新工科背景下“電路分析基礎(chǔ)”線上仿真實(shí)驗(yàn)探究＊

張變蓮，楊森林，張運(yùn)良，范 璟

（西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，陜西 西安710065）

“電路分析基礎(chǔ)”是一門面向很多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程同時(shí)具備理論性、工程性和實(shí)踐性，之前該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一直采用線下教學(xué)的方式進(jìn)行，過度依賴實(shí)驗(yàn)室的硬件實(shí)驗(yàn)器材，由此帶來的問題是該種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不能很好地適應(yīng)環(huán)境的變換，比如在特殊時(shí)期，不能進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況下，需要探索在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且還要保證學(xué)生的學(xué)習(xí)理解程度達(dá)到課程目標(biāo)。目前在“新工科”建設(shè)中，“電路分析基礎(chǔ)”理論課程的在線教學(xué)已經(jīng)展開[1]，而與之對應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的線上教學(xué)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和實(shí)際工程素質(zhì)，如何有效地開展線上實(shí)踐教學(xué)，是目前需要進(jìn)行進(jìn)一步探索的環(huán)節(jié)。特別是當(dāng)線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)無法正常開展時(shí)，為了完成對應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，需要在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，有效地開展“電路分析基礎(chǔ)”線上教學(xué)[2-3]。

作為一名專業(yè)基礎(chǔ)課一線教師，通過2020 年春季學(xué)期大規(guī)模線上實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，對“電路分析基礎(chǔ)”課程線上實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和線上教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。在之前線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，對該種教學(xué)模式進(jìn)行研究和探索，以下從實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)以及案例分析、在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核和評價(jià)等方面進(jìn)行分析和研究。

1 在線實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)與案例

“電路分析基礎(chǔ)”課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)生在理論基礎(chǔ)掌握較好的情況下還需要進(jìn)行較多的實(shí)踐和操作，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，一方面可以加深學(xué)生對理論知識的掌握，更好更深入地理解課堂所學(xué)；另一方面，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以掌握一些基本電學(xué)變量的測量以及其中所蘊(yùn)含的物理含義，而不是僅僅停留在對概念理解的程度上，比如如何測量電壓、電流，含源一端口電路的開路電壓和短路電流是什么，一端口電路的等效電阻意味著什么，正弦穩(wěn)態(tài)電路的電壓電流最大值和有效值有什么關(guān)系等[4]。另外，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以掌握電學(xué)課程中一些基本儀器的使用方法，比如萬用表如何使用，示波器的功能是什么，示波器顯示的各個(gè)量含義是什么，分別對應(yīng)于電路中的哪些變量。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在整個(gè)“電路分析基礎(chǔ)”課程中占有很大的比例，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高學(xué)生的動手操作能力和獨(dú)立思考能力，這些能力的鍛煉是理論教學(xué)不具備的，所以如何既能鞏固對應(yīng)的理論知識，又能提高這些方面的能力，需要教師做好教學(xué)設(shè)計(jì)以及課程的引導(dǎo)。另外，在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，有機(jī)地將課程思政元素融入課程教學(xué)中，不僅僅將理論知識和實(shí)踐方法教授給學(xué)生，而且也在科學(xué)的研究方法和研究思路方面給學(xué)生一些啟發(fā)。這些能力對于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及各種科技競賽的訓(xùn)練也是非常重要的[5]。

綜上，在傳統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，將線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中。“電路分析基礎(chǔ)”課程的課程體系可以分為電阻性電路分析、動態(tài)電路分析以及正弦穩(wěn)態(tài)電路分析3 個(gè)版塊，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 “電路分析基礎(chǔ)”課程體系結(jié)構(gòu)框圖

在電阻性電路環(huán)節(jié)部分，學(xué)生需要掌握一些基本直流量的測量，以及理解元件伏安特性的測量方法并且能夠根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析繪制元件的伏安特性曲線，以線性與非線性元件的伏安特性測量實(shí)驗(yàn)為例，在該實(shí)驗(yàn)中需要掌握元件的伏安特性的測量方法以及測量原理，并且能夠?qū)?shí)驗(yàn)測量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。先在線教授學(xué)生繪制電阻元件伏安特性測量的電路圖，如圖2 所示。

