电路基础实验课程的思政教学实践

谢忠玉，初红霞，樊海源

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院， 哈尔滨 150050)

引言

教育部于2020年5月印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》提出，全面推进课程思政建设，就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观，这一举措影响着国家长治久安，影响着民族复兴和国家崛起。要紧紧抓住教师队伍“主力军”、课程建设“主战场”、课堂教学“主渠道”，让所有高校、所有教师、所有课程都承担好育人责任，守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思政课程同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局。专业实验实践课程，要注重学思结合、知行统一，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力[1]。课程思政的思维是科学创新[2]，创新能力的培养需要本科生在实践教学的各个环节中，不断积累、训练而获得。学生在高等教育的学习过程中能否秉持正确的是非观念，不被学业中的名利所左右，逐步树立实事求是的学术人格，是高等教育的所有基层工作者应该深入思考的问题，并在教学的各环节中对其进行教育和引导。

博学之、审问之、慎思之、明辨之、笃行之[3]，是《礼记·中庸》里我国古代学者对治学方法的高度凝练，同时涵盖了当今世界高等教育在人才培养过程中的多个环节。实践教学是现代教学体系中不可缺少的重要组成部分，包括基础类实验课、综合类实验课、设计类实验课及毕业设计等环节，这些环节是培养学生工程实践能力和创新能力的重要手段和必要途径[4]。本文以电路基础实验课程的教学为案例，介绍课程组教师提出的新式教学方法，力争培养理工类本科学生运用所学知识，分析、解决实践课所遇问题的能力，从而提高本科生的工程实践能力，进而培养学生的创新思想及创新能力，同时引导他们树立正确的人生观和价值观。

一、理工类高校基础类实验课教学现状分析

我国理工类高校的基础类实验课大多在前两个学年开设，例如：大学物理实验和电路基础实验等。此类实验课的教学目标之一，使学生通过实验环节加深对相关理论知识的理解；教学目标之二，是帮助学生提高理论联系实际的能力，用所学理论知识分析、解决实验教学过程中遇到的各种问题；教学目标之三，是教会学生使用相关科学技术领域里的常用仪器仪表，为本科生日后成为合格的工程师培养基本操作技能[5—8]。

基础类实验课的实验类型由验证型、综合型和设计型组成，在实际的教学过程中，绝大多数仍然以验证型实验内容为主要操作对象，只是在名称上向综合型和设计型过渡。其原因在于本科生刚刚入学不久，绝大多数课程都是基础课，尚未学习更多的专业知识；近年来，高等教育提倡培养综合型人才，学生学习的科目门类更加广泛，课程数量上也比上世纪多了很多，每门课程的学分因为课时的压缩而减少，因此学生的课业负担也较重。各高校的实验学时有限，过多地引入综合型和设计型实验内容反而会影响实验课的教学质量[9]。

1.验证型实验的特点

电路基础硬件类验证型实验主要由实验指导教师在实验课前给学生指定某一实验电路模型及参数；学生经过课前预习后，在实验室用实际电路器件及仪器设备将实验电路进行连接；用仪器仪表观测实验现象，并记录所需物理量的实验数据；当实验电路出现非正常工作状态时，学生独立地、或在实验指导教师的帮助下排除电路故障，完成实验课的操作环节；实验课结束后完成总结报告的分析及撰写工作。验证型实验内容有以下几个方面的优点[10—11]：

(1)可以帮助学生较快地建立起电路的初步概念，便于学生更好地理解电路的串、并联结构。

(2)通过实验电路的连接，掌握常用电子元器件的识别及使用方法，提高学生的动手能力。

(3)在对电参量的测量过程中，掌握常用实验仪器、仪表的使用方法。

(4)当实验过程中遇到非正常现象时，能够用所学知识，分析故障原因，实现培养学生理论联系实际的教学目标。

2.验证型实验内容案例分析

我们以电路基础实验课中的戴维南定理的验证作为案例分析对象，介绍验证型实验内容的教学特点[12]。分析验证型实验课程在教学各个环节中遇到的常见问题，后面给出实验课教学方法的改进思路和实施方案。复杂网络的实验原理电路如图1所示，其中独立电压源的参数可以设置为Us=14V，定值电阻设置为R1=220Ω，R2=51Ω，R3=1kΩ；负载RL由可变电阻箱提供；数字式电压表用于测量RL两端的电压；指针式毫安表用于测量RL所在支路的电流，于是我们可以通过测量负载RL两端的电压和负载RL所在支路的电流值，得到图1中A、B两点左侧这一有源二端网络的伏安特性(即有源二端网络的外特性)。经过实验指导教师的理论分析和实际测试，前面给出的电路参数可以保证流过负载电阻RL的电流一般情况下不会超过50mA，因此学生可以使用毫安表的50mA挡位，测量获得数据表格1中的所有电流值(为了避免学生因为连接电路时结构发生错误，导致电流表被测电流过大，超出50mA挡位的测量上限，从而损坏电流表，实验过程中在连接电路时，指导教师应要求学生将电流表的挡位转换开关放置到最大量程的位置。在接通实验电路测量电流时，再根据电流表指针偏转的大小，切换合适的挡位进行测量，以减小测量误差)。图1中节点A和节点B左侧的有源二端网络作为戴维南等效模型的原网络。

