网络教学模式下“电工电子”实验教学探索

周玉宏

(武警海警学院 基础部， 浙江 宁波 315801)

0 引言

在疫情防控期间，教育部建议广大师生在家利用网络平台进行学习，做到“停课不停学，学习不延期”[1]。“电工电子”课程是一门重要的专业基础课，具有抽象的理论和较强的实践性。“电工电子”实验是对理论知识的验证，具有很强的综合性、应用性和实践性，涉及的知识面较宽，不仅与理论知识联系紧密，还涉及到一些仪器仪表的使用和其他的电学相关知识，操作要求严格规范，且实验过程当中出现的现象复杂多变，故障率较高。一般来讲，在实践课中的很多知识在理论课上并未涉及到，所以“电工电子”实验教学在整个“电工电子”教学中是必要的，也是关键的。实验课的教学是对理论教学的巩固和促进，因为疫情的原因，学生只能待在家里学习，不能到实验室来进行实地操作，学生家里一般不具备实验条件，不能有效解决硬件问题，所以有必要采用一些方法来尽可能达到实验教学的目的。电工电子仿真软件已经取得了长足的发展，许多软件可以很好地仿真电工电子相关的实验，我们可以通过仿真的方式达到验证的目的。网络技术与软件技术的结合，为实验教学提供了新的平台，通过网络教学，同样能达到实验教学的目的。

1 网络教学平台的搭建

网络教学平台采用“互联网+钉钉+PowerPoint+仿真软件”的模式。教师端需要一台连接互联网的电脑，并安装钉钉、PowerPoint和仿真软件。学生端只需一台能上网的电脑或一部能上网的智能手机，电脑和手机端安装钉钉和仿真软件。

互联网的发展，4G和5G技术的普及，使得互联网已经完全能满足实时地、流畅地传输图片、文字、音频、视频等信息的需要。钉钉(DingTalk)是阿里巴巴集团专为中国企业打造的免费沟通和协同的多端平台，提供了PC版，Web版，Mac版和手机版，可以支持手机和电脑间文件互传，提供在线教学的功能。在疫情期间，钉钉改进了在线教学功能，线上教学过程中可以使用签到、会议、直播、家校本功能，可以实现屏幕共享直播，方便教师展示PowerPoint和视频，可实时连麦进行提问和交流，还可以进行直播视频回放，便于请假和网络不好的学生回看补课。

目前，电工电子仿真相关的软件主要有EveryCircuit，iCircuit，CircuitWizard，Proteus，Multisim等。EveryCircuit以及iCircuit两款软件可以直接安装在手机上，也可以在电脑上通过浏览器使用，还可以通过在电脑上安装Android模拟器，然后再在模拟器上安装使用。CircuitWizard，Proteus和Multisim三款软件只能在电脑上安装使用。这五款软件都可以仿真电路、模电和数电中的大部分原件和芯片，Proteus和Multisim还可以仿真单片机电路。EveryCircuit，iCircuit，CircuitWizard三款软件相对操作界面直观，并且能实时显示电流的流动，并显示电流、电位的大小，适用于初学者。建议使用EveryCircuit，学生只需一台智能手机就可以安装使用该软件，该软件操作简单，界面友好，可实时调节元器件参数。

2 教学设计

网络实验教学目标是在帮助学生巩固和加深对已学知识理解的同时，学会用仿真软件分析和设计电路，获得实验方法和技能的基本训练，培养和提高分析和解决问题的能力，养成良好的科学素质，为今后的学习和工作奠定良好的实验基础。

教学要求：要求教师上课前调试好网络和相关软件，并针对仿真过程中可能出现的各种情况给出解释和相应的解决预案。要求学生能够熟练使用仿真软件，会调用元器件，会使用虚拟仪表，会观察波形；在每次课上课前熟悉该实验相关理论知识，了解电路原理；能够主动加强与教师的沟通，有问题及时反馈；能够按时上交作业。

整个教学过程基于网络平台。首先参考学校实验课教学方案，根据实验课教学大纲，将实物接线的实验模式转换为用软件虚拟仿真的形式，制定详细的网络教学计划、方案；其次，教师按照正常上课时间(约90分钟)，先进行实验指导，讲解电路原理和注意事项(约20分钟)，然后由学生利用仿真软件进行电路连接、实验验证、测量分析(约50分钟)，最后学生进行数据处理，对相关结果和结论以图片(仿真软件截图)或文字形式通过钉钉上交(约20分钟)，最后教师评阅，打分。教学流程如图1所示。

图1 网络实验课的教学流程

3 网课的具体实施

3.1 网络实验课的前期准备

学生安装并熟悉仿真软件的操作，利用网络资源进行相关实验理论知识的学习，为仿真实验前期做准备。在目前的“电工电子”实验教学中，普遍存在实验内容陈旧，实验资源缺乏，元器件更新滞后，理论教学和实践教学脱节等问题，而仿真软件可以弥补这些不足。网络上资源相对丰富[2]，具有大量的电工电子相关的音频、视频、图片以及文字等资料。教师利用网络上的优质资源，把握科技前沿，精心编写教案，制作教学课件，将实验中的原理、步骤、重点、难点、注意点等知识编写入多媒体课件中。学生通过网络平台学习实验相关知识，例如哔哩哔哩，中国大学MOOC网，西瓜视频等，重点是对元气件特性以及电路的原理进行了解掌握。

