電路實(shí)驗(yàn)課程引入設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐探索

吳麗麗+余佩瓊

摘 要：為了深化教學(xué)改革，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識培養(yǎng)，在電路課程實(shí)驗(yàn)中引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)不同層次的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在完成基本的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生組隊(duì)完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，同時(shí)豐富了實(shí)驗(yàn)考核的手段。

關(guān)鍵詞：電路實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0218-03

Abstract：In order to deepen teaching reform and strengthen the training of students awareness of innovation， the paper introduces the design improvement experiment in the course of circuit experiment， and designs and develops the design experiment items of different levels. Change the traditional experimental teaching mode， to complete the verification experiment based on the open experiment teaching mode， the student team to complete the design experiment， in order to cultivate the students practical innovation ability and team cooperation ability， enrich the experimental evaluation means.

Key Words：Circuit experiment； Reform of teaching； Design experiment

在高等學(xué)校教育工作中，課程建設(shè)是基礎(chǔ)，改革是動(dòng)力，提高教學(xué)質(zhì)量是目的[1]。目前，高校中電路實(shí)驗(yàn)課程往往依附于課堂教學(xué)的內(nèi)容，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K為主，包含個(gè)別綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解和鞏固課堂所學(xué)的理論內(nèi)容，但教學(xué)內(nèi)容缺乏層次性及創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教材，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，學(xué)生在教師講解演示結(jié)束后，再按部就班地重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，容易導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，無法滿足不同層次學(xué)生的需求。

電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的目的是培養(yǎng)學(xué)生加深理解電路的基本理論知識、掌握基本實(shí)驗(yàn)測試技能、養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣和解決工程實(shí)際問題的綜合能力具有重要的作用。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)該在更高層面上審視自己的教學(xué)定位，應(yīng)該成為創(chuàng)新實(shí)踐教育的抓手和推手。從低年級開始實(shí)施創(chuàng)新意思和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應(yīng)該成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)[2]。該校的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，針對不同層次的學(xué)生提出相對應(yīng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。深入研究了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革、實(shí)驗(yàn)考核手段改革等多方面內(nèi)容，充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地的科研條件，在教師的引導(dǎo)下，提前進(jìn)入科研實(shí)踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。

1 引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的問題或理論課中提出的課題確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求及各項(xiàng)性能指標(biāo)。學(xué)生需自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案、確定設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行實(shí)踐操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。教師需規(guī)范實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)收過程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課題的難易程度以及學(xué)生完成的情況給出相應(yīng)的成績，并將成績記入學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)成績中。

設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)可以改變以教師為中心的傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，代以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式。在整個(gè)教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生主動(dòng)去思考問題、探索知識，使得學(xué)生具有較大的學(xué)習(xí)自主性，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

把電路實(shí)驗(yàn)課程分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，對現(xiàn)有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容做整合，開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用X+Y+Z的模式，X為驗(yàn)證型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在課內(nèi)時(shí)間在電路實(shí)驗(yàn)室完成；Y為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生在相關(guān)內(nèi)容實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行前在課外完成；Z為設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)自身知識水平和興趣自主選取實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，然后自行擬定實(shí)驗(yàn)方案和步驟。由教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的完善給予指導(dǎo)。

1.1 設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)題目的擬定可以有兩條途徑，一條是教師根據(jù)課程內(nèi)容結(jié)合應(yīng)用實(shí)際提出，另外也可以學(xué)生根據(jù)自己的興趣結(jié)合所查詢的資料提出相關(guān)的題目交于教師審核，通過審核后便可作為提高型實(shí)驗(yàn)的題目。設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)題目的擬定是整個(gè)實(shí)踐探索中的一個(gè)關(guān)鍵，也是一個(gè)難點(diǎn)。合理的實(shí)驗(yàn)題目既能激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生體會(huì)在實(shí)驗(yàn)中能學(xué)有所用，又能讓課堂教學(xué)的知識點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中得到很好的印證。

設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)題目的擬定需在遵循“三基”原則（基本實(shí)驗(yàn)原理、基本實(shí)驗(yàn)方法及基本實(shí)驗(yàn)技能）的前提[3]。題目需注重可行性與趣味性相結(jié)合，扣緊課堂所學(xué)基礎(chǔ)知識，同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，具有一定的知識延伸性，難易程度適中，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手積極性。如濾波器電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，濾波器電路是電氣信息類學(xué)生最經(jīng)常接觸的電路類型之一，具有很廣的應(yīng)用前景。分立元件組成的無源濾波器電路是根據(jù)電路中元器件的感抗和容抗對各次諧波分量的反應(yīng)不同，感抗與信號的頻率成正比，容抗與信號的頻率成反比。工程上利用電感L和電容C彼此相反而又互補(bǔ)的頻率特性，設(shè)計(jì)具有一定濾波功能的“單元電路”，然后再用搭積木方式（如串聯(lián)、并聯(lián)），連接成各種的無源濾波器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示[4]。

