虚实结合的电路实验教学建设与实践

吴 屏， 杨 静， 姜倩倩， 王亚男

(哈尔滨工业大学(深圳) 实验与创新实践教育中心， 广东 深圳 518000)

0 引言

电路实验是电气、电子、自动化等相关专业的一门重要专业技术基础实验课程，它把抽象的理论演绎于感性层面，并注重理论指导下实验技能、创新能力的培养。根据《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》中要求，全面实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”“深化教学改革，强化实践教学环节”，这都得要求我们在人才培养上，改变“分散、低效、落后”的教学内容和教学模式，深度整合利用各类现代化资源，探索一条新时期实验教学的道路[1～3]。

我校电路实验团队教师，借助网络技术和信息技术，进行了如下实践教学改革：①增加远程实验项目和管理系统，虚实结合，构建跨越空间、时间以及平台资源共享的实验教学环境；②迭代更新仿真类的实验项目，加入前沿科学技术，开发多种创新性、设计性、综合性实验；③将传统实操实验，梳理知识点，整合项目，制作成慕课视频，可供学生利用平时碎片化时间学习；④实操实验，部分涉及关键实验项目以及强电实验项目采用实操教学，“虚实结合，能实不虚”，可面对面检验线上实验的效果；⑤直播上课，线上指导教学，线上平台互动交流的方式，使得学生们有高级的体验感，教学更加高效便利。通过这些信息化的手段，建立起“慕课预习-直播上课-远程实验-虚拟仿真-综合拓展”的新型的教学模式，培养学生的实验实践能力和综合素养[4～6]。

1 实验教学模式

1.1 实验教学形式

传统的电路实验课程，集中在实验室中，根据排课的时间地点，老师指导学生进行实验，这样的实验缺乏灵活性，场地的限制也制约了好学生的高需求，实验课程虽激发了学生动手兴趣，但没有提供有效的学习资源、平台和条件，让学生进行拓展和加深。

虚实结合的电路实验教学，通过网络、信息化的手段，建立起“慕课预习-直播上课-远程实验-虚拟仿真-综合拓展”的新型的教学模式，如图1所示，让学生可以“有网在手，动手不愁”“想学就学，学的漂亮”，利用多元化的教学工具和平台，进行远程实验、虚拟仿真实验，实操实验，线上线下互动探讨等，提高学生的学习兴趣，提升学生的自主性开发设计能力[7～8]。

图1 虚实结合电路实验教学模式框图

虚实结合后，实验的教学形式灵活多变，可分为线下实操教学、线上教学或两者结合。而线上教学可以包含有线上直播实验教学指导、学生开放自主学习或两者结合。上课形式可分为：实验预约式、排课讲解式、自由开放式。教师们可根据学生的专业、知识体系结构和后续课程的需求，多方位研究进行教学设计，挑选最适合学生的方式进行教学，提高学生的课程认同感和实验体验感。在我校，“电路实验Ⅰ”“电路实验Ⅱ”“电工与电子技术实验”中电路部分，这三门实验课程面向不同的年级，不同的专业，课程所开设的实验项目和教学的形式也是不尽相同的[9]。图2为学生使用云桌面进行虚拟仿真实验；图3为教师使用QQ桌面共享解决学生问题；图4为教师使用QQ群进行远程实验教学指导。

图2 学生使用云桌面进行虚拟仿真实验

图3 教师使用QQ远程共享解决学生问题

图4 教师通过QQ群进行远程实验平台指导实验

1.2 在线远程实验

在线远程实验平台，由“实验在线共享系统”和“ELF-BOX”在线实验硬件组成，它打破了时空限制，可进行“实景实验”。

它的主要功能为：把实验使用的元器件实物和真实测量设备部署在实验平台上；学生在电脑安装客户端软件后，登录实验平台，在电脑上搭建实验电路、调整电路参数、测量实验结果、验证实验设计、分析实验现象、得到实验结论，在搭建电路、调节参数、设备测试操作时，都与远方现场实物器件和设备操作达成一一映射，并能通过摄像头观测真实的设备测试，由此，获得与实境实验一样的操控训练和实验体感。学生在实验中能够感知物理器件和真实电路布线等引入的偏差，比虚拟仿真更进一步，和真实实操环境近似，有利于发掘工程实际问题，提高学生解决复杂工程问题的能力。在线远程实验平台硬件构架图，如图5所示。

图5 在线远程实验平台硬件构架图

实验中心在线远程实验平台部署如图6所示，图中笔记本电脑模拟学生端，使用无线网络进行登录客户端进行实验操作。操作界面可使用摄像头观测现场真实的设备测试的实时情况，给学生实验身临其境的感觉，提高网上实验的真实感，减少线上和线下的差异。图7为在线远程实验平台客户端操作界面，分为器件区、画布区、信号源、示波器等控制台，摄像头等，同学们可以调取实验指导书进行实验，将器件拾取到画布上，连线，设置好输入输出设备，下发电路和设备设置，即可在控制台界面或者摄像头中观察到实验的结果，教师可以通过监测点的设定，来获取学生真实实验时的设备数据，随时掌握学生的实验学习的真实情况，反馈到实验指导和教学中。

