占该生最终成绩的40%，从而最终形成一位学生完整的实验成绩。这种考核的形式过于单一，难以激发学生的学习热情，考核内容也较为单一。学生的创新能力、团队协作能力、发现问题和解决问题的能力等都无法得到锻炼和提高。

引入设计提高型实验后，学生在完成基础实验后，需完成一个设计提高型实验，两者结合形成的成绩作为电路实验课程的最终成绩。学生通过前期的选题，中间的课题制作，制作报告的撰写，最后以答辩的方式，展示作品的基本理论内容，完成的技术难度，创新点等，让更多的学生参与到课题的讨论中。答辩的过程中，学生的表达能力、总结能力，以及现场的反应能力等都能得到提升，从而促进学生综合素质的提高。具体考核办法如表1所示。

1.4 开放式实验教学模式

由于电路实验课程的学时数比较少，课内时间只能完成基础的验证性实验，设计提高型实验势必要在课后时间完成，因此，采用开放式的教学模式组织学生完成设计提高型实验。设计型实验需要学生根据自身知识水平和兴趣自主选取或提出实验项目、设计实验方案和步骤、组织实验仪器、排除实验故障、观察实验现象并记录实验数据、分析数据获得实验结论。开放式实验模式提供了完成设计型實验所需的探究的、自主的学习方式和教学验教学环境。学生在实验过程中可以得到多方面的能力训练，如自主学习能力、分析推理能力、实际动手能力及团队协作能力等等。体现了学生自主学习的主体地位和教师的主导地位，在培养学生创新设计能力和实际动手能力方面起到了不可替代的特殊作用。

2 教学改革的试点与成效

2.1 该校电路教学改革试点

浙江工业大学电工电子教学示范中心是省级实验教学示范中心，拥有电工学实验室、电路实验室、数电实验室、模电实验室、软件实验室及电子工艺实习实验室。各实验室都配备了双踪数字示波器、函数信号发生器、稳压电源、交流毫伏表、数字万用表等仪器设备，另外数电实验室、软件实验室还配备了电脑，电脑上安装有Multisim、MATLAB、DEII及Protel等仿真软件。各实验室在完成既定的教学任务外，对全校的师生是免费开放的，为学生开展设计提高实验提供了全面的实验仪器和设备保障。

在本校信息学院2014电气类专业选1个班作为电路实验教学改革试点。在学期初提出以开放式的教学模式来展开设计提高型实验，学生对此教学改革表现出极大的兴趣，热烈响应。随着电路理论课程教学的推进，到了学期中公布由教师组拟定的设计提高型实验题目，供学生选择。学生自由组队，3～5人一组。学生也可以自拟题目，由教师审核通过。确定题目及组队后，教师指导学生分析与解读课题要求的各项指标、查阅相关文献资料、提出设计方案，通过multism仿真完成电路设计。采购元器件，焊接电路到最终的电路调试。撰写实验报告及完成答辩。让学生体会到一个工程项目的整个制作过程。

2.2 电路教学改革的成效

在电路实验中引入了设计提高型实验，使得电路理论与解决实际问题很好地结合了起来，电路原理在学生眼中不再是抽象的理论知识，而与解决实际问题联系起来，这样极大提高了学生学习电路理论的兴趣和动力，大大促进了学生对电路理论知识的理解与掌握。其结果反映在电路期终考试成绩中，该试验班级的及格率超过年级平均及格率近20个百分点。

在设计和答辩过程中，学生动手能力、创新能力有了长足的进步。为后续的电子设计竞赛打下了良好的基础。2015年在全国大学生电子设计竞赛中，我院学生荣获全国一等奖2项，全国二等奖4项；省一等奖4项，二等奖4项，三等奖6项，TI单项奖1项，这是我院自1994年参加该项赛事以来取得的历史最好成绩。其中实验班的学生表现亮眼。

3 结语

实验环节是课堂教学必不可少的一个补充，实验环节的重要性也在各个高校中得到越来越多的重视。在电路原理的实验教学过程中，引入设计提高型实验，通过精心设计实验课题，学生的全身心投入，以及教师的适度引导，最终效果通过实验班学生的表现得到一定的验证。首先，学生的兴趣得到很大的激发，从枯燥的重复验证性实验中挣脱，自己掌握实验的主动性。包括正确分析与解读课题要求的各项指标，查阅相关文献，提出设计方案，比较各个方案之间的优劣，得出最优方案和最优的电路参数，采购元器件，焊接电路到最终的电路调试以及论文的撰写，让学生体会到一个工程项目的整个制作过程。其次，通过设计提高型实验，学生易于体会团队协作的重要性。设计提高型实验往往包含几个功能模块，单靠一个学生要在限定的时间内完成有一定的难度，这就需要几个学生一起共同完成，每个学生完成一部分，每个学生之间如何沟通协调，在出现意见分歧时，如何进行调和，考验的不但是学生的学识，更考验学生与人沟通的能力。电路实验课程引入设计提高型实验，可以将课堂教学和实践教学进行完美融合，实现理论联系实际的教学目标，具有很好的实践意义。

参考文献

[1] 邓碧玲，王应生.电路分析基础课程建设和改革的探索[J].桂林电子工业学院学报，2002，22（4）：91-93.

[2] 孙盾，姚缨英，范承志.实验教学环节与创新能力培养[J].实验技术与管理，2012，29（5）：28-30.

[3] 堵国樑，胡仁杰，黄慧春，等.以项目为导向的电子电路实验研究与改革[J].电气电子教学学报，2015，37（3）：98-100.

[4] 余佩琼，孙惠英，等.电路实验教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.