虛實結(jié)合的電路實驗教學(xué)建設(shè)與實踐

吳 屏， 楊 靜， 姜倩倩， 王亞男

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 實驗與創(chuàng)新實踐教育中心， 廣東 深圳 518000)

0 引言

電路實驗是電氣、電子、自動化等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實驗課程，它把抽象的理論演繹于感性層面，并注重理論指導(dǎo)下實驗技能、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。根據(jù)《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中要求，全面實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”“深化教學(xué)改革，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)”，這都得要求我們在人才培養(yǎng)上，改變“分散、低效、落后”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，深度整合利用各類現(xiàn)代化資源，探索一條新時期實驗教學(xué)的道路[1～3]。

我校電路實驗團隊教師，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，進(jìn)行了如下實踐教學(xué)改革：①增加遠(yuǎn)程實驗項目和管理系統(tǒng)，虛實結(jié)合，構(gòu)建跨越空間、時間以及平臺資源共享的實驗教學(xué)環(huán)境；②迭代更新仿真類的實驗項目，加入前沿科學(xué)技術(shù)，開發(fā)多種創(chuàng)新性、設(shè)計性、綜合性實驗；③將傳統(tǒng)實操實驗，梳理知識點，整合項目，制作成慕課視頻，可供學(xué)生利用平時碎片化時間學(xué)習(xí)；④實操實驗，部分涉及關(guān)鍵實驗項目以及強電實驗項目采用實操教學(xué)，“虛實結(jié)合，能實不虛”，可面對面檢驗線上實驗的效果；⑤直播上課，線上指導(dǎo)教學(xué)，線上平臺互動交流的方式，使得學(xué)生們有高級的體驗感，教學(xué)更加高效便利。通過這些信息化的手段，建立起“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實驗-虛擬仿真-綜合拓展”的新型的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實驗實踐能力和綜合素養(yǎng)[4～6]。

1 實驗教學(xué)模式

1.1 實驗教學(xué)形式

傳統(tǒng)的電路實驗課程，集中在實驗室中，根據(jù)排課的時間地點，老師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗，這樣的實驗缺乏靈活性，場地的限制也制約了好學(xué)生的高需求，實驗課程雖激發(fā)了學(xué)生動手興趣，但沒有提供有效的學(xué)習(xí)資源、平臺和條件，讓學(xué)生進(jìn)行拓展和加深。

虛實結(jié)合的電路實驗教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)、信息化的手段，建立起“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實驗-虛擬仿真-綜合拓展”的新型的教學(xué)模式，如圖1所示，讓學(xué)生可以“有網(wǎng)在手，動手不愁”“想學(xué)就學(xué)，學(xué)的漂亮”，利用多元化的教學(xué)工具和平臺，進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗、虛擬仿真實驗，實操實驗，線上線下互動探討等，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的自主性開發(fā)設(shè)計能力[7～8]。

圖1 虛實結(jié)合電路實驗教學(xué)模式框圖

虛實結(jié)合后，實驗的教學(xué)形式靈活多變，可分為線下實操教學(xué)、線上教學(xué)或兩者結(jié)合。而線上教學(xué)可以包含有線上直播實驗教學(xué)指導(dǎo)、學(xué)生開放自主學(xué)習(xí)或兩者結(jié)合。上課形式可分為：實驗預(yù)約式、排課講解式、自由開放式。教師們可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)、知識體系結(jié)構(gòu)和后續(xù)課程的需求，多方位研究進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，挑選最適合學(xué)生的方式進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生的課程認(rèn)同感和實驗體驗感。在我校，“電路實驗Ⅰ”“電路實驗Ⅱ”“電工與電子技術(shù)實驗”中電路部分，這三門實驗課程面向不同的年級，不同的專業(yè)，課程所開設(shè)的實驗項目和教學(xué)的形式也是不盡相同的[9]。圖2為學(xué)生使用云桌面進(jìn)行虛擬仿真實驗；圖3為教師使用QQ桌面共享解決學(xué)生問題；圖4為教師使用QQ群進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗教學(xué)指導(dǎo)。

