“電路理論基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”線上教學(xué)的探索與實(shí)踐

顧俏麗，楊文榮，裘之亮，董 超，李 英

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津300130；2.國(guó)機(jī)重工集團(tuán)國(guó)際裝備有限公司，北京100176）

0 引言

突發(fā)而至的新冠肺炎疫情防控使得全國(guó)乃至全世界的學(xué)校教學(xué)模式從2020年春季開(kāi)始，被強(qiáng)制納入線上教學(xué)模式［1］。傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)因需要借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備，受到時(shí)間、空間等方面的現(xiàn)實(shí)局限，在恢復(fù)正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)日期不明朗的前提下，需要有新的方法來(lái)滿足大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求［2～3］。如何利用現(xiàn)有的信息技術(shù)轉(zhuǎn)換教學(xué)模式，將實(shí)驗(yàn)搬到線上，并能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，完整的還原和實(shí)現(xiàn)各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮線上資源的優(yōu)勢(shì)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充和提升，已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

本文將詳細(xì)介紹在延期開(kāi)學(xué)期間，我院基于北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司提供的“電路分析虛擬實(shí)驗(yàn)室”，結(jié)合線上交流媒介，為學(xué)生構(gòu)建的立體的線上實(shí)驗(yàn)課。本文還對(duì)線上實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果以及存在的問(wèn)題進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，旨在對(duì)線上實(shí)驗(yàn)課的廣泛開(kāi)展提供一定借鑒作用。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)合

我?！半娐防碚摶A(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程是電子信息、自動(dòng)化等信息類專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)必修課，課程為20學(xué)時(shí)，包含10個(gè)實(shí)驗(yàn)。該課程旨在幫助學(xué)生鞏固并加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，掌握基本電路的測(cè)量、分析方法，其教學(xué)效果的好壞直接影響到“模擬、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)”等后繼實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)［4～5］。

經(jīng)過(guò)資源對(duì)比，我們選擇的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司針對(duì)“電路分析”實(shí)驗(yàn)課程，配套開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式網(wǎng)上電路分析虛擬實(shí)驗(yàn)室。仿真平臺(tái)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以自主選擇邏輯器件或者電路元件搭建電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了108個(gè)實(shí)驗(yàn)元件和16個(gè)典型實(shí)驗(yàn)案例，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和平臺(tái)資源充分融合后，我們可將實(shí)驗(yàn)分為三類，完成10個(gè)原教學(xué)計(jì)劃其中的8個(gè)：典型實(shí)驗(yàn)案例中可直接使用的4個(gè)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單需進(jìn)行擴(kuò)充的2個(gè)；提供的實(shí)驗(yàn)列表中沒(méi)有，但是借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可獨(dú)立設(shè)計(jì)完成的2個(gè)。由于條件限制，2個(gè)交流電路的實(shí)驗(yàn)需返校后到實(shí)驗(yàn)室完成或利用其它實(shí)驗(yàn)替換。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃每周開(kāi)放一個(gè)，學(xué)生可自主選擇課余時(shí)間完成，內(nèi)容與授課計(jì)劃保持一致。

2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐操作

疫情環(huán)境下，隨著授課形式的改變，實(shí)驗(yàn)室教師的職責(zé)也相應(yīng)的發(fā)生轉(zhuǎn)變。

2.1 教師課前準(zhǔn)備工作

課前無(wú)需再準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，但需要提前熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)親自搭建各個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，逐步操作并試錯(cuò)，找出學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)；及時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要的特殊操作規(guī)范或與常規(guī)實(shí)際情況不相符之處；制作與課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)講義、PPT或視頻講解；合理安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)布相關(guān)學(xué)習(xí)材料。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作

學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)教師發(fā)布的相關(guān)課程資源后，即可通過(guò)登錄相關(guān)網(wǎng)址進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)始獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)操作。圖1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)頁(yè)面截圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

“電路分析虛擬實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)總體框架包含：元件庫(kù)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、屬性欄和菜單欄。實(shí)驗(yàn)臺(tái)居中，學(xué)生可從左側(cè)元件庫(kù)選擇器材構(gòu)建電路。選中相應(yīng)元件，通過(guò)右側(cè)屬性欄可修改顯示標(biāo)簽、設(shè)置參數(shù)。點(diǎn)擊上方菜單欄下的虛擬儀器標(biāo)簽，可在電路中加入示波器、電壓表、電流表等虛擬儀表。通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)可完成元件連接，電路搭建完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的仿真運(yùn)算，等待運(yùn)行結(jié)果顯示。

如電路搭建有誤，儀表示數(shù)不正確甚至不顯示，學(xué)生可根據(jù)不正確的數(shù)據(jù)預(yù)判錯(cuò)誤點(diǎn)，檢查連接是否正常，元件參數(shù)是否正確。有一些特殊事項(xiàng)需提醒學(xué)生注意，如：實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中不可進(jìn)行修改參數(shù)、標(biāo)簽等設(shè)置操作，需先停止程序后進(jìn)行；盡量確保有接地端等，這些都會(huì)導(dǎo)致誤操作或結(jié)果出錯(cuò)。如反復(fù)檢查后未能自行解決，可進(jìn)一步求助教師或同學(xué)，進(jìn)行線上交流和討論。實(shí)驗(yàn)完畢后學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)臺(tái)下方實(shí)驗(yàn)內(nèi)容部分填寫相關(guān)表格，上傳要求圖片完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。