根據(jù)題目的要求選擇相適合結(jié)構(gòu)的濾波電路，選擇合適參數(shù)的元器件，應(yīng)用Multisim仿真軟件對電路進(jìn)行仿真測試，調(diào)整元器件參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)，觀察輸入輸出信號的波形，得到最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果確定的相關(guān)元器件參數(shù)，學(xué)生自行采購元器件進(jìn)行實(shí)際電路的焊接與調(diào)試，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)過程中，學(xué)生可以根據(jù)所查資料自主確定電路結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，并與同學(xué)進(jìn)行相關(guān)知識的討論和經(jīng)驗(yàn)的交流，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和主動(dòng)性，學(xué)習(xí)興趣也會(huì)大大提高。通過實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、電路板的制作與調(diào)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫等工作讓學(xué)生真正做到理論與實(shí)踐的相結(jié)合。教師扮演的是知識點(diǎn)啟發(fā)，和接受咨詢的角色，可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的延伸，完善學(xué)生的設(shè)計(jì)，真正做到“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式。

1.2 團(tuán)隊(duì)的協(xié)作及教師的引導(dǎo)

選題過程中以3～4位學(xué)生一組來共同完成一個(gè)課題，一個(gè)課題可以拆分成幾個(gè)功能模塊，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)其中的一個(gè)模塊，最后再將各個(gè)學(xué)生各自調(diào)試好的模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)完成整個(gè)課題。包括最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也可以是團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)學(xué)生先將各自部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容撰寫完畢，最后再形成一篇完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這個(gè)過程中，要注意課題功能模塊的分割，避免某個(gè)學(xué)生的工作量過多或者過少，保證最后分?jǐn)?shù)的公平性。在團(tuán)隊(duì)協(xié)作過程中，學(xué)生可以互相交流所學(xué)到的知識及所查詢到的資料，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

在學(xué)生自主完成課題的過程中，教師也不是完全放任不管。首先，在課題的選擇上就需要教師把好第一道關(guān)。課題選擇應(yīng)該要扣緊課堂所學(xué)知識，不能脫離課堂。但也不能是課堂知識的簡單堆砌，要結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，有一定的知識延伸性，這些都需要教師來進(jìn)行把握。其次，在課題制作進(jìn)行的過程中，要做好理論知識的引導(dǎo)與延伸，幫助學(xué)生鞏固課堂知識的同時(shí)，拓寬知識面。同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行相關(guān)知識的檢索，如何在龐大的數(shù)據(jù)中快速找到自己所需的內(nèi)容。這些實(shí)踐探索的過程對于學(xué)生今后的科學(xué)研究包括走上工作崗位都將是受益匪淺。

1.3 豐富實(shí)驗(yàn)考核手段

現(xiàn)階段該校電路實(shí)驗(yàn)課程的考核包含兩大塊：一塊是分實(shí)驗(yàn)的成績，每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要教師給出每位學(xué)生的操作分及實(shí)驗(yàn)報(bào)告分，這部分的成績占該生最終成績的60%；另一塊就是考試成績，考試時(shí)每位學(xué)生抽取一個(gè)考題，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)根據(jù)題目要求完成操作實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，回答考題中的問題。這部分的成績占該生最終成績的40%，從而最終形成一位學(xué)生完整的實(shí)驗(yàn)成績。這種考核的形式過于單一，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，考核內(nèi)容也較為單一。學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力等都無法得到鍛煉和提高。

引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，需完成一個(gè)設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，兩者結(jié)合形成的成績作為電路實(shí)驗(yàn)課程的最終成績。學(xué)生通過前期的選題，中間的課題制作，制作報(bào)告的撰寫，最后以答辯的方式，展示作品的基本理論內(nèi)容，完成的技術(shù)難度，創(chuàng)新點(diǎn)等，讓更多的學(xué)生參與到課題的討論中。答辯的過程中，學(xué)生的表達(dá)能力、總結(jié)能力，以及現(xiàn)場的反應(yīng)能力等都能得到提升，從而促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。具體考核辦法如表1所示。

1.4 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

由于電路實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)數(shù)比較少，課內(nèi)時(shí)間只能完成基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)勢必要在課后時(shí)間完成，因此，采用開放式的教學(xué)模式組織學(xué)生完成設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生根據(jù)自身知識水平和興趣自主選取或提出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和步驟、組織實(shí)驗(yàn)儀器、排除實(shí)驗(yàn)故障、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教峁┝送瓿稍O(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)所需的探究的、自主的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以得到多方面的能力訓(xùn)練，如自主學(xué)習(xí)能力、分析推理能力、實(shí)際動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等等。體現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主體地位和教師的主導(dǎo)地位，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力方面起到了不可替代的特殊作用。