以直流稳压电源实验为例，该实验是将电压为220 V、频率为50 Hz的正弦交流电转换为稳定的直流电(一般为5 V)，学生在前期应该着重了解变压器、二极管、电解电容、稳压管等元气件的特性，了解变压、整流、滤波和稳压等模块的电路构成及原理。

3.2 实验指导

教师通过“钉钉”用视频的方式对学生进行仿真演示和实验指导。实验指导可以有三种方式，一是从网络上查找合适的视频；二是教师可以提前在实验室录制好教学视频，配以讲解；三是如果条件允许，教师在实验室对实验进行现场直播，边讲解边和学生进行互动，这一方式可作为仿真教学的补充。由于电工电子实验涉及到很多仪器仪表的使用，所以第三种效果最好，但是需要提前配置好带网络的电脑和高清摄像头。

在直流稳压实验中，教师通过仿真软件逐步搭建变压、整流、滤波和稳压电路，利用虚拟电压表、虚拟电流表、虚拟示波器展示要点的测量和电压波形的观测，讲解电路的原理，并给学生布置实验任务，要求学生逐步搭建电路，并针对不同的电容、负载电阻以及限流电阻观测输出波形。

3.3 学生利用仿真软件验证

学生根据实验电路，在仿真界面内正确选择电子元器件，合理选择参数，按照实验规定的要求连接电路，进行仿真实验。通过电压表、电流表、示波器测量待测信号，观察电路中出现的各种故障和问题，分析并解决。学生在试验过程中如果出现问题不能解决，可通过“钉钉”求助教师进行解决。仿真完毕，学生将测量的数据和观测到的波形以拍照或截图的形式发送给教师，如图2所示。图2是用EveryCircuit软件对直流稳压电源的仿真截图，上面的曲线是显示的滤波后的电压波形。该软件操作简单，只需点击相应的虚拟电压表或导线，就可以很方便地观测各处电压(电位)、电流的大小以及输出波形。

3.4 实验的考核

考核作为一种约束、监督和激励和评价手段在网络实验课的教学过程中是必不可少的。对一般的实验采用预习30分，电路的搭建和仿真50分(主要考察仿真电路的正确性、参数的合理性、仿真波形和数据的优劣)，数据分析和处理20分。而对以问题引导型的实验，突出问题的解决能力，可增加问题分析的分值。对任务教学法对应的实验应突出电路搭建和仿真的分值，以验收情况给分。最后，将所有实验取平均值即可作为一期实验的考核分。

3.5 完成实验的其他形式

如果条件允许，可以用“口袋实验室”来完成实验。所谓“口袋实验室”是借助一些体积小、价格低、携带方便、功能丰富的实验实训设备，通过给学生免费租借或鼓励学生自行购买等方式，为学生建立一种分布式的实验实训环境[3]。通过面包板、面包板插线、常用元器件包、电池盒和测量用的万用表，即可仿真大部分电路和电子技术的基本实验。口袋实验室有利于培养学生的自主学习能力、实践操作能力和创新能力，为后续工程应用奠定坚实基础。

图2 直流稳压电源的仿真

4 多种教学模式

“电工电子”实验，有些是验证型实验，有些是综合型实验。教师在实验授课过程中，应该根据实验内容、类型的不同，适当调整教学模式，以达到最好的教学效果。

4.1 以问题为导向的启发式教学

传统的实验教学过程中，学生根据教师的讲解和实验指导书上所列步骤，逐步完成实验，在实验过程中，思考分析问题较少，特别是缺乏自主思考[4]，往往电路中出现故障时感觉无从下手，很受挫折。采用启发式教学方法，教师可以打破常规，以电路中出现的问题为引子，让学生通过分析问题，进一步了解电路，解决问题，最终完成实验。例如在用EveryCircuit软件进行三极管放大电路实验时，教师先给学生一个错误的参数，导致电路产生失真，学生分析失真原因，最终调到合理的参数，完成实验。

4.2 以任务为驱动的任务教学

以任务为驱动的任务教学法可以实现“以教师为中心”向“以学生为中心的转换”[5]，“以课本为导向”向“以问题为导向”的转换，充分调动学生的积极性，发挥学生主观能动性。该方法由教师提出任务，学生通过自主查询相关知识并自主学习，探求解决问题的办法，最终设计电路，完成任务。在此过程中，教师参与、跟踪指导。例如将手机充电器、多级放大器、滤波器、比较器等典型电路的设计融入实验任务中，使学生能够理论和实践相结合，提升综合能力。实验报告要求包括：方案论证和比较、理论分析和计算、电路图、仿真结果、出现问题的分析。

5 结语

当前，我国大部分师生已经重返课堂，恢复常态学习，但疫情反复，可能还会有其他因素也会影响到正常课堂教学。通过网络进行实验课的教学具有一定的局限性，通过网络进行实验教学的模式和手段还需要进一步补充和完善，但其已然成为“电工电子”教学中不可或缺的教学方法。目前的仿真软件还有一定的不足之处，在网络教学下，还需要元器件参数更加接近实际、处理更加智能化、以3D模型显示、虚拟仪表外观更接近实物、采用 VR/AR、增强现实等技术，能使参与者沉浸到三维动态视景环境中的仿真软件。