网络化、开放式电路实验教学改革探索

荆娟娟 颜少波 徐美玉

（河南科技大学 电气工程学院，河南 洛阳471023）

0 引言

如何调动学生自主思考的积极性，提高工程实践和创新实践能力，一直是实验教学中需要解决的痛点，传统电路实验中，结合学生的时间、指导教师的时间、实验室的排课时间，考量三个维度后，集中到实验室“教师带着学生做实验”。对此，电路实验教师团队探索新的实验教学模式，打破固化的学生只能在教师的指导下在实验室进行实验的方式，以学生为主体，尊重学生的自主意识，充分利用学生的课外时间和手边资源，通过开放实验室的形式、网络化线上线下相结合的教师指导方式等改变，让学生独立自主地去完成实验过程，在综合运用理论课程所学知识的基础上，激发其自主思考的积极性，提高实践和创新能力。

1 线上线下相结合实验教学模式

依托学习通在线开放课程平台，指导教师设计电路实验的章节框架，学生根据实验目的，参考实验指导书或自行进行电路设计、实验方案制定以及数据测试等工作，并通过手机学习通实现与指导教师的互动，实现了线上线下相结合的实验教学模式[1]，如图1所示。每个实验大致分为预习及其审核、实验操作和课后总结三个部分，所有的数据资料都可以留存。

图1 超星学习通网页版与手机App界面

1.1 预习及其审核

预习任务包括线上观看相关理论视频，回答客观题等，部分实验需要完成设计任务并在平台提交、指导教师审核，只有完成预习任务，审核通过后才可以进入实验室，进行实验操作环节。把预习任务放到课堂教学以外，可以充分利用学生的课余时间，弥补实验学时不足的问题；布置设计性题目，促使学生利用丰富的网络资源，结合理论知识，借助软件仿真，学以致用。

以双口网络实验为例，指导教师在学习通平台下发实验任务，要求学生自行学习相关理论知识，并完成客观题后，依据限定元件自行完成实验电路设计，搭建T网络、π网络，及二者级联网络的电路；使用Multisim仿真软件进行仿真，在给定电压、开路或短路限定条件下，记录相应仿真数据，并形成元件清单，同时根据仿真数据计算T矩阵并推导T矩阵的通用表示形式。完成后将设计方案及数据上传，指导教师对方案进行批改、确认，审核通过后方可进入实验室。

学生设计电路选取电阻阻值的多样性，导致判断测量数据正确与否变得烦琐，可借助同时测量法的实验思路，根据电路结构推导T网络、π网络T矩阵中A、B、C、D的通用表示形式[2]。在做实验时，给定电压源为直流稳压电源，电压统一默认单位为V，电流单位为mA；第一个下标表示输入端或输出端，第二个下标表示条件，O表示开路，S表示短路。故有：U2O=U1O/A，I1O=U2OC×1000，I2S=U2S/B×1000，I1S=I2SD。从而得到各个被测量对象的理论值，借助Excel等数据处理软件，提前编辑各个对象间的计算关系，以便验收学生测量数据时，快速判断学生的数据是否正确。

1.2 实验操作

1.2.1 课时内实验

实操环节中，指导教师讲解设备仪器、仪表的使用方法、元件识别方法和电路组装技巧，强调注意事项；学生在现有的台架或面包板上，按照实验指导书或之前审核通过、自主设计的电路原理图，选取正确的元件搭接电路，并在实验过程中，根据学习通相应要求，拍照留存过程照片或视频。实验内容完成后，采取现场验收的形式，指导教师可随机提问问题、对学生测得的数据进行批改、让学生重现某一数据的测得过程等，目的在于引导学生发现实验现象与经典理论冲突矛盾的地方，即理论无法解释实验现象，或实验现象无法印证理论时，启发学生关注细节，不放过问题，进而深入思考[3]。

以三相电路功率的测量实验为例，用有功功率表测量对称负载无功功率时，实验台提供的是三相对称的白炽灯、电容，理论上套用无功功率的计算公式，容性负载无功功率应是负值。为了加深学生对无功功率的理解，且深刻地认知三线电源的相序在实际生产中的重要意义，故意设置“陷阱”，将一些实验台的三相电源接成逆序，使得实验台测得容性负载无功功率的数值是正值。显然，实验测得数据是不正确的，学生往往也会发出质疑。此时，指导教师只需引导学生考虑这一现象和三相电源相序间的关系，制造且抛出问题，指明方向，留待学生自主解答。

1.2.2 补充实验

由于课时所限，学生发现问题后也需要时间查阅资料，故需另外在实验室空闲的时间开放实验室，以供学生进行补充实验。例如，三相电源的相序怎么测定？部分学生课下查阅资料发现，可以借助仿真软件设计电容型相序仪电路原理图，之后利用实验室开放时间在实验台上搭接电路，进行相序的测定。可以得出结论，白炽灯较亮的是电容的后续相，再去判断自己所在实验台相序是正序还是逆序，和测得容性负载无功功率的正负号是否吻合。从工程实践的视角去引导学生，鼓励学生自主思考、大胆质疑、小心验证。