圖2 電阻元件伏安特性測量電路圖

首先，搭建所需的電路，搭建好測量電路以后，通過改變可變電阻的阻值，讀出電壓表和電流表的示數(shù)，然后將讀取的數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出電阻元件的伏安特性曲線圖；其次，學(xué)生在掌握基本的電路搭建方法以及測量和數(shù)據(jù)分析流程以后，就可以發(fā)揮主觀能動性測量其他元件的伏安特性；最后，學(xué)生們在線進(jìn)行討論，對本次實(shí)驗(yàn)所得和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和分享。

在動態(tài)電路分析部分以及正弦穩(wěn)態(tài)電路分析部分，學(xué)生需要掌握示波器以及信號發(fā)生器的使用方法，由于學(xué)生是初次接觸該類儀器，實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生上手相對較慢，所以在線上教學(xué)的環(huán)節(jié)中引入這2類儀器，不牽涉復(fù)雜的調(diào)試過程，學(xué)生可以很快地掌握虛擬儀器的使用方法，在此基礎(chǔ)上接觸現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室中的示波器和信號發(fā)生器，學(xué)生的接受、理解及操作程度都可以很快地達(dá)到目標(biāo)要求。另外也可以將仿真引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，既可以當(dāng)堂加深學(xué)生對該部分知識的理解，又可以為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法及操作打下良好的基礎(chǔ)。

在教學(xué)內(nèi)容方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅僅局限在以往實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的內(nèi)容，利用仿真軟件Multisim 自身的優(yōu)點(diǎn)，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過渡到探索性實(shí)驗(yàn)。線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用了基于國家級精品MOOC 課程及SPOC 課程，并結(jié)合線上直播教學(xué)等模式的線上混合式教學(xué)。整個(gè)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)分為集中學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐和教學(xué)管理3 個(gè)部分，如圖3 所示。

圖3 在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

首先，在直播課堂環(huán)節(jié)，主要是針對該次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求進(jìn)行重點(diǎn)講解，并且對基本的元器件選擇和操作步驟進(jìn)行示范，在此過程中，學(xué)生可以直觀地感受到仿真的優(yōu)點(diǎn)，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并且通過直播環(huán)節(jié)，學(xué)生可以初步掌握仿真的步驟以及元器件的選擇，掌握該次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、目的。其次，學(xué)生針對基本內(nèi)容進(jìn)行練習(xí)，可以按照示范步驟選擇元器件和方法，也可以發(fā)揮主觀能動性，自行選擇另外的方法進(jìn)行仿真。仿真無誤后進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，自主練習(xí)，學(xué)生針對教師提出的要求，自行進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)及在線搭建和元器件選型，并將設(shè)計(jì)和仿真的內(nèi)容及時(shí)反饋給教師，并且在完成自主練習(xí)后進(jìn)行在線討論。這個(gè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練對于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及課程設(shè)計(jì)甚至是畢業(yè)論文的撰寫都是至關(guān)重要的，通過該環(huán)節(jié)可以很好地鍛煉學(xué)生的動手能力以及方案的設(shè)計(jì)能力，并且也可以為學(xué)生參加各類學(xué)科競賽打下良好的基礎(chǔ)。再次，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，學(xué)生可以摒棄傳統(tǒng)手動繪制各類曲線，可以借助于各種數(shù)據(jù)處理分析軟件進(jìn)行，從而又在一定程度上提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。最后，進(jìn)行學(xué)習(xí)反饋和在線學(xué)習(xí)資源的維護(hù)，并且要求學(xué)生在線提交仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析。通過該環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對每一次的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并且可以借鑒其他學(xué)生的方式方法，從而達(dá)到鍛煉自己以及提高自己的目的。在整個(gè)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中，可以適當(dāng)融入一些課程思政元素，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)觀以及實(shí)事求是、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，通過分組實(shí)施以及分組討論，可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及溝通交流等能力，這些都會為學(xué)生順利踏入社會以及適應(yīng)工作崗位的要求打下良好的基礎(chǔ)。

2 考核和教學(xué)評價(jià)

