基于RC电路实验的混合式教学探究

罗 兰，刘 珊，张士文

（上海交通大学，电工电子国家级实验教学示范中心，上海 200240）

0 引言

电路实验是本科阶段一门重要的基础实验课，有助于学生更好地理解和掌握理论知识。也为后续的专业课程学习打下重要的基础。传统的电路实验教学中，通常是课前预习+上课讲解+操作验证+实验报告的形式，以教师为主体，学生为辅，在实际教学中存在一些问题。

（1）预习流于形式，教学效率不高。学生撰写预习报告流于形式，通常是照抄书上的原理和实验内容，以备老师检查，上课前难以真正理解知识点。课堂时间有限，教师无法面面俱到，接受能力好的同学时间盈余，而接受能力差的同学依然没完全消化，这样导致教学效率不高［1］。

（2）验证性实验为主，实验过程单一。老师讲解实验内容，学生按照老师事先设计好的流程完成实验操作，并记录相关数据［2］。学生在实验过程中只是被动的动手操作，缺乏自主思考，不能有效地将实验内容与曾经学过的理论知识相结合［3］。验证性实验激发不了学生自主探索的欲望，更别提对知识的应用和实践创新。所有学生操作相同的实验内容和过程，机械性完成实验操作，无法真正调动学生的学习兴趣。

（3）考核标准单一，无法评估学习过程。以实验结果作为唯一评分标准，无法全面评估学生的学习过程。“重结果，轻过程”，这样不但无法真正体现学生的操作水平，而且很多学生为了追求更好的实验成绩而采取抄袭等捷径［4］。

针对教学中存在的问题，需亟待探寻新的教学方式，提高教学质量。翻转课堂是对传统教学顺序的颠倒，构建“课下学习知识，课上实现知识的内化与吸收”的翻转教学结构［5］。对高校的本科生而言，自主学习能力在整个大学学习过程中至关重要，它是学生保持创新能力的基本条件［6］。翻转课堂将课堂的内容搬到课下，将学习的主动权交给学生，让学生自主完成原本课堂上的内容学习。启发式教学法围绕学生的学习行为展开，以学生为主体，教师的指导作为辅助，通过各种自主型的教学模式来培养学生独立学习和创新实践的能力，最终通过调动学生学习积极性来改变教学效果的目标［7］。问题启发式教学引出设计性实验，充分调动学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣。本文介绍了基于翻转课堂和问题启发式教学的混合式教学方法在RC 电路实验教学中的应用；同时采用多维评估方式，从过程综合评价学生学习表现。

1 混合式教学方法

通常一阶RC 电路实验过程如下，课前学生预习实验原理，课堂上老师讲解实验内容和仪器操作，学生按照实验电路接线，画出一阶RC 电路的充放电电压和电流波形。虽然验证性实验能够加强对理论知识的印象，但是这种依葫芦画瓢的方式让有的学生没有主动思考一阶RC 电路充电和放电的原理，所以当不给电路图，有的同学区分不了RC 电路的充电和放电过程。将混合式教学方法应用在一阶RC电路实验教学中，翻转课堂让学生课前自主学习知识，问题启发式教学引导学生将所学知识用于实践，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

1.1 翻转课堂

翻转课堂是对传统教学方式的一种革新，是指学生在课前通过观看视频或阅读教材、文献等学习手段自主学习新的知识［8］。如何让学生在课前进行有效的预习，是实验教学中急需解决的问题。翻转课堂将课堂讲授的内容发布在网络上，供学生提前学习。一阶RC电路网上的内容包括实验目的，实验原理，实验内容，仪器操作。学生不再拘泥于课堂有限的时间，课下能合理利用时间学习。翻转课堂兼顾学生个体差异［9］，线上的形式包括微课视频和PPT，满足了学生的个性化学习需求和不同基础学生的学习需求。有的学生喜欢浏览PPT，有的学生喜欢观看视频；当学生对某个知识点不清楚时，可以反复拖动进度条进行观看或者翻阅相关的PPT。理论知识点包括一阶RC 电路充放电原理，充放电过程中电压和电流的推导过程，充放电曲线，时间常数的求取以及时间常数对充放电过程的影响。课前需要使用的仿真软件Multisim使用方法放到线上，方便学生课前自学，上课需要使用的仪器，如信号发生器，示波器在课堂上讲解。

翻转课堂并不只是将课上的教学内容搬到线上，还要进行有效的课堂管理［10］。为了保证学习效果，每个实验有一个小测试，小测试包含20 个选择题，学生会随机抽到其中5 个题目。每个学生有2 次答题机会。测试题目和学生小测试成绩如图1 所示。除了小测试，学习中遇到问题能及时沟通交流，教师引导也非常重要。所以线上开放了师生讨论区，问题答疑区，同时每个班级还建立了微信交流群。学生在学习过程中碰到的问题可以在师生讨论区和微信群与老师，同学交流；也可以在答疑区提出来，老师会定期回答学生的疑问。

