基尔霍夫定律验证实验的自主设计*

◆陈媛媛

0 前言

电路原理课程是高校电气类、自动化类和电子信息类专业重要的工程基础课[1]。而基尔霍夫定律是集中电路中的基本电路定律，分为基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律[2]。除了课堂教学的理论讲解之外，通过对实验原理的设计性实验，可以加深学生对重要定理基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律的理解，锻炼学生自主搭接电路的能力，熟悉各种测量仪器的使用，培养学生对实验数据的分析处理能力，同时理清直流电路和交流电路基尔霍夫定律形式的区别。本文主要介绍基尔霍夫定律验证实验自主设计的教学设计和操作考核方法。

1 实验内容和教学设计

实验内容 基尔霍夫定律验证实验的主要内容是利用实验室提供的实验器材，合理设计实验方案，实现基尔霍夫定律的验证。因为基尔霍夫定律不仅在直流电路中成立，在交流电路中也一样成立[3]，所以实验方案可以分为直流电路和交流电路两部分。直流电路部分可以设计由两个直流电源和若干电阻组成的直流电路（要求电路支路数目达到三条或三条以上，结点数目达到两个或两个以上），测量各支路的电流和电压，验证基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。交流电路部分则设计由一个交流电源和若干电阻、电容组成的交流电路（要求电路支路数目达到三条或三条以上，结点数目达到两个或两个以上），测量各支路的电流和电压，验证基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。实验室中的电感元件的参数模型通常更为复杂，不是太合适使用。

当然，作为设计性实验，可以给学有余力的学生增加一些扩展性的实验内容。例如：在直流电路部分，作为扩展可以将电路中的一个电阻替换成白炽灯泡，再次测量各支路的电流和电压，验证基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律；在交流电路部分，作为扩展可以将电路中的一个电阻或电容替换成日光灯管，观察日光灯管是否表现为感性负载，再次测量各支路的电流和电压，验证基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。

教学设计 整个实验的教学设计可以分成实验预习、课前讲解、实验操作、课后总结几个步骤进行。

1）实验预习。本实验是一个设计性实验，需要学生自主选择合适的实验元器件。学生首先需要学习了解实验室中常用元器件的性能，比如：根据电阻的额定功率，设计中保证电阻的电压、电流值在合适的范围内；电容要选择合适耐压的电容；使用白炽灯作为电阻负载时，根据白炽灯功率的不同，注意白炽灯泡的工作电流范围；电流较小时，白炽灯发亮现象不明显；白炽灯冷态电阻比较小，工作时，白炽灯发热，灯丝电阻随着温度的升高而增大，表现为非线性电阻特性；学习日光灯管的工作原理，感性负载的日光灯管额定工作电压要保证220 V。教师将实验室各种元器件做成PPT介绍，供学生挑选。

学习Multisim仿真软件，通过Multisim仿真的教学视频学习软件基本功能，让学生自行练习软件使用。根据所选择的实验室元器件，自行设计搭接电路并进行相关电路的仿真。获得电路仿真实验的数据，为实物操作实验中将取得的实验数据做好预估。

2）课前讲解。课前讲解元器件使用注意事项、测量仪器的使用方法、实验安全注意事项等。交流电路使用的时候要注意用电安全。实验室电源是三相交流电路，取其中一相作为交流电源。

3）实验操作。学生单人单组自主实验。学生选择合适参数的固定元器件，可调元件调整好元器件参数，进行实际电路的搭接，用测量仪表测量相应的电压电流值，最后通过实验数据验证基尔霍夫定律。学生在实验中遇到问题可以查阅预习课件PPT元器件参数介绍，对比仿真实验数据寻找问题错误点，寻求教师的帮助和指导。

4）课后总结。汇总实验数据，整理实验表格并进行计算。交流电路中绘制相量图验证基尔霍夫定律关系。和仿真实验的结果也进行对照，分析差异原因。对实验过程中发生的问题总结原因和解决方法。

2 教学实施

实验要求 实验涉及“基尔霍夫定律”“仪器仪表的使用”“Multisim仿真软件的使用”等相关知识和方法。通过对常用元器件和仪器仪表的使用，促进学生将电路理论与工程实践相结合。该实验有助于提升学生分析设计电路的能力，激发学生探索学习的兴趣。实验预习时，要求学生学习基尔霍夫定律的理论知识，根据实验室提供的器材，合理设计实验电路。利用Multisim仿真软件对设计电路进行仿真调试，确定最终实验电路。在实验室进行实物的实验操作时，由教师讲解实验器材的使用方法和实验操作的注意事项，学生按照设计电路进行电路连接，测量电路参数，记录实验数据，实验过程中有疑问或异常情况可以询问教师求助。实验结束后，学生整理实验数据，进行实验总结，撰写实验报告。