实验过程中，学生如果在实验器材没有损坏的前提下，能够按图1正确连接电路，正确使用电压表和电流表进行测量，再按照表1给出的负载电阻RL的数值，调整变阻箱的输出电阻值后，即可测得正确的电压和电流的实验数据。其中获得的1组实验数据如表1所示，表1体现了原有原二端网络的伏安特性。

表1 原网络数据表格

实验过程中，我们选取的原网络对应的戴维南等效电路结构如图2所示。根据戴维南定理可知，原有源二端网络对应的戴维南模型中的等效电阻R0，在理论上应该等于图1中原网络在电压源不工作时的等效电阻。当图1中电压源Us=0V时即为不工作，则等效电阻R0在数值上等于电阻R1和电阻R3并联后，再串联电阻R2的总电阻值。于是我们可以按照图2给出的结构，用电阻R1、R2和R3用导线连接成所需结构，从而获得实验所需的戴维南模型的等效电阻R0。此种由原网络中的实际使用电阻，通过连接获得戴维南模型的等效电阻R0的方法，引入的实验误差几乎为零，实验效果最好。

在验证戴维南定理的实验方法中，等效电阻R0还可以利用表1中的开路电压除以短路电流来获得，即R0=11.47V/49.6mA=231.25Ω。在尽量保证测量电流在较大范围内变化的前提下，无论在图1给出的原电路中如何改变三个实验定值电阻的值，用这种方法获得的等效电阻值很难等于某个可以获得的实际定值电阻，因此实验时还需要另外一个变阻箱模拟等效电阻才能完成等效电路的连接与测量工作。由于表1中的开路电压和短路电流都是测量值，它们和理论值之间必然存在一定的误差，所以获得的等效电阻值R0也将存在不确定方向(可能比真实值大，也可能比真实值小)的计算误差。因此由等效电阻R0的不准确给实验引入的测量误差，比前面用三个电阻连接获得等效电阻R0的方法要大很多。

戴维南等效模型中的独立电压源的参数为Uoc，其数值在理论上应该等于图1中原网络的开路电压，也就是表1中RL为无穷大时电压表的读数值，针对于表1对应的实验电路，此时应该设置为11.47V。

根据表2给出的负载电阻RL的数值，调整变阻箱的输出电阻值后，即可测得戴维南等效模型对外电路的伏安特性的实验数据。一般情况下，表2和表1的电压和电流的测量值几乎完全相等，于是通过表1和表2的数据对比，可以证明戴维南提出的获得等效模型的方法是正确的：即等效后的独立电压源的电压值Uoc等于原二端网络的开路电压，等效后的有伴电压源的内阻R0，等于原二端网络除去电源(令所有电源都不工作，此处令Us=0)后，获得的A、B两点左侧的无源二端网络的等效电阻，即为图2所示电路结构中，电阻R1并联R3后再串联R2所获得的电阻值。

表2 戴维南等效电路的数据表格

学生还可以将表1和表2的数据以坐标点的形式绘制在同一个电压—电流坐标系中，此时可以根据每个数据表格中的点绘制相应的有源二端网络的特性曲线，即两条斜率为负数的直线段，且两条直线段基本重合，证明两个有源二端网络对其外电路(A、B两点的右侧电路)是等效的。

二、“辨析型”实验教学模式的研究与实践

电路基础课程组的教师，在总结了多年来指导学生实验课的经验后发现，对于传统的验证型实验，学生在实验环节基本不用考虑实验模型及参数的正确与否，只要正确识别电路器件，按照要求连接电路，设置电源及器件参数并进行正确观测，都可以获得理想的实验结果。因此，验证型实验对培养学生的工程实践能力和创新能力缺乏足够的“审问之、慎思之和明辨之”。

在指导学生完成戴维南定理验证的实验过程中，学生常遇到的意外情况主要有以下三种。

其一是电路的连接结构发生了错误。学生对电路结构中串联、并联的概念掌握不准确，或者对用于连接电路的电路板的结构没有正确理解，还存在电路器件、导线出现损坏等情况，导致学生未能按照图1和图2的电路结构正确放置电路器件和仪器仪表，此时测量出来的数据和用原理电路图分析计算的数据没有任何关系，因此无法用来验证戴维南定理。

其二是电路结构正确，但参数选择或设置发生了错误。这其中又分为两个方面：

a、在连接电路时，学生能够按照图1的电路结构正确放置电路器件和仪器仪表，但三个定值电阻的位置发生了混淆的情况。学生在正确设置了电压源的电压值后，获得的数据和其他正确连接电路的学生获得的数据相差较大。只要他们按照图2给出的电路结构，按照他们自己连接图1中电阻的实际位置正确连接了电路，并按照他们测量得到的表1中开路电压数据正确设置了电压源数值，其获得的表2的等效电路的数据表格的数据，和他们测得的表1数据也是几乎相同的。上述两个数据表格仍然能够用于验证戴维南定理的正确性。

b、常常会有学生没有较好地完成实验课的预习工作，实验课上也没有认真听指导教师讲解实验要点，因此会在正确测量获得表1数据的前提下，在完成图2的实验电路测量过程中，仍然将电压源的电压设置为14V，于是获得的实验数据如表3所示。