2 教學(xué)改革的試點(diǎn)與成效

2.1 該校電路教學(xué)改革試點(diǎn)

浙江工業(yè)大學(xué)電工電子教學(xué)示范中心是省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，擁有電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室、電路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)電實(shí)驗(yàn)室、模電實(shí)驗(yàn)室、軟件實(shí)驗(yàn)室及電子工藝實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室。各實(shí)驗(yàn)室都配備了雙蹤數(shù)字示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、交流毫伏表、數(shù)字萬用表等儀器設(shè)備，另外數(shù)電實(shí)驗(yàn)室、軟件實(shí)驗(yàn)室還配備了電腦，電腦上安裝有Multisim、MATLAB、DEII及Protel等仿真軟件。各實(shí)驗(yàn)室在完成既定的教學(xué)任務(wù)外，對全校的師生是免費(fèi)開放的，為學(xué)生開展設(shè)計(jì)提高實(shí)驗(yàn)提供了全面的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備保障。

在本校信息學(xué)院2014電氣類專業(yè)選1個(gè)班作為電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革試點(diǎn)。在學(xué)期初提出以開放式的教學(xué)模式來展開設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對此教學(xué)改革表現(xiàn)出極大的興趣，熱烈響應(yīng)。隨著電路理論課程教學(xué)的推進(jìn)，到了學(xué)期中公布由教師組擬定的設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)題目，供學(xué)生選擇。學(xué)生自由組隊(duì)，3～5人一組。學(xué)生也可以自擬題目，由教師審核通過。確定題目及組隊(duì)后，教師指導(dǎo)學(xué)生分析與解讀課題要求的各項(xiàng)指標(biāo)、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、提出設(shè)計(jì)方案，通過multism仿真完成電路設(shè)計(jì)。采購元器件，焊接電路到最終的電路調(diào)試。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告及完成答辯。讓學(xué)生體會(huì)到一個(gè)工程項(xiàng)目的整個(gè)制作過程。

2.2 電路教學(xué)改革的成效

在電路實(shí)驗(yàn)中引入了設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，使得電路理論與解決實(shí)際問題很好地結(jié)合了起來，電路原理在學(xué)生眼中不再是抽象的理論知識，而與解決實(shí)際問題聯(lián)系起來，這樣極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)電路理論的興趣和動(dòng)力，大大促進(jìn)了學(xué)生對電路理論知識的理解與掌握。其結(jié)果反映在電路期終考試成績中，該試驗(yàn)班級的及格率超過年級平均及格率近20個(gè)百分點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)和答辯過程中，學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力有了長足的進(jìn)步。為后續(xù)的電子設(shè)計(jì)競賽打下了良好的基礎(chǔ)。2015年在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，我院學(xué)生榮獲全國一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，全國二等獎(jiǎng)4項(xiàng)；省一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)6項(xiàng)，TI單項(xiàng)獎(jiǎng)1項(xiàng)，這是我院自1994年參加該項(xiàng)賽事以來取得的歷史最好成績。其中實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生表現(xiàn)亮眼。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是課堂教學(xué)必不可少的一個(gè)補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性也在各個(gè)高校中得到越來越多的重視。在電路原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，通過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題，學(xué)生的全身心投入，以及教師的適度引導(dǎo)，最終效果通過實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的表現(xiàn)得到一定的驗(yàn)證。首先，學(xué)生的興趣得到很大的激發(fā)，從枯燥的重復(fù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中掙脫，自己掌握實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性。包括正確分析與解讀課題要求的各項(xiàng)指標(biāo)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，提出設(shè)計(jì)方案，比較各個(gè)方案之間的優(yōu)劣，得出最優(yōu)方案和最優(yōu)的電路參數(shù)，采購元器件，焊接電路到最終的電路調(diào)試以及論文的撰寫，讓學(xué)生體會(huì)到一個(gè)工程項(xiàng)目的整個(gè)制作過程。其次，通過設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生易于體會(huì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)往往包含幾個(gè)功能模塊，單靠一個(gè)學(xué)生要在限定的時(shí)間內(nèi)完成有一定的難度，這就需要幾個(gè)學(xué)生一起共同完成，每個(gè)學(xué)生完成一部分，每個(gè)學(xué)生之間如何溝通協(xié)調(diào)，在出現(xiàn)意見分歧時(shí)，如何進(jìn)行調(diào)和，考驗(yàn)的不但是學(xué)生的學(xué)識，更考驗(yàn)學(xué)生與人溝通的能力。電路實(shí)驗(yàn)課程引入設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)，可以將課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行完美融合，實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)，具有很好的實(shí)踐意義。

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