圖2 學(xué)生使用云桌面進(jìn)行虛擬仿真實驗

圖3 教師使用QQ遠(yuǎn)程共享解決學(xué)生問題

圖4 教師通過QQ群進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗平臺指導(dǎo)實驗

1.2 在線遠(yuǎn)程實驗

在線遠(yuǎn)程實驗平臺，由“實驗在線共享系統(tǒng)”和“ELF-BOX”在線實驗硬件組成，它打破了時空限制，可進(jìn)行“實景實驗”。

它的主要功能為：把實驗使用的元器件實物和真實測量設(shè)備部署在實驗平臺上；學(xué)生在電腦安裝客戶端軟件后，登錄實驗平臺，在電腦上搭建實驗電路、調(diào)整電路參數(shù)、測量實驗結(jié)果、驗證實驗設(shè)計、分析實驗現(xiàn)象、得到實驗結(jié)論，在搭建電路、調(diào)節(jié)參數(shù)、設(shè)備測試操作時，都與遠(yuǎn)方現(xiàn)場實物器件和設(shè)備操作達(dá)成一一映射，并能通過攝像頭觀測真實的設(shè)備測試，由此，獲得與實境實驗一樣的操控訓(xùn)練和實驗體感。學(xué)生在實驗中能夠感知物理器件和真實電路布線等引入的偏差，比虛擬仿真更進(jìn)一步，和真實實操環(huán)境近似，有利于發(fā)掘工程實際問題，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。在線遠(yuǎn)程實驗平臺硬件構(gòu)架圖，如圖5所示。

圖5 在線遠(yuǎn)程實驗平臺硬件構(gòu)架圖

實驗中心在線遠(yuǎn)程實驗平臺部署如圖6所示，圖中筆記本電腦模擬學(xué)生端，使用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行登錄客戶端進(jìn)行實驗操作。操作界面可使用攝像頭觀測現(xiàn)場真實的設(shè)備測試的實時情況，給學(xué)生實驗身臨其境的感覺，提高網(wǎng)上實驗的真實感，減少線上和線下的差異。圖7為在線遠(yuǎn)程實驗平臺客戶端操作界面，分為器件區(qū)、畫布區(qū)、信號源、示波器等控制臺，攝像頭等，同學(xué)們可以調(diào)取實驗指導(dǎo)書進(jìn)行實驗，將器件拾取到畫布上，連線，設(shè)置好輸入輸出設(shè)備，下發(fā)電路和設(shè)備設(shè)置，即可在控制臺界面或者攝像頭中觀察到實驗的結(jié)果，教師可以通過監(jiān)測點的設(shè)定，來獲取學(xué)生真實實驗時的設(shè)備數(shù)據(jù)，隨時掌握學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)的真實情況，反饋到實驗指導(dǎo)和教學(xué)中。

圖6 實驗室中遠(yuǎn)程實驗平臺實景

教師們在管理系統(tǒng)中設(shè)置實驗項目，上傳指導(dǎo)書、原理圖等教學(xué)文件，設(shè)置實驗所需要監(jiān)測的關(guān)鍵點電壓或者波形數(shù)據(jù)等，學(xué)生可通過客戶端下載學(xué)習(xí)資料，自主學(xué)習(xí)，并能記錄數(shù)據(jù)真實數(shù)據(jù)，完成實驗報告。教師們可通過后臺數(shù)據(jù)分析出學(xué)生的實驗情況，包括：常見問題，實驗操作情況，知識點的掌握情況，每位學(xué)生的學(xué)習(xí)時長等等。這些數(shù)據(jù)可以幫助教師們更新迭代實驗項目，調(diào)整自己的課件，讓教學(xué)過程更加高效，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖8為遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的基本過程圖[10～11]。

圖7 遠(yuǎn)程實驗平臺客戶端操作界面

圖8 程實驗教學(xué)的基本過程圖

目前，在線遠(yuǎn)程實驗項目包含電路實驗中弱電部分的驗證性實驗，比如：直流電路定理實驗、RLC串聯(lián)諧振電路實驗、RC選頻網(wǎng)絡(luò)實驗、RC一階電路響應(yīng)，RLC二階電路響應(yīng)實驗等。教師們可以選擇線下排課，線上通過QQ群直播、騰訊課堂直播以及騰訊會議等方式，和學(xué)生進(jìn)行交流探討，同時，教師可以在遠(yuǎn)程實驗室，根據(jù)平臺裝置設(shè)備上反饋的學(xué)生問題，在課堂上針對性講解輔導(dǎo)，這樣利用線上工具加強了教師和學(xué)生的聯(lián)系，使得實驗問題的溝通更加高效，彌補了遠(yuǎn)程線上實驗教學(xué)的交流性的不足。除此，教師們也可采用學(xué)生預(yù)約實驗的方式，展開自主開放式實驗。

在線遠(yuǎn)程實驗雖然有各種好處，也存有一些弊端，比如實驗平臺使用的電子開關(guān)存在一定的電阻和電感，在設(shè)計實驗時，需要考慮到電子開關(guān)寄生的電阻和電感對實驗線路的影響，進(jìn)而可能影響實驗結(jié)論。所以，在進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗項目設(shè)計時，需要揚長避短，課程內(nèi)容的設(shè)計需要各類實驗的有機結(jié)合來達(dá)到最終的培養(yǎng)目標(biāo)。