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用了一定的教學(xué)模式后，需要對該種模式取得的效果進(jìn)行考核和評價(jià)，即該種方式能否達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)，是否符合人才培養(yǎng)方案對應(yīng)環(huán)節(jié)的要求。通過采用這種形式的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，一方面可以在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)不允許的情況下完成對應(yīng)的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，另外一方面還可以將理論知識和實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來，鍛煉學(xué)生的動手能力和綜合運(yùn)用能力，并提高仿真能力，可以為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的電路仿真打下良好的基礎(chǔ)。采取此種形式的線上教學(xué)，需要對教學(xué)效果以及學(xué)生掌握的知識情況進(jìn)行考核和教學(xué)評價(jià)。對于學(xué)生的考核實(shí)施的是過程性考核，涉及整個(gè)教學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)方面的考核分為課堂表現(xiàn)成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫成績，課堂表現(xiàn)成績又分為考勤、互動討論、實(shí)驗(yàn)操作等成績，能夠全方位、全過程地考查學(xué)生。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績主要是根據(jù)學(xué)生在線提交的作業(yè)給定，根據(jù)報(bào)告內(nèi)容是否完整、思路和總結(jié)是否清晰到位等情況給出作業(yè)成績。作業(yè)統(tǒng)計(jì)情況如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)作業(yè)統(tǒng)計(jì)情況

通過對整個(gè)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行評價(jià)，可以發(fā)現(xiàn)95%以上的學(xué)生可以按時(shí)提交作業(yè)并且作業(yè)最低平均分為88.31，說明大部分學(xué)生對于在線的仿真教學(xué)內(nèi)容掌握較好。并且通過觀察學(xué)生的討論可以看出，由于該課程是在大一的第二學(xué)期開設(shè)，剛開始接觸仿真是非常生疏的，但是經(jīng)過慢慢熟悉以后，后面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容學(xué)生接受起來就容易的多。并且學(xué)生可以直觀地看到自己的實(shí)驗(yàn)成果，更多的是體會到一種成就感，從而激發(fā)學(xué)生對“電路分析基礎(chǔ)”課程甚至是后續(xù)電類課程的學(xué)習(xí)熱情。

課程評價(jià)的內(nèi)容包括學(xué)生評價(jià)、同行評價(jià)及督導(dǎo)評價(jià)。通過對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，90%的學(xué)生對這種線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式都欣然接受，但是其中有45%的學(xué)生反映不能完全借助于線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要將線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為主體，可以在此基礎(chǔ)上在條件允許的情況下加入現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣可以分別在軟硬件方面培養(yǎng)學(xué)生。同行評價(jià)方面，75%的教師傾向于采取線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，督導(dǎo)普遍比較認(rèn)可這種新穎的教學(xué)方式?？傮w來說，僅僅進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)是存在不足的，需要在線上教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種模式可以作為普遍性的電類課程教學(xué)模式被推廣。

3 結(jié)論

針對“新工科”建設(shè)背景下以及目前國內(nèi)外的疫情防控形勢，對“電路分析基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行線上教學(xué)改革。整個(gè)線上實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分為集中學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐以及教學(xué)管理3 個(gè)模塊。采用這種線上仿真的教學(xué)模式，可以完成既定人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)要求，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論部分知識的理解，學(xué)生在接觸到自己可控可實(shí)現(xiàn)的事物后，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在鞏固所學(xué)基礎(chǔ)知識的同時(shí)，也鍛煉了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。雖然線上教學(xué)不能完全取代線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，軟件仿真也具有其缺點(diǎn)，比如仿真太具有理想性，不能鍛煉學(xué)生應(yīng)對實(shí)際電路各種各樣問題的能力及不能提高學(xué)生操作儀器儀表的能力等[6]，但是仿真可以作為線下教學(xué)的補(bǔ)充，正常教學(xué)能夠進(jìn)行的情況下，學(xué)生可以利用相應(yīng)軟件先做仿真，對將要做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論有一個(gè)直觀的認(rèn)識，然后進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室中按照已經(jīng)選定無誤的軟件搭建電路，這樣可以減少元器件的損壞率，降低實(shí)驗(yàn)成本。在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中，改變了傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)思路和教學(xué)模式，逐步從教師為中心過渡到學(xué)生為中心，從而更好地順應(yīng)“新工科”建設(shè)的潮流。