表3 错误参数下戴维南等效电路的数据表格

理论知识较差以及不愿过多分析、思考的学生就会因为表3和表1中的数据相差太远而无法验证戴维南定理，简单地总结为此次实验彻底失败，无法验证戴维南定理。学习态度较好的学生会向实验课指导教师申请重新进行实验操作，以获得较为理想的实验数据；学习态度不端正的学生，很可能在实验课后抄袭其他同学的实验数据，完成总结报告的撰写，以获得较高的实验课成绩。

我们经过对实验模型及实验效果的深入分析，开创性地提出了“辨析型”实验教学模式。在设计实验电路的模型和参数时，给学生提供不完备的结构或参数，让学生们根据实验获得的数据，分析得到所需的实验结论。我们以前述的戴维南定理的验证实验，简述辨析型实验的具体实施方法。

复杂网络的实验模型一仍然采用图1的电路结构及参数，学生在正确连接电路及设置电源参数的前提下，可以获得表1的测量数据。实验模型二采用图2的电路结构，电路参数仍然采用图1的参数，即把图2中的符号Uoc用Us替换，电压值仍然设置为Us=14V，此时学生获得的实验数据如表3所示。要求学生根据表1和表3中的实验数据，判断两个二端网络是否对外电路等效？如果要实现等效，条件是什么？

根据前面的分析可知，表1和表3的数据相差很大，此时图1和图2中A、B两点左侧的两个二端网络对其外电路是不等效的。如果将两个表格的数据绘制在同一个电压—电流坐标系中，可以得到图3呈现的结果，即两条直线段近似平行，但位置相差较远。经过理论分析可知，理想情况下，图3中两条直线段应该是平行的，之所以体现出近似平行，原因之一是测量数据存在误差，其二是因为绘制直线段时存在人为选择因素。

根据图3中两条直线段平行这一实验现象，如果学生在学习理论知识时较好地掌握了线性电路的齐次性定理，即在线性电路中，当所有激励(独立电压源和独立电流源)同时增大或减小k倍时，电路中的响应(所有支路的电流或无源元件两端的电压)也相应的增大或缩小k倍。经过分析表1和表3的数据特点，结合图3给出的两个二端网络的外特性曲线，可以将表3中的所有数据都除以1.22，此时表3中的所有数据和表1中的数据将几乎相等，而1.22=14/11.47，即是将独立电压源缩小1.22倍后，线性电路中的响应(u和i)同步减小1.22倍，此时图2中的电压源数值应该等于图1中的开路电压Uoc(11.47V)。于是可以验证并得到前述的两个有源二端网络对外电路等效的戴维南定理的相关结论。

另外，当学生在实验环节获得非理想、不正确的实验数据时，教师应该引导他们用理论的方法，根据学生实际测量获得的数据，分析判断他们实际连接的电路结构和参数设置是什么样的，找到实验过程中发生错误的实际情况，完成总结报告的撰写，并且在实验成绩的评定上给予此类学生相应的鼓励。这样的实验课教学理念，不仅可以让学生体验到做实验的快乐，还可以最大程度地让学生将所学理论知识和实验操作环节相结合，同时可以在一定程度上避免学生抄袭、篡改或编造实验数据现象的发生。辨析型实验教学模式，不仅可以使学生在实验课获得全方位的锻炼和培养，还可以让学生在学习的过程中逐渐树立正确、负责任的学术态度，为日后成为优秀的科研工作者树立良好的学术人格。

结语

“辨析型”实验教学模式的运用，不仅可以改变当前本科生“慵懒”的实验状态，促使学生在实验前认真复习与实验内容相关的理论知识；在实验操作过程中引导学生对实验内容进行深入地思考；在撰写实验总结报告时全面、综合地运用所学理论知识，分析、论证并解决实验过程中产生的问题。一个设置合理的“辨析型”实验教学内容，可以让学生在实验课的多个环节，感受到分析问题、解决问题的快乐，同时可以培养学生的工程实践能力，建立其多角度、创造性思维模式，极大程度地提升高等学校实验课的教学效果。“辨析型”实验教学模式的构想，不仅可以应用于电路基础实验课的其他教学内容，还可以给其他理工类实验课提供全新的设计思路。

电路基础实验课程的思政教学探索，立足于“立德树人”的教育本质，坚持以学生为中心，在潜心培养学生的实践操作技能的前提下，不仅开发了学生的创造性思维模式，同时借助在实验操作环节获得不理想的实验数据，引导学生树立严谨求实的科研风气，逐步建立诚实守信的学术人格，避免学生在今后的工作中产生弄虚作假的念头和行为，为国家和人民培养诚实可靠的社会主义接班人，承担好育人责任。