“新工科”背景下电路测试实验平台改造及实践

2022-07-07吴葛邓春花尹仕冯学玲

教育现代化 2022年4期

吴葛，邓春花，尹仕，冯学玲

（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉）

一引言

“新工科”理论是教育部为应对新一轮的科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等国家战略而提出的新一轮的工程教育改革，其培养的人才应该能够为国家的战略任务提供服务[1]。“新工科”人才培养的目标逻辑中，人才素质的复合是前提，创新是关键，工程是要旨，智能是趋势。在“新工科”人才培养的过程逻辑中，跨界培养是其核心特征。知识操作上要坚持理论与实践的跨界[2]。实践教学作为人才培养的重要环节，在培养学生的创新精神、实践能力和综合素质等方面有其独特的作用[3]。所以，“新工科”理念的提出给相关专业的实践教学开展带来了困难与挑战。

《电路测试技术基础》课程是电气工程及自动化、水利水电工程、光电信息科学与工程、电子科学与技术、微电子学工程、集成电路设计与集成系统、电子信息工程、通信工程、生物医学工程及测控技术与仪器等专业的一门重要的专业基础实验课程，是电气与能源动力类专业必修的主干核心课，它服务于《电路理论》课程，帮助学生掌握电路电子技术基础知识及其运用，并通过工程性和功能性相结合的实践研究环节，培养学生积极思考、主动学习、自主动手和独立解决复杂工程问题的研究能力和创新意识。

传统《电路测试技术基础》实验教学以验证性实验为主，主要培养学生动手实践能力；而在“新工科”教育背景下，课程更加注重学生独立思考能力，运用所学知识、先进自动化技术和通过查阅搜集相关文献，设计有创新性的多种实验方案，并能够解决具有一定复杂性的工程问题。传统的电工实验台已经不满足需求，本文从我校“电路测试技术基础”教学现状出发，提出基于“新工科”背景下电路测试实验平台改造方案，在此基础上对实验课程内容进行完善，实现分层次的教学。

二现有电路测试教学中存在的问题

（一）当前实验台存在的问题

目前我校《电路测试技术基础》课程，采用的是于2012年自主研制的电工学实验平台，存在以下问题：

1.电气安全及装置陈旧问题

电路实验包含直流和交流实验，接线口如图1所示，由于面板接线柱不统一，为了防止学生触电，采用带有弹片保护接线端子，但是保护套多次插拔之后容易松动，实验过程中易弹出，考虑到强电实验的危险性，必须高度重视安全问题[4]。另外，实验台由于年限较长，并且每年承担的教学任务较重，部分元器件已老化且装置器件陈旧，不利于学生顺利开展实验。

图1 直流、交流实验面板

2.实验模块的固化

现有设备主要完成验证性的实验，模块固定，无法进行综合设计型的实验；采用封闭式挂箱，学生无法接触到实际的元器件，无法建立对实际元件的认知，更谈不上进行综合设计实验，无法提高学生的实验技能和实践能力，也限制了学生的想象力以及创新能力的培养和提高。

3.实验空间受限

现有实验台与市面电工实验台类似，台面过高，占用空间大，不利于课前集中讲授，在进行中需要合作的综合性项目时，不方便交流，不利于学生团队合作能力的培养；实验台不方便移动，实验室空间复用率不高，只能作为专用实验室。

（二）当前实验教学中存在的问题

1.实验内容偏验证性

从实验项目的类型来看，目前开设的实验主要分为三个单元，直流单元、交流单元以及动态单元[5]。基本都是验证性实验，综合性和设计性不强，实验项目单一化严重，很难激发学生的兴趣与热情，调动学生的学习主动性，这在一定程度上影响了课程的效果。

2.教学模式单一

现有的实验模式依旧是学生课前预习，课中教师讲解实验原理、实验内容以及注意事项，学生根据老师的讲解连线，观察实验现象，记录实验数据。该模式虽然对掌握电路理论有一定的帮助，但是对学生大脑的训练始终不够，不利于学生工程设计能力的提高。

三电路测试实验台改造思路

（一）消除隐患，保障用电安全

一方面要对学生进行安全用电教育，培养学生的安全用电意识，掌握用电基本规律，规范学生的实验操作[6]。另一方面增强实验装置安全性[7]。

1.统一接口

将所有强弱电模块接线柱统一，换用带硬质保护套的导线，保证接线安全的同时，便于学生实验。

2.新增电源保护

实验台电源模块是通过交流接触器控制通断。主回路由一个接触器控制整个实验台，三相电源单独一个接触器控制。在三相电路交流接触器的辅助电路中新增一块限流保护模块，该模块通过检测线路中的感应电流进行比较，控制保护板上的继电器的通断，进而控制三相电路交流接触器的辅助电路，通过电磁线圈产生的机械动作带动触头接通或断开[8-11]，实现三相电模块回路的通断控制。