2.3 線上教學(xué)

從課上以教師講授為主、面對(duì)面指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熭o導(dǎo)為主，學(xué)生自主學(xué)習(xí)與師生合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的線上學(xué)習(xí)方式。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程資源，獲得對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作以及注意事項(xiàng)等的初步認(rèn)識(shí)和基本了解。教師應(yīng)及時(shí)組織線上答疑，針對(duì)學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)操作中存在的疑問(wèn)，通過(guò)師生或生生互動(dòng)釋疑，使學(xué)生走出認(rèn)知誤區(qū)，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)教師線上監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和質(zhì)量。

2.4 實(shí)驗(yàn)考核

登錄教師端可在實(shí)驗(yàn)提交列表中查看已提交同學(xué)的相關(guān)信息，系統(tǒng)通過(guò)智能批改給出預(yù)判成績(jī)，教師可手動(dòng)批改進(jìn)行成績(jī)修正。教師可進(jìn)入對(duì)應(yīng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)臺(tái)查看電路，給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)，在線批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，給出報(bào)告成績(jī)。通過(guò)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)與報(bào)告成績(jī)的比例得到總成績(jī)，提交后錄入系統(tǒng)。點(diǎn)擊發(fā)布成績(jī)后，學(xué)生可登錄賬號(hào)查看成績(jī)，通過(guò)教師的批注和評(píng)語(yǔ)檢查電路和報(bào)告內(nèi)容的錯(cuò)誤之處。圖2為已批改的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。

圖2 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

3 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果及評(píng)價(jià)

3.1 線上實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

日前已按進(jìn)度在線完成4個(gè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行匿名問(wèn)卷調(diào)查，綜合各個(gè)實(shí)驗(yàn)完成情況和學(xué)生反饋可分析得出：

1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真基本可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

類似于“基爾霍夫定律的驗(yàn)證”和“疊加定理的驗(yàn)證”這種基礎(chǔ)性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路較簡(jiǎn)單，學(xué)生搭建好電路后即可利用虛擬平臺(tái)模擬電壓表和電流表的運(yùn)行，測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。一些注意事項(xiàng)如需注意直流儀表的正負(fù)極性同樣適用，操作過(guò)程簡(jiǎn)單、目的明了。而且可避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于學(xué)生的一些誤操作如直接短接電壓源、電流表而造成的儀器儀表的毀壞。匿名問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，超過(guò)90%的同學(xué)認(rèn)為通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，如圖3所示。

圖3 學(xué)生對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的反饋

2）可以實(shí)現(xiàn)儀器儀表功能熟悉和使用練習(xí)

在“數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器與示波器的使用”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，平臺(tái)模擬了萬(wàn)用表和各個(gè)類型的信號(hào)發(fā)生器與示波器的面板與操作。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)大約70%的同學(xué)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)界面清晰，控制面板還原度很高，使學(xué)生能達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)操作的目的，但部分學(xué)生反映操作過(guò)程不夠順暢，如圖4所示。

圖4 學(xué)生對(duì)儀表類實(shí)驗(yàn)的反饋

3）線上實(shí)驗(yàn)安排靈活，生生交流順暢

不需要統(tǒng)一安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生可自主利用課余時(shí)間隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且操作時(shí)間不限時(shí)。學(xué)生除了完成既定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還可以改變某一實(shí)驗(yàn)條件或加入新儀表，自主設(shè)計(jì)并驗(yàn)證相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大大提高了學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新力。線上交流答疑時(shí)，很多同學(xué)會(huì)在群里積極參與交流與糾錯(cuò)，共享自己的經(jīng)驗(yàn)或小竅門。遇到問(wèn)題或特殊情況如系統(tǒng)故障時(shí)，會(huì)互相打氣鼓勵(lì)，氣氛活躍。文獻(xiàn)［6］總結(jié)了“非典”時(shí)期的線上學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，得到結(jié)論：許多學(xué)生認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)教育可以“暢所欲言”，還可以“結(jié)交朋友”和“解除疑問(wèn)、增長(zhǎng)知識(shí)”，可見(jiàn)，合理利用線上形式，可消除老師固有的“呆板”和畏懼感，能加強(qiáng)師生間的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

4）學(xué)生報(bào)告記錄完整，考核方便

批改實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在教師端可同時(shí)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)據(jù)。教師能夠檢查學(xué)生是否搭建電路，避免個(gè)別同學(xué)作弊直接抄數(shù)據(jù)的行為。教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)能標(biāo)對(duì)號(hào)和錯(cuò)號(hào)，做批注、留評(píng)語(yǔ)給出建議，操作方式多樣、方便。通過(guò)檢查電路正確與否和批改數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)學(xué)生的操作誤區(qū)和知識(shí)點(diǎn)掌握不牢固之處。批改成績(jī)結(jié)束后，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行總結(jié)，制作完成新的學(xué)習(xí)資源結(jié)合正確答案發(fā)放，幫助學(xué)生梳理本次實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)，糾正學(xué)生搭建電路的不規(guī)范之處，完成糾錯(cuò)和知識(shí)的鞏固吸收。

