面向新工科的“電工電子學(xué)”多模態(tài)實(shí)驗(yàn)探索

張英敏 雷 勇 杜佳耘 王 鵬 王小昔

(四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 成都 610065)

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革和我國(guó)戰(zhàn)略需求,教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)[1]?！半姽る娮訉W(xué)”課程是非電類工科專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中一個(gè)重要的組成部分,屬于課程體系的“工程基礎(chǔ)類課程”,得到了教育部基礎(chǔ)課教指委的支持和肯定[2-4]?！半姽る娮訉W(xué)”課程知識(shí)面寬,實(shí)踐性強(qiáng),綜合性和跨學(xué)科特色鮮明,該課程不僅有助于樹立學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn),還對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計(jì)算能力、實(shí)驗(yàn)研究能力和科學(xué)歸納能力方面起著重要的作用。

“電工電子學(xué)”課程理論性強(qiáng),知識(shí)點(diǎn)多,學(xué)生往往感到概念抽象,難以理解,配以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生理解和掌握這門課程十分必要[5-9]。而傳統(tǒng)的“電工電子學(xué)”實(shí)驗(yàn)更多的是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),學(xué)生必須在固定時(shí)間、固定地點(diǎn),按照固定思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),往往使學(xué)生養(yǎng)成思維惰性,只是做實(shí)驗(yàn)而不會(huì)用理論知識(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析判斷。四川大學(xué)“電工電子學(xué)”課程組,在2020～2021學(xué)年秋季學(xué)期為本科一年級(jí)學(xué)生教授“電工電子學(xué)”課程時(shí),選取了少數(shù)幾組學(xué)生,試行“電工電子學(xué)”多模態(tài)實(shí)驗(yàn)方式。該模式真正實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心,讓實(shí)驗(yàn)室跟著學(xué)生走,增強(qiáng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性。本文分享了幾個(gè)多模態(tài)實(shí)驗(yàn)案例。

1 多模態(tài)實(shí)驗(yàn)方式

“電工電子學(xué)”多模態(tài)實(shí)驗(yàn)方式采用雨課堂與A+D Lab相結(jié)合,用基于互聯(lián)網(wǎng)+的“雷實(shí)驗(yàn)”模式進(jìn)行。多模態(tài)實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證型占比15～20%,綜合型占比25～40%,設(shè)計(jì)型占比40～50%。擬增加應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。

1.1 雨課堂

雨課堂是由學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育辦公室共同研發(fā)的一款智能終端,把課堂過程賦予全新的體驗(yàn),最大限度地釋放教與學(xué)的能量,推動(dòng)教學(xué)改革[10-16]。雨課堂通過將PowerPoint/WPS與微信相結(jié)合,增強(qiáng)師生互動(dòng)體驗(yàn),為學(xué)生課下預(yù)習(xí)、課中互動(dòng)和課后復(fù)習(xí)提供了一個(gè)很好的解決辦法,開啟了互聯(lián)網(wǎng)+的學(xué)習(xí)時(shí)代。

1.2 A+D Lab智慧教學(xué)平臺(tái)

A+D Lab智慧教學(xué)平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì),將學(xué)生從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室解放出來,方便學(xué)生能夠隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)。A+D Lab是一套針對(duì)理工科專業(yè)學(xué)生實(shí)施便攜式實(shí)驗(yàn)的軟硬件解決方案。A+D Lab產(chǎn)品硬件部分由黑色底座和可更換面板組成,黑色底座上包含示波器、信號(hào)源、電壓表、邏輯分析儀、程控電源等十多種功能,可根據(jù)選擇課程的不同來更換面板。

1.3 “雷實(shí)驗(yàn)”模式

在互聯(lián)網(wǎng)+信息互通教育背景和新工科學(xué)習(xí)趨勢(shì)下,將雨課堂和A+D Lab相結(jié)合便形成了“雷實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式:教師通過雨課堂發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)、在線批閱電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生通過接受任務(wù)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、仿真驗(yàn)證、模型搭建、數(shù)據(jù)采集和撰寫報(bào)告,所有的數(shù)據(jù)、照片和報(bào)告都可以上傳到雨課堂。

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠給予學(xué)生更多空間,鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力,還能不限時(shí)間不限地點(diǎn)方便師生之間交流和問題的解決。

2 多模態(tài)實(shí)驗(yàn)過程

多模態(tài)實(shí)驗(yàn)的具體過程如圖1所示。

圖1 多模態(tài)實(shí)驗(yàn)過程

步驟1:教師發(fā)布實(shí)驗(yàn),學(xué)生接受任務(wù)后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

步驟2:學(xué)生準(zhǔn)備充分后,設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)電路,使用Multisim或Tina進(jìn)行仿真,在實(shí)驗(yàn)仿真步驟可使用屏幕截圖,截圖后上傳至教師處。若教師不認(rèn)可學(xué)生設(shè)計(jì),返回意見,學(xué)生重新設(shè)計(jì)并仿真。