3.远程控制

在电源模块的主电路的接触器的辅助回路中串联网络控制设备，与实验室信息化管理系统结合，通过远程监测网络中控制设备以及实验台实验情况，实现智能控制电源关断。

（二）元件可视化，模块可拓展

1.专有实验模块可视化

将现有实验台集成化、封闭化的挂箱进行再设计，专有实验进行融合，模块设计成可视化面板，如图2所示。让学生在进行实验的同时增强元器件的认知，同时便于教师及时发现问题进行维修。

图2 可视化实验模块

2.通用实验、创新实验模块可扩展

在提供部分专用实验模块的同时，引入九孔板（主要用于大功率电阻、电容以及设计模块）、面包板，如图3所示。结合虚拟仪器NI-myDAQ，能够灵活搭建各种实验电路，并能够满足多种形式的创新实践需求，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的创新性思维，提高学生的电路设计能力和团队协作能力。

图3 可扩展实验模块

（三）实验台机架式设计

减小体积，合理布局，将实验台改造成机架式，仪器设备固定，实验面板以及扩展元器件收纳于车内，增强可移动性，在满足《电路测试基础》实验的基础上，更好地提高实验室空间的复用率。

四实验内容的完善

基于改造后的电路测试实验台以及现有教学中存在的问题，对实验项目及内容进行了重新设计，分为虚拟仿真实验以及真实电路实验。其中真实电路实验分为3个层次进行教学，即基础验证性实验、设计性实验以及虚实结合的综合性实验。基础验证性实验以及设计性实验，要求学生一人一组独立完成，虚实结合的综合性实验2～3人一组完成实验。

（一）仿真实验

主要有三个仿真实验，在课外完成。包括“线性有源一端口网络等效参数测量”“二阶电路的响应”“日光灯电路与功率因数提高”，学生通过学习课程组录制的慕课来进行Multisim仿真软件的学习，完成仿真实验。引入仿真实验，不仅可以打破传统实验受时间和空间的限制，而且经过仿真，学生在线下实操时对实验中出现的现象能够更加了解，实验的目的性更加明确，缩短了实验时间，提高了实验效率[12]。另外，可以培养学生运用计算机分析和解决电路设计的能力，同时激发学生的学习兴趣，为后续的课程打下坚实的基础。

（二）基础验证性实验

基础验证性实验主要是安排在课程前期，学生通过微课视频掌握电路基本物理量的测量方法，实验数据处理，实验结果误差分析，熟练掌握常用元器件的识别方法；通过课堂老师讲解和演示，以及“直流稳压稳流源的使用以及特性曲线的测试”实验的完成来熟悉实验室各种仪器设备的使用；通过“故障检查”实验，来帮助学生掌握基本电路问题的排查与测试，为后面实验打下基础。

（三）设计性实验

设计性实验主要采用的教学模式是与课前仿真实验相结合的形式。基本思路是通过课前发布的任务指标，学生根据指标，自行完成电路的参数设计，并且利用Multisim仿真软件分析验证参数的有效性以及实验现象；课中，学生根据老师的原理讲解，检视设计的电路是否正确，修正完善最终电路方案，选择合适的元器件，并且在九孔板上搭建电路进行调试，完成实验，将实验数据与课前仿真结果对比，分析正确性。

设计性实验的教学模式，要求学生根据指标依次进行电路设计、参数选型、仿真验证、电路再设计、再验证，确定最终的设计方案并进行电路实践。通过这一个完整电路设计的过程训练，帮助学生为后期的科研训练和将来工作中建立电路设计的思维习惯以及行为习惯。

（四）虚实结合的综合性实验

综合性实验采用的教学模式是虚拟仪器NI-myDAQ Labview与真实硬件电路结合的形式，即“虚实结合”，教学内容是将不同的知识点进行融合。课程组基于此设计了4个综合性实验项目供学生进行选择：“简易温度采集系统”“超声波避障系统”“简易红外检测报警系统”“音效处理系统”。

虚实结合的综合性项目，相对于设计性实验需要自己进行简单元器件的选型外，还需要了解各类传感器的原理及特性，更加接近完成真实项目制作，这就进一步加强学生设计及动手能力。与仿真实验不同的是，通过虚实结合的形式进行的综合实验，采集的是实际电路的信号，同时可以将硬件与软件很好地结合，将数据采集、处理以及显示一次完成。

通过综合实验项目的训练，学生将能够掌握：

1.能应用NI-myDAQ的数据采集卡进行数据采集，结合Labview虚拟仪器的可视化、模块化编程设计，制作出合适的测量仪器，用于自主设计以及创新；

2.能对简单系统进行需求拆分，自行选择合适的器件进行系统搭建；

3.能掌握软硬件调试的方式方法；

4.能在团队合作中得到提升。