1.3 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是電路實驗中常有的實驗項目，一方面電路分析課程中有許多不容易實體化的原理和抽象的概念，使用虛擬仿真的模型來進(jìn)行實驗，便于學(xué)生理解通透；另一方面，虛擬仿真也常用于課程預(yù)習(xí)，讓學(xué)生對實物實操的實驗現(xiàn)象有初步的判斷分析，更有利于實操實驗現(xiàn)象的理解和分析；此外，由于仿真的靈活性，拓展性，教師們也常將設(shè)計性實驗、綜合性實驗設(shè)計為仿真實驗，結(jié)合仿真的結(jié)果，再進(jìn)行實際電路的調(diào)試驗證，既調(diào)動學(xué)生的積極性，又能提高學(xué)生的自主研學(xué)能力[12]。

根據(jù)學(xué)生的知識能力結(jié)構(gòu)以及后續(xù)課程要求，我們課程使用了兩款仿真軟件平臺：LTspice和Cadence，分別配備在單機版和云桌面平臺上。學(xué)生可以線下實驗室做實驗，也可以通過筆記本、pad等終端經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)訪問云桌面平臺來進(jìn)行實驗。虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計如圖9所示，單機與網(wǎng)絡(luò)云結(jié)合，使虛擬仿真隨行在手，仿真設(shè)計與遠(yuǎn)程實驗和線下實操相互輔佐配合，提高學(xué)生的工程開發(fā)能力。

圖9 虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

LTspice是一款高性能SPICE仿真軟件、原理圖采集和波形查看器，集成增強功能和模型，簡化了模擬電路的仿真，簡潔的圖形化界面，應(yīng)用便利，SPICE模型資源豐富，非常適合電路原理、設(shè)計應(yīng)用的仿真，便于本科低年級學(xué)生上手入門。Cadence軟件涵蓋了電子設(shè)計的整個流程，包括系統(tǒng)級設(shè)計，功能驗證，IC綜合及布局布線，模擬、混合信號及射頻IC設(shè)計，全定制集成電路設(shè)計，IC物理驗證，PCB設(shè)計和硬件仿真建模等，對于電類學(xué)生后續(xù)的課程的延續(xù)和專業(yè)方向的發(fā)展具有鋪墊的意義，適合本科高年級或者電類專業(yè)學(xué)生。

目前，虛擬仿真實驗包含：正弦電路仿真分析、動態(tài)電路時域分析、非線性電路分析、均勻傳輸線分析、有源濾波和無源濾波電路、受控源特性、電路定理研究設(shè)計性實驗、溫度控制與報警設(shè)計實驗等。虛擬仿真軟件的應(yīng)用，能夠幫助低年級的本科生理解抽象的理論概念；通過仿真預(yù)習(xí)，加強學(xué)生對實物實操的實驗現(xiàn)象有判斷、理解和分析思考；對設(shè)計性和綜合性實驗項目，仿真軟件的應(yīng)用幫助學(xué)生一步步設(shè)計電路，構(gòu)建電路，融合貫通各個電路理論知識點，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用和設(shè)計能力，并和實操實驗形成一個小的設(shè)計項目閉環(huán)，提高自主學(xué)習(xí)興趣和能力。

2 實驗教學(xué)資源建設(shè)

依托實驗與創(chuàng)新實踐教育中心實驗管理系統(tǒng)、中國大學(xué)MOOC平臺，在線遠(yuǎn)程實驗平臺系統(tǒng)建立起課程的多種教學(xué)資源平臺，主要包括：多媒體授課課件、實驗實操慕課、實驗設(shè)備慕課、遠(yuǎn)程實驗視頻、虛擬仿真軟件操作視頻、課程教材、考試題庫建設(shè)等。

在教學(xué)內(nèi)容上，兼顧線下和線上實驗的特點，將知識點分解成模塊化的教學(xué)資源，根據(jù)難易程度、知識的關(guān)聯(lián)程度、應(yīng)用的綜合程度進(jìn)行分層次的教學(xué)資源建設(shè)，逐步建立起體系化的課程資源。教師們可根據(jù)學(xué)生特點、課程目標(biāo)，后續(xù)課程需求進(jìn)行教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容的積木化自由搭配，構(gòu)建起自己特色的實驗教學(xué)方案。

3 結(jié)語

疫情期間，我校在線遠(yuǎn)程實驗平臺和公司合作管理，對社會開放運行服務(wù)，幫助了天津大學(xué)、海南大學(xué)等多所高校的在線實驗教學(xué)。

電路實驗教學(xué)的改革實踐表明，在傳統(tǒng)的實操實驗中，加入現(xiàn)代先進(jìn)科技，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，虛實結(jié)合，構(gòu)建跨越空間、時間以及平臺資源共享的實驗教學(xué)環(huán)境，建立“慕課預(yù)習(xí)-直播上課-遠(yuǎn)程實驗-虛擬仿真-綜合拓展”的新型電路實驗教學(xué)模式，構(gòu)建起“層次化”“模塊化”“體系化”的課程教學(xué)資源，有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實踐能力、信息化應(yīng)用能力以及自主實驗學(xué)習(xí)興趣，打造高端應(yīng)用型工程技術(shù)人才。