面向新工科的“电工电子学”多模态实验探索

张英敏 雷 勇 杜佳耘 王 鹏 王小昔

(四川大学 电气工程学院, 成都 610065)

为应对新一轮科技革命、产业变革和我国战略需求,教育部积极推进新工科建设[1]。“电工电子学”课程是非电类工科专业的人才培养体系中一个重要的组成部分,属于课程体系的“工程基础类课程”,得到了教育部基础课教指委的支持和肯定[2-4]。“电工电子学”课程知识面宽,实践性强,综合性和跨学科特色鲜明,该课程不仅有助于树立学生严肃认真的科学作风和理论联系实际的工程观点,还对培养学生的科学思维能力、分析计算能力、实验研究能力和科学归纳能力方面起着重要的作用。

“电工电子学”课程理论性强,知识点多,学生往往感到概念抽象,难以理解,配以相应的实验教学对于学生理解和掌握这门课程十分必要[5-9]。而传统的“电工电子学”实验更多的是验证型实验,学生必须在固定时间、固定地点,按照固定思路进行实验,往往使学生养成思维惰性,只是做实验而不会用理论知识对结果进行分析判断。四川大学“电工电子学”课程组,在2020～2021学年秋季学期为本科一年级学生教授“电工电子学”课程时,选取了少数几组学生,试行“电工电子学”多模态实验方式。该模式真正实现了以学生为中心,让实验室跟着学生走,增强学生的自主性和创新性。本文分享了几个多模态实验案例。

1 多模态实验方式

“电工电子学”多模态实验方式采用雨课堂与A+D Lab相结合,用基于互联网+的“雷实验”模式进行。多模态实验分为验证型实验、综合型实验和设计型实验,验证型占比15～20%,综合型占比25～40%,设计型占比40～50%。拟增加应用型实验。

1.1 雨课堂

雨课堂是由学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发的一款智能终端,把课堂过程赋予全新的体验,最大限度地释放教与学的能量,推动教学改革[10-16]。雨课堂通过将PowerPoint/WPS与微信相结合,增强师生互动体验,为学生课下预习、课中互动和课后复习提供了一个很好的解决办法,开启了互联网+的学习时代。

1.2 A+D Lab智慧教学平台

A+D Lab智慧教学平台通过互联网技术优势,将学生从传统的实验室解放出来,方便学生能够随时随地做实验。A+D Lab是一套针对理工科专业学生实施便携式实验的软硬件解决方案。A+D Lab产品硬件部分由黑色底座和可更换面板组成,黑色底座上包含示波器、信号源、电压表、逻辑分析仪、程控电源等十多种功能,可根据选择课程的不同来更换面板。

1.3 “雷实验”模式

在互联网+信息互通教育背景和新工科学习趋势下,将雨课堂和A+D Lab相结合便形成了“雷实验”教学模式:教师通过雨课堂发布实验任务、在线批阅电子实验报告。学生通过接受任务、设计实验、仿真验证、模型搭建、数据采集和撰写报告,所有的数据、照片和报告都可以上传到雨课堂。

这种实验教学模式能够给予学生更多空间,锻炼了自主学习能力和理论联系实际的能力,还能不限时间不限地点方便师生之间交流和问题的解决。

2 多模态实验过程

多模态实验的具体过程如图1所示。

图1 多模态实验过程

步骤1:教师发布实验,学生接受任务后进行相应的实验准备工作。

步骤2:学生准备充分后,设计出实验电路,使用Multisim或Tina进行仿真,在实验仿真步骤可使用屏幕截图,截图后上传至教师处。若教师不认可学生设计,返回意见,学生重新设计并仿真。

步骤3:设计方案被确认,学生进行实物实验。实物搭建好后以照片的形式从手机端同步到学生平台。经教师检查确认电路无误后,可以开始通电实验。实验中的示波器、信号发生器、可编程电源等多种功能由平台软件实验,方便操作。完成实验后进入实验总结步骤,学生可在此写下心得体会。报告整理步骤会显示之前的仿真截图、实物图片以及测得的数据等等,最后撰写完成实验报告,提交给教师批阅。

在全过程的任一环节,师生之间都可以进行良好互动。整个过程体现了以学生为中心,以学生主导、教师辅导的方式充分调动学生的积极性。学生在自主查阅资料、设计电路、进行仿真、搭建电路、查找错误等过程中理论联系实际,加深了对课堂上知识的理解和掌握,锻炼了动手能力和小组协作能力。

3 多模态实验案例分享

3.1 验证型实验

题目:“基尔霍夫定律的验证”。

实验电路如图2所示,用五个电阻连成一个不平衡的电桥结构,两端加电压。然后用万用表测量各个支路的电流,各个节点的电压,代入KCL、KVL公式验证基尔霍夫定律。

图2 基尔霍夫定律验证实验原理图

在实验仿真过程中可在Tina软件中搭建仿真电路如图3所示。由于需要验证基尔霍夫电流电压定律,所以需要测得每个元件的电流和电压。通过KCL、KVL公式计算验证基尔霍夫定律。