3.2 線上實(shí)驗(yàn)的不足之處

與實(shí)際操作相比，虛擬實(shí)驗(yàn)不可避免的存在一些缺點(diǎn)。

1）個(gè)別元件參數(shù)理想化

例一，實(shí)際受控源輸入端接入電流和電壓不能過(guò)高，電流應(yīng)小于0.5 mA，電壓應(yīng)小于5 V，否則會(huì)燒毀芯片，而軟件庫(kù)中的模擬受控源，輸入端接入的電壓、電流數(shù)值大小可任意設(shè)置，沒(méi)有上限，輸出端按原理可測(cè)得無(wú)限大的電壓或電流，與實(shí)際不符。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，個(gè)別粗心的同學(xué)由于沒(méi)有注意電流單位或?qū)嶒?yàn)要求，輸入端電流設(shè)置了安培級(jí)別的電流，仿真仍可正常進(jìn)行，從而導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。例二，某個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果完全一致，誤差為0，細(xì)心的同學(xué)難免會(huì)質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

2）個(gè)別儀表操作規(guī)范與實(shí)際不同

例用示波器連接信號(hào)發(fā)生器與觀察波形時(shí)，兩個(gè)儀表的數(shù)據(jù)變化不能實(shí)時(shí)同步。實(shí)際操作時(shí)改變信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置即可在示波器端同步觀察波形的改變，而在模擬環(huán)境下，需停止實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器，重新打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置新參數(shù)，示波器波形才會(huì)更新。如果不停止實(shí)驗(yàn)直接修改信號(hào)參數(shù)，或不關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器直接修改參數(shù)，示波器波形都不會(huì)更新，仍舊保持上一個(gè)觀察的波形。所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果操作不規(guī)范，波形結(jié)果就會(huì)不正確，學(xué)生在連續(xù)操作過(guò)程中難免出錯(cuò)，造成困擾。另外系統(tǒng)不能模擬一些參數(shù)的連續(xù)變化，如有的步驟需要連續(xù)調(diào)節(jié)電阻或電流以找到某個(gè)特定的合適的電阻或電壓值，模擬時(shí)只能不停的停止程序、試數(shù)如此往復(fù)。

3）其他情況

由于實(shí)驗(yàn)資源大，比較耗費(fèi)服務(wù)器，當(dāng)學(xué)生集中在線實(shí)驗(yàn)，訪問(wèn)人數(shù)過(guò)多時(shí)，服務(wù)器壓力過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)暫存或提交失敗，導(dǎo)致已填寫的數(shù)據(jù)或圖片丟失，影響學(xué)生正常使用和心情，需錯(cuò)峰使用并注意及時(shí)清理瀏覽器緩存，多暫存，提前截圖或拍照片保存?zhèn)溆?。另外線上實(shí)驗(yàn)要求網(wǎng)絡(luò)和電腦，一些家庭特殊或偏遠(yuǎn)地方的學(xué)生不滿足；平臺(tái)對(duì)電腦系統(tǒng)和配置有要求，一些同學(xué)的電腦達(dá)不到。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于大多數(shù)學(xué)生和教師來(lái)說(shuō)是一種新生事物，它不僅是最大限度減少疫情對(duì)正常教學(xué)影響所采取的應(yīng)急措施，也是運(yùn)用信息技術(shù)拓展學(xué)習(xí)途徑、轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的一種積極嘗試。授課方式的轉(zhuǎn)變需要教師群策群力，提前認(rèn)真“備課”，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，保證線上交流和答疑，監(jiān)督學(xué)生按時(shí)保質(zhì)量完成各項(xiàng)任務(wù)；需要學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，變被動(dòng)為主動(dòng)，養(yǎng)成正確的學(xué)習(xí)方法和較強(qiáng)的自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，利用虛擬仿真平臺(tái)在玩中學(xué)、學(xué)中做，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力的雙重提升。通過(guò)圖5和圖6我們可以看到，線上實(shí)驗(yàn)得到了大概70%同學(xué)的認(rèn)可，很多同學(xué)評(píng)價(jià)良好。作為特殊時(shí)期停課不停學(xué)的解決途徑，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能滿足本實(shí)驗(yàn)課程大部分內(nèi)容的要求，充分保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和質(zhì)量的同時(shí)，也促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。線上理論教學(xué)發(fā)展已久，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也可以借鑒，基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和一些儀表的使用練習(xí)可放到線上完成，也可以課下留一部分?jǐn)U充或綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到網(wǎng)上模擬，靈活機(jī)動(dòng)。

圖5 學(xué)生認(rèn)可度調(diào)查

圖6 學(xué)生評(píng)語(yǔ)