图1 小测试题目和小测试分数

1.2 问题启发式教学

讲解环节的线上翻转将被动的课堂教学换了一种形式，并不能激发学生主动学习的兴趣［11］。换言之，传统的老师讲授，学生照做的实验方式不利于调动学生主观能动性，培养学生发散思维和实践精神。问题启发式教学是以问题为主的启发式教学［12］。用相互关联，有逻辑层次的问题启发同学思考，发起设计性实验，可以更好调动学生的积极性和主观能动性，让学生将预习的知识点灵活应用于实验设计中，达到更好理解和掌握知识的目的。

在启发式教学中，教师要激发学生“解惑”的欲望［13］。启发以学生已有的知识为基础，教师的启发起着提示思路和“搭桥”的作用［14］。设置什么样的问题以及如何设置，成为能否启发成功的前提［15］。问题设计思路见图2。以一阶电路的定义，RC充放电的原理为基础，联想到RC充放电的应用，我们提出应用积分电路，将方波转化得到三角波；应用微分电路可将三角波转化为方波。进一步联想，在获得三角波的基础上，是否可以得到不对称的锯齿波呢？这里利用二极管的单向导电性将电路稍作改动即可。除此之外，元器件参数变化能影响输出波形。依据以上思路，我们提出如下几个问题：如何将方波转化得到三角波？反之，怎样将三角波转化得到方波呢？既然方波可以转化为三角波，那么如果要得到锯齿波，又要怎么实现呢？如果方波频率，幅值变化，对输出三角波的影响又是怎样？

图2 问题设计思路

这几个提问相互关联，有层次性，引出波形变换的3 个实验内容。图3 为设计的波形变换的3 个题目。

图3 输入波形与输出波形

（1）设计一个基于RC 电路的三角波发生电路。三角波峰峰值为0.8 V，频率为1 kHz，占空比为50%。输入为峰峰值为8 V的方波。

（2）设计一个基于RC 电路的方波发生电路。方波峰峰值为0.32 V，频率为1 kHz，占空比为50%。输入为峰峰值为8 V的三角波。

（3）设计一个基于RC 电路的锯齿波发生电路。上升波和下降波维持时间比例为1∶3 的三角波，频率为1 kHz，锯齿波峰峰值为0.4 V。输入为峰峰值为8 V占空比为1∶3 的方波。

题（1）和（2）是基础题目，题（3）难度进阶。学生可以选择基础题（1）和（2）进行实验，学有余力的学生可以选做题（3）。

实验要求学生自主设计波形变换的电路。首先学生需要设计电路模型，选择合适参数，然后用Multisim软件仿真，最后在面包板上搭建电路进行验证。自行设计电路要求学生充分理解电路原理，然后灵活运用所学知识；参数选择要求学生进行理论计算得到合适的参数；Multisim软件拥有数以万计的电子元器件，各种常用的仪器和仪表、分析工具，方便进行电路仿真和测试［16］，软件仿真让学生学会使用Multisim验证方案的可行性；搭建面包板验证功能锻炼学生的动手实践能力，用实践检验理论的正确性。问题启发式教学通过有效的问题调动学生的参与积极性，提高他们主动探索求知的兴趣，也增强了他们动手实践能力。

课前学生设计电路，计算出参数并进行仿真，课上动手搭建面包板验证。课堂中，引导学生改变元器件参数，搭建电路，观察对输出波形的影响，增强学生对一阶RC电路的理解。题（1）中，若改变方波频率为500 Hz，保持输入方波幅值不变，将如何影响输出呢？若增大输入方波的幅值，保持方波频率不变，将如何影响输出呢？

题（1）由方波转换成三角波，用积分电路实现。积分电路用电阻和电容串联，从电容端输出。学生在探寻参数过程中，采用多种方法计算参数，列举如下：

方法1当时间常数τ远大于方波周期时，

方法2在充电阶段，电路是全响应，是零输入响应和零状态响应之和。

在放电阶段，电路也是全响应，是零输入响应和零状态响应之和，即

由式（1）（2）经过变换得到

两种方法得出近似相等的结果，说明学生不拘泥于一种解题方式。

题（2）由三角波转换成方波，可用微分电路实现。微分电路用电阻和电容串联，从电阻端输出。从图4的学生的Multisim仿真结果中发现，虽然R和C 的取值不同，都达到了一样的实验效果。