步驟3:設(shè)計(jì)方案被確認(rèn),學(xué)生進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。實(shí)物搭建好后以照片的形式從手機(jī)端同步到學(xué)生平臺(tái)。經(jīng)教師檢查確認(rèn)電路無誤后,可以開始通電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的示波器、信號(hào)發(fā)生器、可編程電源等多種功能由平臺(tái)軟件實(shí)驗(yàn),方便操作。完成實(shí)驗(yàn)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)總結(jié)步驟,學(xué)生可在此寫下心得體會(huì)。報(bào)告整理步驟會(huì)顯示之前的仿真截圖、實(shí)物圖片以及測(cè)得的數(shù)據(jù)等等,最后撰寫完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,提交給教師批閱。

在全過程的任一環(huán)節(jié),師生之間都可以進(jìn)行良好互動(dòng)。整個(gè)過程體現(xiàn)了以學(xué)生為中心,以學(xué)生主導(dǎo)、教師輔導(dǎo)的方式充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。學(xué)生在自主查閱資料、設(shè)計(jì)電路、進(jìn)行仿真、搭建電路、查找錯(cuò)誤等過程中理論聯(lián)系實(shí)際,加深了對(duì)課堂上知識(shí)的理解和掌握,鍛煉了動(dòng)手能力和小組協(xié)作能力。

3 多模態(tài)實(shí)驗(yàn)案例分享

3.1 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

題目:“基爾霍夫定律的驗(yàn)證”。

實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示,用五個(gè)電阻連成一個(gè)不平衡的電橋結(jié)構(gòu),兩端加電壓。然后用萬用表測(cè)量各個(gè)支路的電流,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓,代入KCL、KVL公式驗(yàn)證基爾霍夫定律。

圖2 基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理圖

在實(shí)驗(yàn)仿真過程中可在Tina軟件中搭建仿真電路如圖3所示。由于需要驗(yàn)證基爾霍夫電流電壓定律,所以需要測(cè)得每個(gè)元件的電流和電壓。通過KCL、KVL公式計(jì)算驗(yàn)證基爾霍夫定律。

圖3 基爾霍夫定律驗(yàn)證仿真電路圖

仿真成功并交由教師檢查后,可搭建實(shí)驗(yàn)實(shí)物并用萬用表測(cè)得R2的電流電壓數(shù)據(jù)如圖4所示。最后采用萬用表測(cè)得每個(gè)元件實(shí)際的電流和電壓,記錄下來,帶入公式驗(yàn)證。仿真所得的每個(gè)元件的電壓電流和實(shí)物實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓電流如表1所示,表中元件參考方向可結(jié)合圖3中所標(biāo)示節(jié)點(diǎn)來看。

表1 元件電壓電流值

圖4 基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)物搭建圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中所有測(cè)得的數(shù)據(jù)都可直接通過A+D Lab軟件進(jìn)行保存,在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)候就可直接在軟件中提取數(shù)據(jù)和圖片,整個(gè)過程方便簡(jiǎn)單。

在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí),要求學(xué)生寫明實(shí)驗(yàn)原理,自行計(jì)算出理論值,和仿真值及實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較后,進(jìn)行誤差分析。通過本實(shí)驗(yàn),不但進(jìn)行理論驗(yàn)證,還引導(dǎo)學(xué)生理解理論和實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系和不同,理解誤差的產(chǎn)生和正確處理方法。

3.2 綜合型實(shí)驗(yàn)

題目:“不同功能運(yùn)放電路的實(shí)現(xiàn)”。

學(xué)生先進(jìn)行仿真分析,然后通過自行選擇運(yùn)放、電阻、電容等,搭建了包括反相放大器、同相放大器、積分器等在內(nèi)的多種運(yùn)放電路。通過信號(hào)發(fā)生器提供頻率為1 kHz、幅值為1 V的正弦輸入信號(hào),并通過雙蹤示波器顯示出輸入電壓和輸出電壓進(jìn)行對(duì)比。

通過選擇適當(dāng)器件,學(xué)生搭建了反相放大器、同相放大器、積分器等不同功能的運(yùn)放電路。實(shí)物搭建圖、仿真電路和測(cè)量波形圖如圖5-圖10所示。