实施进程 该实验安排在交流相量法和正弦稳态电路分析学习完之后。此阶段学生已经掌握了电路定理在直流电路和交流电路中的表示形式，对电路元件、测量仪器的使用已经有所了解，可以自行设计搭接电路。学习了Multisim仿真软件，可以对设计电路进行仿真调试，从而确定最终实验电路。为保证学生能够在实验室内完成实物实验任务，在进实验室前，学生需要进行实验预习。除了复习基尔霍夫定律的理论内容，学生对于自己所设计的电路需要应用电路理论分析方法进行理论值计算，同时利用Multisim仿真软件得到设计电路的仿真实验数据，从而对实验结果做到心中有数。由于是设计性实验，学生设计电路表现多样化。但因为实物实验基于实验室的电工电子的实验平台操作，直流电路部分实验大多数学生还是选择实验挂箱上的现成模块电路。但扩展电路部分，如何接入白炽灯泡电路，灯泡电流值的调节，仍然有不少学生遇到问题；灯泡电阻的变化，灯泡亮度问题，是学生的常见疑问点。

交流电路部分，推荐学生使用少量电阻和电容来搭接电路，避免电路计算过于复杂。注意电压电流相量间的角度关系，电容电压电流相量角度的90°关系。由于交流仪表测量的只是电压电流的有效值，验证基尔霍夫定律需要结合元件特性确定电压电流方向角度，因此，学生需要能够正确理解定理的交流形式，实验数据处理时一定要画好相量图。有的学生没有注意相量的角度问题，就会对实验数据疑惑不解。基本交流电路的仿真如图1所示。在交流扩展实验部分，接入日光灯管需要保证灯管的工作电压220 V，设计电压不合理则灯管无法点亮，这也是导致一部分学生实验不成功的原因。

图1 交流电路仿真

总体上，通过这样的设计实验，学生对基尔霍夫定律有了更深刻的理解，特别是直流电路和交流电路的对比，使得对电路特性的认识更透彻。学有余力的学生也能够搭接出更为复杂的电路，对实验中的不同问题可以自己进行分析，教学中体现了一定的差异性。

3 考核要求与方法

考核方法 合适的考核方式可以激励学生的学习热情，督促学生更好地完成学习任务。课程分数始终是学生非常在意的事情，因此，实验成绩的评定也是教学中的一项重要考量因素。实验成绩中，设计预习报告、实验操作和实验报告占比分别为30%、50%和20%。做实验前要检查预习报告，有预习报告才能进入实验室做实物实验。这是因为对于设计性实验，预习是不可或缺的重要环节，不做预习，实验难以实现预定的教学目标。实验操作是整个实验中最重要的环节，基本实验内容要求全体学生必须完成。扩展内容也建议学生完成。如只做基本实验内容，实验成绩可设定封顶值，比如最高封顶70分。实验过程中要独立完成实验电路搭接和数据测试，教师现场观察学生操作情况，检查实验电路并给出实验操作分数。实验报告是总结归纳，教师在实验结束后根据学生上交的实验报告给出分数。

实验报告要求 实验报告首先要简单叙述实验目的、实验原理，以实验室现有实验元件、测量仪器和实验平台为基础，设计实验方案以完成实验任务；根据理论推导计算，合适地选择电路元件参数，保证电路元件正常工作。实验预习报告中要明确设计电路图、电路元件参数值，列好自拟的实验数据测试表格；附上设计电路的Multisim仿真电路图，并给出仿真电路测试结果和电压电流的理论计算结果。进入实验室后搭接实物电路，并使用电压电流表测试实验数据，将实验数据记录在实验表格中。做完实验离开实验室后，对记录的实验数据进行分析处理，对直流电路直接用计算式验证基尔霍夫定律，对交流电路需要画出相应的相量图验证基尔霍夫定律。另外，对实验过程中遇到的问题需要加以分析总结。

4 小结

基尔霍夫定律验证实验是电路原理课程中的传统实验项目。将固定的验证性实验变为自主设计性实验，增加了学生的自主性，方便不同层次的学生自由发挥，激发学生的学习积极性。仿真实验与实物实验虚实结合，有效引导拓展实验内容的广度和深度，保证设计性实验教学的进行。通过直流电路和交流电路的对照实验，加深学生对直流电路和交流电路特性的理解，能够帮助学生更好地掌握基尔霍夫定律。