电路原理实验中培养学生工程素养的策略研究

崔晓

【摘    要】电路原理实验是电子信息类专业学生在专业课学习阶段最先接触到的实验课程，教师通过精心设计实验项目和刻意引导，在培养学生的工程素养方面起着不可或缺的基础性作用，体现在工程近似与折中观念的实验体验、实验测试方案的多样性培养工程直觉能力、变通测试方法培养创新意识以及电路仿真培养工程安全意识。

【关键词】工程素养  电路原理  实验

中图分类号：G4      文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.108

与理科学生的“认识客观世界”的培养目标相比，工科学生的职业发展决定着他们将要承担“改造客观世界”的任务，需要具备现场解决工程项目中的实际问题的能力。工程项目通常具有不确定性、非线性的特点，使得工程背景和现场条件的各不相同，没有现成的经验可循，这就需要培养的工科学生具备在复杂的实际问题中识别主要矛盾，化繁为简地形成经济可行的解决方案，在工程实践中不断完善自己的知识结构和经验，形成良好的工程素养。

一、工程素养及其构成要素

工程素养是从事工程技术工作的工程师们所具备的基础知识、基础理论、基本技能。它的主要内容包括工程意识、工程知识、工程能力和工程伦理。调查表明，大学生的工程伦理水平最高，工程能力水平、工程知识的掌握程度也较高，工程意识最为薄弱。工程意识是工程人对工程造物活动的看法、态度和行为倾向，是他们对于自身社会角色及其价值、责任和理想的自我体验和自觉反映。工程意识可以体现在创新意识、合作意识、安全意识、实践意识、质量意识等方面。意识是行动的导向，在学习中有了工程意识，才会主动参与到工程实践中，以合格工程师的标准来严格要求自己。对于工科专业的学生而言，工程素养需要在大学阶段的学习中初步形成，在工作岗位的实践中进一步养成。

二、电路原理实验课的地位与学生表现现状

电路原理课程一般安排在大二的第一学期，是电类专业工科学生接触电类工程概念与工程分析方法所学的第一门电类专业课，是电类专业的技术基础课程，不仅要完成电路原理自身的教学内容，还承载着培养兴趣和奠定基础的作用，为后续课程的学习奠定扎实的基础。通过该门课程的学习，掌握一些基本的电路概念和定律等原理知识，理论学习内容较多;更要了解不同电路理论的应用条件和背景、电路模型的适用性及其对实际电路的影响，形成工程的概念和思维方法，如工程建模的方法、近似处理的方法、工程处理中的优化与折中等。作为与其配套的实验教学，电路原理实验课是电子信息类专业重要的实践环节，它在学生的理论知识与工程知识间起着桥梁作用，是培养电类专业学生学科技术素质和工程素质的基础，也是他们终身发展的基础，该课程的教学质量直接关系到电类毕业生未来的工作和发展。

电类专业学生之前学习的数理知识偏重于培养在理想条件下的解题能力，具备较强的理科思维，在电路原理课程中表现为比较注重解题方法，认为会做题就达到了学科要求，实验只是无关紧要的。对实验认识的偏颇导致一些学生在实验课程中表现不够理想，如：1.态度上不够重视，做实验时应付了事;2.实验技能不强，对常用仪器如电流表、示波器掌握不熟练;3.理论应用能力欠缺，不能熟练应用所学理论解决实验问题。这些表现反映学生的工程意识薄弱，需要专业教师正确的引导和刻意强调。

三、电路原理实验教学中培养学生工程素养的策略

作为独立设置的实验课，除了本身具有的理论联系实际、培养学生的合作精神之外，经过教师精心设计的实验项目和有意识的引导，在提升学生的工程观念、工程能力和工程意识方面，将有着不可替代的作用。

（一）工程近似与工程折中的观念

RLC串联谐振电路的品质因数测量，教材中給出的品质因数定义是谐振时电感感抗（或电容容抗）与电阻R的比值。在实验室测量时需考虑便捷度，通常是谐振时电感（或电容）的电压与电阻电压的比值。从理论定义到实验测定，反映出理论与实践的区别：1.表现在测试方法上;2.理论值与实际值的差别。按照实验步骤，采用谐振时电感与电容电压值相等的方法测出谐振频率，根据标称的元器件电阻和电感数值（电容值），由定义式计算品质因数，与测定品质因数相对比，测定值比理论值小，存在不小的误差，此时学生会产生疑惑。教师可以提醒学生，公式适用的是理想元件，计算时只考虑了电阻的阻值，而测试时电感、信号源的阻值都是实际存在的，实际材料与理想材料有差别，元器件实物本身与元器件数学模型不同，正是这些隐蔽电阻的阻值导致了测量值与理论值的差异。