图4 Multisim仿真电路和仿真结果

题（3）采用积分电路。因为上升波和下降波的斜率不同，所以充放电阶段应该采用不同的时间常数，即充电和放电回路采用不同的RC。如何用不同的回路分别实现充电和放电功能呢？图5（a）是同学通过交流探讨和翻阅文献的方式，发现可以用稳压二极管的单向导电性实现一个回路充电和另一个回路放电的电路图。图5（b）为课堂上学生用面包板和元器件搭建的电路。

图5 实验原理图和学生搭建的电路及实验装置

由此可见，启发式教学促使学生主动思考，充分调动了学生的积极性，学生主动将学习的理论用于实践，并且通过交流，查阅文献多种方式来解决问题，扩展了解题思路，同时面包板实践锻炼了学生的动手能力。

2 评估方式

传统的评价体系注重报告和考试，只重视单一的结果，很少注重学生的学习过程。实施混合式教学后，为了能全面公平的评估学生学习效果，调动学生的积极性，采用多维评估方式。评价的角度覆盖了学习态度和学习能力两个方面。学习态度主要包括课前视频浏览，小测试和预习报告的完成程度。学习能力主要包括电路设计及仿真结果，课堂中动手操作能力，遇到问题的解决能力，实验结果的分析判断等。

评估由课前预习，课堂表现和实验报告三部分。

（1）课前预习。在整个学习环节中，课前预习非常重要，课前预习的质量直接决定了课堂的质量。所以将其比例设置为30%。其中课件浏览5%，小测试5%，预习报告20%。课件浏览完成度，小测试完成率和准确率决定得分。互联网技术记录学生的学习轨迹，经过后台的统计，平台自动给出课件浏览和小测试的分数。预习报告，采用网上提交的方式，主要包含电路设计，参数的选择以及仿真结果。参数选择需要给出计算过程，仿真除了电路图也要给出仿真的结果。

（2）课堂表现。主要从选择题目的难度和课堂操作来评估。选择了进阶题目会有难度加分。课堂操作体现在对工具的使用能力，仪器的使用，布线美观，查错纠错能力，以及最后的实现效果。

（3）实验报告。实验报告是实验必不可少的一个环节，学生需要对实验需要有一个全局的概念，实验报告中要体现实验方案设计，参数选择，仿真结果，实验结果，以及对实验中遇到问题的思考。

图6 评估维度及比重

3 应用意义

与传统教学不同，混合式教学真正做到以学生为中心。学生为学习的主体，老师引导学生，答疑解惑。多样化的教学体现在教学形式的多样化，微课视频，小测试，答疑区等多种形式丰富的教学手段。实验内容具有层次性，可以兼顾不同层次的学生的需求，使得不同层次的学生都得到提高。采用多元评价体系，覆盖整个实验过程，注重了学习的过程，全程监控学生的学习情况，更能有利于激发学生主动学习的热情。转变教学模式后学生课前的学习目标更明确，效率更高。

2020 年秋季学期在2 个班应用了混合式教学，对照另外2 个传统教学班。混合式教学班发放50 份问卷，传统教学班发放52 份问卷，统计数据见表1。

表1 两种教学模式的对比

问卷调查的结果显示，混合式教学班采用的在线学习，小测试提高了学生对知识点的了解程度，混合式教学大大提高了学生对知识点的掌握程度。启发式教学引出的开放式的实验内容激发了学生自主探索的欲望，提升了他们对实验的兴趣和参与的积极性。学生通过自主思考，交流讨论，动手操作，加深了对知识的理解，提高了动手实践的能力。

通过与传统教学班比较，发现采用混合式教学班的学生的课堂表现更为活跃。他们的学习主动性更高，遇到问题积极思考，主动寻求解决办法。

4 结语

翻转课堂和问题启发式教学的联合应用发挥了各自的优势，起到1 +1 ＞2 的效果。实验教学项目固定模块，学科特点便于翻转课堂的实施，翻转课堂充分利用信息科技发展的成果，将课堂的知识发布在线上。学生根据自身学科基础以及对成绩的期望，灵活安排时间，在课前完成线上知识的学习。老师利用问题启发式教学，引发学生思考，学生在课前预习得知识的基础上，充分发挥自身主观能动性，通过独立思考，查阅文献，师生交流或生生交流等形式完成实验设计，用Multisim仿真验证设计，最后在课堂完成搭建电路，验证电路功能的实验内容。通过整个过程，学生体验用所学的知识初步解决问题的流程，加深了学生对知识的理解，对学习的积极性，培养了动手实践能力。如何让基础电学实验更好服务于当前对创新型人才培养的需求，这种混合式教学方法不失为工科背景下培养创新型人才的一种探索方向。