模块化电路实验教学平台设计探析

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摘要：针对常规电路实验教学中存在的元器件参数固定、被动实验、工程实践能力培养不足等问题，研发了模块化电路实验教学平台，形成了“以学生为中心”、层次化的电路实验教学体系。几年的教学实践表明，该平台便于学生更好地完成个性化、探究性实验任务，提高学生的动手能力和创新能力。

关键词：模块化；电路实验；实验平台；自主设计实验

随着电路实验教学内涵建设的不断深入，对学生的动手能力和创新能力提出了更高的要求。为解决常规实验教学模式中元器件参数固定、内容单一、被动实验、工程实践能力不足、缺乏实验内容开放的环境等问题[1-2]，设计开发了模块化电路实验教学平台。该平台按照资源共享、功能集约的原则，将目前大部分高校普遍使用的实验台、实验箱中的元器件分离出来，制作成分立的元器件模块，让学生可以根据自己的设计选取合适的模块，建构个性化的实验电路来完成实验。该平台自2017年秋季学期开始使用至今，获得了令人满意的教学效果。实践表明，模块化电路实验教学平台的建设满足新时代、新形势下对建设一流课程的要求，真正体现了“以学生为中心”、学生学习与发展成效驱动的教育理念，可以有效地帮助学生在当前已有的全开放自主学习环境下，更好地完成个性化、探究性实验任务。基于该平台的实验改革，完善了课程内容的高阶性和创新性，提高了学生主动学习的意识和创新能力，保证了电路实验课程的教学质量[3-4]。

1模块化电路实验教学平台研制的必要性

电路实验课程作为电类专业技术基础课，是电类专业培养方案中一门重要的必修课程。原有的实验方式通常是基于定制的实验台或元器件固定的实验箱进行实验，这种实验方式将大部分实验元器件隐藏到了面板内部，存在如下问题。一是学生对实际工程中的元器件和测量设备缺乏直观认识，不利于培养学生的工程意识和实际动手能力。二是元件配置基本固定，开设新的实验必须制作新的实验箱，需要花费大量经费。三是由于元器件之间不通用，导致开放实验室的使用效率和安全性降低。大部分学生无法完成自主设计创新性实验。基于上述问题，设计了模块化电路实验教学平台，它具有以下几个突出特点。第一，搭接电路全部为分立元器件的模块，元器件全部裸露，接线直观、清晰、方便，使学生进行开放自主设计实验时由漫无边际变得具有现实可行性。达到了每个实验项目都可以进行创新设计、每名学生都能自主实验的目标。第二，元器件参数覆盖范围全面。在其设计中，充分考虑元器件模块之间的通用性，使得一些复杂的综合设计型实验内容可在基础实验课程中引入。同时，考虑了模块之间连接的安全性，采用带护套的连接插孔和导线，经济耐用，接触良好，全方位助力学生完成自主设计实验。第三，实验教学资源的管理更加科学、规范、合理，后续的实验更新只需在已有模块的基础上增添一个或几个模块，可以节省大量实验经费。

2模块化电路实验教学平台的构成和功能

模块化电路实验教学平台包含56种模块和多功能电路连接底板，如图1所示。模块主要包括基本电路模块、综合设计实验箱模块(也称黑箱模块)、高电压实验模块等。这些模块既能在交、直流电路使用，也可在高、低压电路通用。

2.1基本电路模块

基本电路模块包括二端元件模块、集成电路模块、可变元器件模块、可拆卸电感模块。二端元件模块实物图如图2所示。此模块可以将任意二端元器件如电阻、电容、二极管等插入插孔，插孔有3种规格，可以根据管脚粗细进行选择。元件之间可以用导线进行连接，然后搭建任意需要的电路。实际电路如图3所示。集成电路模块实物图如图4所示。模块提供两个运算放大器，此模块与电阻、电容、电感一同作为电路的基本元件。实验设计中将含有运算放大器的实验渗透于许多章节，可以使学生初步了解模拟电子技术与电路理论之间的相互关系，打破电路与模拟电子技术实验课程之间的界限。

2.2综合设计实验箱模块

综合设计实验箱模块实物图如图5所示。此模块由若干常用元器件构成，各元器件之间无导线连接，隐藏了电路参数，实验中模块为被测量和识别的对象，根据外接电路的测量结果，可以判断元件的性质和参数。此实验过程采用与常规实验相反的思维方式，即以逆向思维形式来进行实验，在实验挑战度方面，对学生提出更高要求。此模块可以组合成若干个不同的实验电路，无论暂态还是稳态实验、低压还是高压实验都可以使用，对培养学生科学研究的习惯和入脑入心又动手的实验能力具有重要的作用。