元器件的物理模型是对元器件的抽象，根据使用条件，抓住主要的本质特征，忽略非本质的次要因素。不可避免存在的工程误差就是在工程操作中确保基本性能指标的前提下，做出的一种折中，这种误差的存在具有合理性。模型表征元器件从严谨、周密、完美的理论思维向近似、受限、实用的工程思维的转变。工程设计时应当预见到误差的存在，并在参数上留出冗余，以确保项目整体的质量。

（二）测试方案多样性培养工程直觉能力

戴维南定理是电路原理实验中非常重要的内容之一，它是将任意有源一端口网络等效为电压源与电阻的串联形式，电压源电压就是该一端口的开路电压，电阻是一端口的无源等效电阻。实验室中戴维南定理的测量方法有多种，可以让不同分组的学生选用不同的测量方案，自选测试器材，通过实验能得到几乎相同的结果。在工程实践中，一个任务的完成往往会有多种方案，这些方案之间并不是简单的孰优孰劣的差别，而是实现条件的不同。工程教育就是要培养学生具备工程直觉能力，在工程现场复杂的环境中，能够在众多的解决方案中快速找出兼顾质量和成本的最佳方案处理工程问题，实现工程目标。

（三）变通思维培养工程创新意识

创新意识的培养包含在创造性的解决实验中遇到的问题、灵活处理实验过程中具体问题的能力。在电路原理实验中，电流与电压的测量方法不同，电流的测量需要将被测电路断开因而会显得比较麻烦，但电流测量是不可避免的。固定电路的实验设备配有测电流的专用线，其原则是通过专用线断开内部电路，而后在断开处通过电流表连接起来。随着实验耗损的增加，专用线可能出现故障导致实验无法测量。此时，引导学生自己动手，采取将测试电路两端断开的方法，使原来的电路变成必须经过电流表的通路，以此达到测量被测支路的电流的目的。

这种通过变通思维解决问题的能力，近可以迁移到在做电路实验时遇到器件故障时，学生首先想到的不是放弃，而是积极寻求替代方案以完成实验任务;远则可变成一种内在的精神，在学习和工作中遇到困难和问题，能够迎难而上，主动寻找解决问题的方法和思路，直至攻克难关。工程的实际问题总是存在着不确定性和不可预知性，学生实验中也会遇到新颖的问题，善于利用这样的机会培养学生随机应变的能力，比实验结果本身更具有意义。

（四）仿真实验培养工程安全意识

在工程实践中，安全可靠性关乎工程设备的安全和人身安全，工程师们应当具备安全无小事的意识，不做无谓的尝试。随着信息技术与课程教学的融合，在电路原理实验中引入计算机仿真以完成电路设计、功能验证等工作，为真实实验提供依据。在电路实验中，当无法确信实验是否安全无误时，可以通过仿真观察实验结果，定性或者定量分析不同结果的产生原因，合理设定实验内容，以确保实物实验取得成功。

三相交流星形连接方式有两种，即带中线的三相四線制和不带中线的三相三线制。对于三相四线制，由于中线的存在，负载无论是均衡的或是不均衡的，其工作方式不受影响，都可以正常工作;三相三线制在均衡负载时正常工作，当负载不均衡时将发生负载中性点偏移，造成三相负载的电压不对称，其结果是负载轻的由于相电压过高被毁，负载重的由于相电压过低不能正常工作。一些教师在教学中只安排做三相四线制的所有实验，对于三相三线制只做均衡负载，非均衡负载则不做实验，直接告诉学生实验结果，以达到保护实验设备的目的。

在实验室安排这个实验时，由于是强电，为避免烧坏实验设备同时保护学生，要求学生先通过Multisim仿真观察结果，而后在仿真结果的基础上，降低源端电压，再在实验室实验。将非均衡负载的仿真与实际电路相结合，借助于虚拟仿真技术的优点，既完成所有的实验，也达到培养学生的安全意识的目的。

四、结束语

作为电路原理课程的重要实践环节，电路原理实验是学生在专业课学习阶段最先接触到的实践性课程，在该课程的教学中有意识的培养学生的工程观念、能力和意识，有助于他们在后续的专业课程中重视实践，掌握扎实的专业知识，具备良好的专业素养，为将来成为优秀的工程师奠定基础。【基金项目：郑州师范学院本科教学改革研究项目（重点）：应用转型背景下的师范院校非师专业人才培养模式的探究（编号：JXGG-20842）。】

参考文献

[1]王章豹.大工程时代的卓越工程师培养[M].上海科技教育出版社，2017.

[2]周玲.上海高校学生工程素养调查报告[J].高等工程教育研究.2016（5）：106-111.