1.2.3 课堂思政

为了督促学生养成良好的实验习惯，从细节做起，把整理实验台归为实验操作成绩考核的一部分。要求学生在每次实验完成后，必须整理实验台，包括还原工具、仪器位置，整理导线，摆放凳子，保持实验台整洁卫生，并拍照上传学习通，如图2所示。

图2 整理实验台示例

1.3 课后总结

课后总结包括回答思考题，上传过程照片或视频、带有教师签字的原始数据照片、设计报告等。书写一份完整、规范的实验报告，督促学生回顾、梳理整个实验过程，从而查缺补漏，是实验的重点之一，尤其是设计性实验，可以以附件的形式提交。实验报告需反映以下工作：方案设计，根据实验任务设计的电路原理图、数据记录表格及理论推导；电路验证，在实验台上选取正确的元件，连接调试电路，测取的实验结果；数据分析；补充实验，针对实验过程中发现的问题是怎么解决的；实验总结，思考过程、心得体会等。

2 开放式实验环境

开放式实验环境可以从实验时间、地点开放，实验室开放，实验内容开放三个方面来理解。

2.1 实验时间、地点开放

指导教师在学习通平台创建电路实验课程，并关联学生之后，学生和指导教师间的联系就建立起来。实验前，学生可根据任务要求；或针对课时内实验过程中发现的问题；查阅资料，在学习通手机端询问教师，借助多样的仿真软件，灵活分配时间，随时随地进行实验任务。

2.2 实验室开放

针对实验操作环节在课内时间没有完成的情况下，或实验过程中产生怀疑需要再进行补充实验的同学，可以在实验室空余的时间，填写实验室开放登记本，详细填写日期、时间、姓名、班级、实验项目、实验台号等信息后，再次进入实验室。

2.3 实验内容开放

所谓实验，本就是验证经典理论之后，在掌握理论知识的基础上灵活实践运用，最终用于解决现实生产、生活中遇到的问题，而工程实践中遇到的问题，尚未可知，没有定数，故实验形式、内容也不应该局限固有的电路实验指导书[4]。

例如，戴维宁定理的验证实验，实验台上提供两路直流稳压电源，一路电流源，两块搭接好的实验电路板，符合戴维宁定理成立的条件即可自由选择、任意组合，并通过绘制等效前后的电压、电流关系曲线，达到验证其目的即可。

例如，判断三相交流电源是正序还是逆序，方法很多，可以结合电路、数模电的知识，来实现相序的自动判定，实现正序指示灯亮，否则不亮，也可在此基础上增加正序上电逆序断电的功能，进一步接近相序继电器的控制逻辑。启发学生现实产品源于理论，鼓励学生学以致用。

3 考核要求

课前预习，将相关知识点准备、理论公式推导、表格制定、方案设计等上传学习通平台，指导教师进行审核，占比10%；实际操作，电路搭建、仪器操作熟练，测试数据记录清晰、准确，补充实验方案合理，现象、结果正确，占比50%；课后总结，实验报告完整、规范，突出思考过程等，占比40%。

4 实验改革效果与改进

4.1 实验改革效果

在两年多的实验教学改革实践的过程中，作为指导教师也很欣慰。例如，在T矩阵推导过程中；提高单相交流电路功率因数中，计算功率因数为1时的理论电容C值；三相三线制供电系统中，证明二瓦计表法成立等过程中，学生的方法思路多种多样，可谓“百花齐放”。

网络化、开放式实验教学中，学生的角色从随从者变成了主导者，指导教师从主导者变成了护航者。从实验前的电路设计、软件仿真、理论推导，到实验中的面包板插接、实验台接线、实验结果测取等实操，以及发现问题后的补充实验，实验后的自行总结，学生会自发的运用课程所学知识，积极思考，去发现问题、解决问题，完成实验后也会获得更大的满足感，从而推动学生创新和实践的动力。并在过程中主动思考，设备、软件、工具等的熟练运用，也会为后期的专业学习、研究打下良好的基础。

4.2 改进方向

进一步细化考核评分标准。预习与课后总结，在学习通平台上，可以看到每道题详细的分值分配，指导教师根据学生答题情况给出相应的分数，并可填写评语，指出学生失分的地方；细化评分标准指的是实操部分的考核，以往实操成绩往往和学生完成的先后顺序、完成情况、实验态度等有关，没有具体量化的统一标准，需要在接下来的实践教学中，继续完善。

5 结语

师者，所以传道授业解惑也。作为教师，不仅要教会学生理论知识，更要教会学生自主思考，创新意识与实践动手能力，利用所学知识解决实际工程问题。网络化、开放式实验教学模式只是电路实验改革的一个探索，还需在实践中不断改进。