圖5 反相放大器實(shí)物搭建圖

圖5、圖6中,選擇恰當(dāng)?shù)碾娮柚凳狗聪喾糯笃鞣糯蟊稊?shù)為5,輸入輸出反相。

圖6 反相放大器波形圖

圖7、圖8中,選擇恰當(dāng)?shù)碾娮柚凳雇喾糯笃鞣糯蟊稊?shù)為6,輸入輸出同相。

圖7 同相放大器實(shí)物搭建圖

圖8 同相放大器波形圖

圖9、圖10中,積分器輸入電壓為方波時(shí),輸出電壓呈現(xiàn)三角波的形狀,改變電容或電阻可改變輸出電壓的幅值。

(a)R=1 kΩ,C=0.1uF

(b)R=1 kΩ,C=0.22uF

(c)R=1 kΩ,C=0.47 uF圖10 積分器波形圖

在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí),要求學(xué)生寫明實(shí)驗(yàn)原理,對(duì)各運(yùn)放電路進(jìn)行綜合的原理推導(dǎo),對(duì)輸出波形和結(jié)果進(jìn)行分析。通過本實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生更了解運(yùn)放電路的功能,并對(duì)運(yùn)放電路電阻值的選擇、輸入信號(hào)范圍、運(yùn)放本身的運(yùn)行區(qū)域有更深刻的理解和體會(huì)。

3.3 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

題目:“現(xiàn)有器件包括運(yùn)算放大器、不同阻值的電阻若干和一個(gè)電容元件,試搭建一個(gè)感性電路”。

要實(shí)現(xiàn)感性電路,必須設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)器將電容通過逆變轉(zhuǎn)換為等效電感。學(xué)生自行搜索和回轉(zhuǎn)器相關(guān)的知識(shí),設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)器功能的電路,先仿真驗(yàn)證,再搭建實(shí)際電路。如圖11所示,給出了回轉(zhuǎn)器的仿真電路圖,其中框內(nèi)為2個(gè)運(yùn)放搭建的回轉(zhuǎn)器電路,所有電阻都取1 kΩ。當(dāng)回轉(zhuǎn)器的第二個(gè)端口接電容時(shí),從第一個(gè)端口看進(jìn)去的等效阻抗呈現(xiàn)純電感的特性。由于實(shí)物搭建時(shí),A+D Lab示波器只能顯示電壓波形,因此在電源側(cè)串接入一個(gè)380 Ω電阻,一方面實(shí)現(xiàn)感性電路,一方面由于電阻的電壓和電流同相,顯示出電阻的電壓波形,也就顯示出了電阻的電流即等效電感的電流的相位變化規(guī)律。仿真圖中也同樣接入了這個(gè)380 Ω的電阻。

圖11 回轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真電路圖

通過理論計(jì)算可以得到圖11所示的回轉(zhuǎn)器電路(左邊為1端口,右邊為2端口),其端口特性應(yīng)滿足

(1)

其中r1=r2=1000 Ω。

當(dāng)2端口外接0.22 uF的電容元件時(shí),從1端口看入的等效電感為:

L=r1*r2*C=0.22 H

當(dāng)接入頻率為1000 Hz、幅值為1 V的正弦電源時(shí),等效電感的阻抗大小為1382 Ω?？傠娐烦尸F(xiàn)電感性,Z=380+j1382 Ω,計(jì)算得到380 Ω電阻兩端電壓幅值約為265 mV,等效電感的電壓幅值約為964 mV。

對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行瞬時(shí)仿真計(jì)算,得到仿真波形如圖12所示。

圖12中黃色曲線為電源電壓波形(幅值為1 V),紅色曲線為回轉(zhuǎn)器1端口的電壓波形,黃色曲線為380 Ω電阻電壓波形(和回轉(zhuǎn)器1端口的電流波形同相)?？梢钥闯?回轉(zhuǎn)器1端口的電壓超前于電流90°,呈現(xiàn)純電感的特性。等效電感電壓幅值和380 Ω電阻的電壓幅值和理論計(jì)算值一致。

再搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路如圖13所示,加以頻率為1000 Hz、幅值為1 V的正弦電源,得到輸出波形圖如圖14所示。

圖13 回轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)物搭建圖

圖14 回轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)波形圖

圖14中黃色波形為380 Ω電阻的電壓,藍(lán)色波形為等效電感的電壓。從波形圖中看,藍(lán)色波形超前于黃色波形90°,滿足電感元件的電壓電流的相位關(guān)系。但是電壓幅值和理論計(jì)算值略有差異,考慮到元件本身具有的誤差和電路連接的情況,產(chǎn)生這樣的誤差屬合理范圍。

通過本實(shí)驗(yàn),學(xué)生查找資料、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)現(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新思維。

4 結(jié)語

本文介紹了面向新工科的“電工電子學(xué)”課程多模態(tài)實(shí)驗(yàn)方式,并分享了四川大學(xué)“電工電子學(xué)”課程的幾個(gè)驗(yàn)證型、綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)案例。通過多模態(tài)實(shí)驗(yàn)方式,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、理論聯(lián)系實(shí)際和運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力,造就多樣化和創(chuàng)新型卓越工程科技人才,更好地為我國(guó)的工程人才培養(yǎng)服務(wù)。