图6 实验室中远程实验平台实景

教师们在管理系统中设置实验项目，上传指导书、原理图等教学文件，设置实验所需要监测的关键点电压或者波形数据等，学生可通过客户端下载学习资料，自主学习，并能记录数据真实数据，完成实验报告。教师们可通过后台数据分析出学生的实验情况，包括：常见问题，实验操作情况，知识点的掌握情况，每位学生的学习时长等等。这些数据可以帮助教师们更新迭代实验项目，调整自己的课件，让教学过程更加高效，增加学生的学习兴趣。图8为远程实验教学的基本过程图[10～11]。

图7 远程实验平台客户端操作界面

图8 程实验教学的基本过程图

目前，在线远程实验项目包含电路实验中弱电部分的验证性实验，比如：直流电路定理实验、RLC串联谐振电路实验、RC选频网络实验、RC一阶电路响应，RLC二阶电路响应实验等。教师们可以选择线下排课，线上通过QQ群直播、腾讯课堂直播以及腾讯会议等方式，和学生进行交流探讨，同时，教师可以在远程实验室，根据平台装置设备上反馈的学生问题，在课堂上针对性讲解辅导，这样利用线上工具加强了教师和学生的联系，使得实验问题的沟通更加高效，弥补了远程线上实验教学的交流性的不足。除此，教师们也可采用学生预约实验的方式，展开自主开放式实验。

在线远程实验虽然有各种好处，也存有一些弊端，比如实验平台使用的电子开关存在一定的电阻和电感，在设计实验时，需要考虑到电子开关寄生的电阻和电感对实验线路的影响，进而可能影响实验结论。所以，在进行远程实验项目设计时，需要扬长避短，课程内容的设计需要各类实验的有机结合来达到最终的培养目标。

1.3 虚拟仿真实验

虚拟仿真实验是电路实验中常有的实验项目，一方面电路分析课程中有许多不容易实体化的原理和抽象的概念，使用虚拟仿真的模型来进行实验，便于学生理解通透；另一方面，虚拟仿真也常用于课程预习，让学生对实物实操的实验现象有初步的判断分析，更有利于实操实验现象的理解和分析；此外，由于仿真的灵活性，拓展性，教师们也常将设计性实验、综合性实验设计为仿真实验，结合仿真的结果，再进行实际电路的调试验证，既调动学生的积极性，又能提高学生的自主研学能力[12]。

根据学生的知识能力结构以及后续课程要求，我们课程使用了两款仿真软件平台：LTspice和Cadence，分别配备在单机版和云桌面平台上。学生可以线下实验室做实验，也可以通过笔记本、pad等终端经互联网访问云桌面平台来进行实验。虚拟仿真实验教学设计如图9所示，单机与网络云结合，使虚拟仿真随行在手，仿真设计与远程实验和线下实操相互辅佐配合，提高学生的工程开发能力。

图9 虚拟仿真实验教学设计

LTspice是一款高性能SPICE仿真软件、原理图采集和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了模拟电路的仿真，简洁的图形化界面，应用便利，SPICE模型资源丰富，非常适合电路原理、设计应用的仿真，便于本科低年级学生上手入门。Cadence软件涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计，功能验证，IC综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC设计，全定制集成电路设计，IC物理验证，PCB设计和硬件仿真建模等，对于电类学生后续的课程的延续和专业方向的发展具有铺垫的意义，适合本科高年级或者电类专业学生。

目前，虚拟仿真实验包含：正弦电路仿真分析、动态电路时域分析、非线性电路分析、均匀传输线分析、有源滤波和无源滤波电路、受控源特性、电路定理研究设计性实验、温度控制与报警设计实验等。虚拟仿真软件的应用，能够帮助低年级的本科生理解抽象的理论概念；通过仿真预习，加强学生对实物实操的实验现象有判断、理解和分析思考；对设计性和综合性实验项目，仿真软件的应用帮助学生一步步设计电路，构建电路，融合贯通各个电路理论知识点，培养学生的综合运用和设计能力，并和实操实验形成一个小的设计项目闭环，提高自主学习兴趣和能力。

2 实验教学资源建设

依托实验与创新实践教育中心实验管理系统、中国大学MOOC平台，在线远程实验平台系统建立起课程的多种教学资源平台，主要包括：多媒体授课课件、实验实操慕课、实验设备慕课、远程实验视频、虚拟仿真软件操作视频、课程教材、考试题库建设等。

在教学内容上，兼顾线下和线上实验的特点，将知识点分解成模块化的教学资源，根据难易程度、知识的关联程度、应用的综合程度进行分层次的教学资源建设，逐步建立起体系化的课程资源。教师们可根据学生特点、课程目标，后续课程需求进行教学方式、教学内容的积木化自由搭配，构建起自己特色的实验教学方案。

3 结语

疫情期间，我校在线远程实验平台和公司合作管理，对社会开放运行服务，帮助了天津大学、海南大学等多所高校的在线实验教学。

电路实验教学的改革实践表明，在传统的实操实验中，加入现代先进科技，借助网络技术和信息技术，虚实结合，构建跨越空间、时间以及平台资源共享的实验教学环境，建立“慕课预习-直播上课-远程实验-虚拟仿真-综合拓展”的新型电路实验教学模式，构建起“层次化”“模块化”“体系化”的课程教学资源，有助于提升学生的创新能力、专业实践能力、信息化应用能力以及自主实验学习兴趣，打造高端应用型工程技术人才。