图3 基尔霍夫定律验证仿真电路图

仿真成功并交由教师检查后,可搭建实验实物并用万用表测得R2的电流电压数据如图4所示。最后采用万用表测得每个元件实际的电流和电压,记录下来,带入公式验证。仿真所得的每个元件的电压电流和实物实验测得的电压电流如表1所示,表中元件参考方向可结合图3中所标示节点来看。

表1 元件电压电流值

图4 基尔霍夫定律验证实物搭建图

整个实验过程中所有测得的数据都可直接通过A+D Lab软件进行保存,在撰写实验报告的时候就可直接在软件中提取数据和图片,整个过程方便简单。

在撰写实验报告时,要求学生写明实验原理,自行计算出理论值,和仿真值及实测值进行比较后,进行误差分析。通过本实验,不但进行理论验证,还引导学生理解理论和实验的联系和不同,理解误差的产生和正确处理方法。

3.2 综合型实验

题目:“不同功能运放电路的实现”。

学生先进行仿真分析,然后通过自行选择运放、电阻、电容等,搭建了包括反相放大器、同相放大器、积分器等在内的多种运放电路。通过信号发生器提供频率为1 kHz、幅值为1 V的正弦输入信号,并通过双踪示波器显示出输入电压和输出电压进行对比。

通过选择适当器件,学生搭建了反相放大器、同相放大器、积分器等不同功能的运放电路。实物搭建图、仿真电路和测量波形图如图5-图10所示。

图5 反相放大器实物搭建图

图5、图6中,选择恰当的电阻值使反相放大器放大倍数为5,输入输出反相。

图6 反相放大器波形图

图7、图8中,选择恰当的电阻值使同相放大器放大倍数为6,输入输出同相。

图7 同相放大器实物搭建图

图8 同相放大器波形图

图9、图10中,积分器输入电压为方波时,输出电压呈现三角波的形状,改变电容或电阻可改变输出电压的幅值。

(a)R=1 kΩ,C=0.1uF

(b)R=1 kΩ,C=0.22uF

(c)R=1 kΩ,C=0.47 uF图10 积分器波形图

在撰写实验报告时,要求学生写明实验原理,对各运放电路进行综合的原理推导,对输出波形和结果进行分析。通过本实验,引导学生更了解运放电路的功能,并对运放电路电阻值的选择、输入信号范围、运放本身的运行区域有更深刻的理解和体会。

3.3 设计型实验

题目:“现有器件包括运算放大器、不同阻值的电阻若干和一个电容元件,试搭建一个感性电路”。

要实现感性电路,必须设计回转器将电容通过逆变转换为等效电感。学生自行搜索和回转器相关的知识,设计能实现回转器功能的电路,先仿真验证,再搭建实际电路。如图11所示,给出了回转器的仿真电路图,其中框内为2个运放搭建的回转器电路,所有电阻都取1 kΩ。当回转器的第二个端口接电容时,从第一个端口看进去的等效阻抗呈现纯电感的特性。由于实物搭建时,A+D Lab示波器只能显示电压波形,因此在电源侧串接入一个380 Ω电阻,一方面实现感性电路,一方面由于电阻的电压和电流同相,显示出电阻的电压波形,也就显示出了电阻的电流即等效电感的电流的相位变化规律。仿真图中也同样接入了这个380 Ω的电阻。

图11 回转器设计实验仿真电路图

通过理论计算可以得到图11所示的回转器电路(左边为1端口,右边为2端口),其端口特性应满足

(1)

其中r1=r2=1000 Ω。

当2端口外接0.22 uF的电容元件时,从1端口看入的等效电感为:

L=r1*r2*C=0.22 H

当接入频率为1000 Hz、幅值为1 V的正弦电源时,等效电感的阻抗大小为1382 Ω。总电路呈现电感性,Z=380+j1382 Ω,计算得到380 Ω电阻两端电压幅值约为265 mV,等效电感的电压幅值约为964 mV。

对实验电路进行瞬时仿真计算,得到仿真波形如图12所示。

图12中黄色曲线为电源电压波形(幅值为1 V),红色曲线为回转器1端口的电压波形,黄色曲线为380 Ω电阻电压波形(和回转器1端口的电流波形同相)。可以看出,回转器1端口的电压超前于电流90°,呈现纯电感的特性。等效电感电压幅值和380 Ω电阻的电压幅值和理论计算值一致。

再搭建实物实验电路如图13所示,加以频率为1000 Hz、幅值为1 V的正弦电源,得到输出波形图如图14所示。

图13 回转器设计实验实物搭建图

图14 回转器设计波形图

图14中黄色波形为380 Ω电阻的电压,蓝色波形为等效电感的电压。从波形图中看,蓝色波形超前于黄色波形90°,满足电感元件的电压电流的相位关系。但是电压幅值和理论计算值略有差异,考虑到元件本身具有的误差和电路连接的情况,产生这样的误差属合理范围。

通过本实验,学生查找资料、自行设计实验方案并实现,培养学生自主学习的能力和创新思维。

4 结语

本文介绍了面向新工科的“电工电子学”课程多模态实验方式,并分享了四川大学“电工电子学”课程的几个验证型、综合型和设计型实验案例。通过多模态实验方式,培养学生自主学习、方案设计、团队协作、理论联系实际和运用知识解决问题的能力,造就多样化和创新型卓越工程科技人才,更好地为我国的工程人才培养服务。