2.3高电压实验模块

此模块的实物图如图6所示。该模块的特点是元器件参数与工程实际完全相同。与其相关的实验项目可以将常规实验中复现荧光灯照明原理的验证性实验，延伸为与工程实际密切相关的研究性实验。研究问题涉及电感镇流器和电子镇流器对电路的影响、电子镇流器的谐波测量、电源电流波形畸变等，知识点包含正弦电流电路、非正弦周期信号电路、谐振电路和带通滤波器等。该模块的运用打破了电路理论课程各章节知识点的间隔，引导学生有意识地思考现实中的问题，将自己学习的专业知识应用于实际的生活和生产。

3模块化电路实验教学平台的教学应用

模块化电路实验教学平台支撑国家级精品课程、国家级精品资源共享课—电工电子实验系列课程中的电路实验、电工学实验、电工与电子技术实验和电子线路实验的电路实验部分。课程主要授课对象为电气等电类专业、机械等非电类专业的本科学生，每年实验人数为3500人左右，年均约5.5万人时数。

3.1电路实验教学模式的改革

基于模块化电路实验教学平台，重塑了电路实践课程教学体系，满足多个专业和课程的教学要求。建立了多层次、多类型、个性化的实验项目，突出对学生的个性化培养，满足不同层次学生的学习要求，逐步提升学生的实践技能和创新能力。电路实验教学模式如图7所示。模块化电路实验平台有利于个性化、多样性的实验教学模式的实施，学生可以选择采用定制式实验或自主设计式实验模式来完成实验。3.2实验项目设计内容的改革第一，遵循由简单到复杂、循序渐进的原则，从入门引导、基本技能训练、综合研究到自主设计，逐步实现教学目标。与常规实验不同，在保证实验学时不变的条件下，定制实验中为个性化研究预留了空间，引导学生运用所学知识去解释现象、解决问题，提高学生实践的兴趣。第二，设计中突出了实验与工程实践相融合、已有知识与拓展知识相融合、课内实验与课外研学相融合。改变了常规实验简单验证知识，学生自主学习、分析研究压力与空间不足等问题，适应当前形势下知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。例如串联谐振实验[7]，基本实验方法是在正弦电流电路中，采用调频的方法研究谐振。为促进学生在完成实验基本任务的基础上能够进一步深入思考，进而更好地掌握相关认识，在研究性实验内容中体现谐振电路的应用。把电源改为频率固定的方波信号，通过调节电容来实现谐振，实现将方波信号的5次谐波从信号中分离出来。第三，增加了难度较大的研究性实验项目。例如反映电路理论前沿内容的混沌电路实验[8]、回转器实验、信号的合成与分解、在电力及通信系统普遍应用的传输线实验等项目。此部分内容需要学生深刻理解电路理论某一部分知识点后才能进行操作，将理论课程与实验课程无缝连接。同时也弥补了理论课程概念抽象、无法理解的不足。第四，依托该平台，在高等教育出版社出版了教材《电路实验教程》《电工学实验教程》，用于本科生的实验教学。基于此平台的实验设计，在国家级电工电子实验大赛获得一等奖1项。

3.3实验开放环境和考核激励机制改革

实验教学过程中，线上线下充分结合，努力为学生营造全开放的实验教学环境。同时利用国家级精品资源共享课—爱课程网、电工电子实验教学中心网站、高教出版社数字平台，实现多平台协同共享。学生可以随时通过网上课件完成平台使用方法的预习、实验内容的检测等任务，有力地支撑课外学生自主学习任务的实施。在实验考核上，实行对完成3个以上优质自主设计式实验的学生予以期末考试免试的激励机制，鼓励学生创新与自主学习。在过去的几学期实践中，这一机制在电路实验课程中获得了学生的普遍认同。

4结语

模块化电路实验教学平台，改变了常规实验基本上只能进行统一设计和接线的模式，为实验在“开放式”的基础上向“研究性”开展提供了良好的硬件支持。通过实验教学模式和电路实验方法改革，引导学生自主学习、研究、发现、掌握实验知识方法与技能，综合运用知识、接触工程实际、开展探索研究。此平台的应用实践对提升学生工程实践能力、促进教学理念和教学水平的提升提供了值得借鉴的成果，可在同类高校中推广应用。

作者:刘东梅 王晓媛 刘洪臣 原桂彬 王宇红 单位:哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院