电路实验项目设计型教学方法探讨

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摘要：以实现电气工程及其自动化专业学生创新实践能力培养为目的，改变现有电路实验课程中学生被动接受的现状，电工电子实验中心根据项目设计型实验教学模式改革的方案，进行了一系列的教学改革活动，提高学生自主思考、分析、解决问题和实践的能力。

关键词：创新实践；项目设计型；教学改革

近年来，河南科技大学电气工程学院有计划地进行了一系列教学改革活动，探索创新教育与专业教育深度融合的具体方法，初步构建了贯通课内、课外，融汇主要教学环节的地方高校工科大学生创新实践教育模式，以求切实加深学生对课程理论知识理解、提高动手应用知识能力。其中，电气工程学院提出项目设计型实验教学模式改革的方案，电工电子实验中心以电路实验课程为依托进行改革，要求学生自主完成实验电路设计，课下进行仿真软件验证；实验中自选元件、芯片，在面包板上进行电路调试，使用数字示波器、万用表等测取实验结果。以实验形式、实验指导方式的改变，实现学生创新实践能力的培养。

1电路实验教学改革的必要性

传统的电路实验通常是教师进行实验原理、实验电路的讲解，告知实验数据结果如何测量验证、实验仪器设备的使用方法以及实验过程中需要注意的安全问题；学生在外购的实验台上进行接线、验证，完成实验报告。该教学方式存在诸多的弊端，学生在整个过程中被动接受，按部就班地完成实验过程，避开了实验过程中可能出现的问题，缺少自主发现问题、解决问题的过程，不能充分调动其进行独立思考和创新的积极性，也就无法达到通过实验来加深对所学知识理解、锻炼动手能力，在实验中获得满足感，进而主动研究、接受挑战，增强其实践创新能力的目的。项目设计型实验教学模式，基本思路是部分或者全部抛开实验台，实验采用在面包板上插接电子元件的形式进行。电工电子实验中心针对电路实验课程中“二阶电路响应”“双口网络”为例进行改革创新。要求学生在实验前自行完成实验电路设计，并使用Multisim仿真软件进行验证，获得相应测量波形及数据，自我评估实验方案是否合适。实验中，学生根据实验前自主设计的电路，选取合适的电子元件、芯片，最后插接在面包板上进行电路调试，使用数字示波器、万用表等测取实验结果，与仿真结果进行比较，自我判断实验结果是否正确。实验结束后自我梳理，完成整个实验设计报告。项目设计型实验教学模式，学生首先需要利用所学的知识进行电路设计，再通过实验验证发现设计中的缺陷或者漏洞，结合实验数据进行分析，解决问题，最终通过设计报告、实验报告的撰写进行总结反思，提炼成文。相比传统的接线、验证实验方式，项目设计型实验教学模式，学生从自己设计电路开始，能力培养目标转变为电路设计、知识运用、自主分析问题、解决问题的能力和实践动手能力。

2二阶电路的响应

在二阶电路的响应实验进行改革之前，采取PSpice软件仿真的形式进行，目的在于学习PSpice软件的基本使用方法，同时理解二阶电路的三种暂态过程，结合学生已掌握软件和工具的使用情况，将实验形式改革为“软件仿真+面包板插接”。提前实验任务，提出要求，限定元件范围，要求学生课下使用Multisim软件进行仿真设计，选取RLC二阶电路的参数，查看仿真结果，列元件清单；既定实验时间，完成PSpice仿真任务后，领取元件，进行面包板插接，自主操作完成对应结果的测量。

2.1使用Multisim软件进行二阶电路设计

完成参数选取、暂态过程波形记录在电路实验的课程设置中，RLC串联谐振电路的分析是使用Multisim软件完成的，故学生已掌握软件的基本使用方法，可以使用虚拟函数信号发生器、示波器及基础的电阻电容电感搭建仿真原理电路，并观察实验现象；一阶RC电路的响应在实验台上完成，故学生已掌握由实物的函数信号发生器、示波器及分立元件组装调试电路，观察记录测试结果的能力，且二阶电路的响应在周期性重现操作时与一阶电路是相通的，均可将方波或者矩形波的跳变边沿视为换路时刻，进而观察暂态响应过程，适合作为一阶响应的进阶实验。基于以上两点，在二阶电路的整个实验过程中，可以弱化任课教师的指导作用，放手让学生自主设计并调试完成测试任务。任课教师提前二阶电路的实验任务，限定电阻、电位器、电感、电容的参数范围，要求学生课下借助Multisim软件选择合适的电感、电容参数及恰当的方波频率，计算电阻值，使暂态过程分别为过阻尼、临界阻尼、欠阻尼，用示波器观察记录各暂态响应曲线并估读暂态持续时间。

2.2使用PSpice仿真工具进行仿真实验

既定实验时间，学生提交Multisim软件仿真实验电路图、仿真结果及元件清单，任课教师审核通过后方可进入实验室。为了实现让学生熟悉并掌握PSpice工具使用方法的目的，教师演示搭建二阶电路原理图及获取仿真波形的示例后，预留一定时间如半个小时，供学生完成其自主设计二阶原理图的输入，并截图几个暂态响应过程，比较分析三种暂态响应过程的不同点、变化条件、时间长短，课下完成总结。若不能在限定时间内完成实验任务，可在实验室开放时间自由补做。

2.3硬件面包板插接完成

PSpice仿真或者预留限定时间倒计时结束后，学生2人一组自由组合，凭元件清单领取元件及工具。自主操作，进行面包板插接，在面包板上搭建由分立元件组成的电路，用函数信号发生器给出合适频率的输入方波，使衰减或振荡有足够的时间减小到0，用数字示波器测量相应波形，改变电位器或者电阻值的大小，完成对应整个暂态过程波形的测量。在整个面包板硬件插接过程中，教师只负责元件工具的发放，讲解仪器设备的使用。电路搭建、调试，制定测试方案，判断实验现象是否正确等由学生自主设计完成，达到预期实验目标后，由教师负责验收，并根据学生演示及问题回答情况给出实验操作分数。

2.4评分标准

评分标准依据RLC二阶串联电路的设计电路图、元件清单、电路三种暂态过程的Multisim软件仿真波形，即设计环节占实验成绩的30%，实验操作环节占实验成绩的30%，PSpice仿真波形及硬件插接实验波形结果占实验成绩的20%，实验设计报告完成情况占实验成绩的20%。

3双口网络

双口网络实验在改革之前在实验台上直接完成，且实验台已经封装好现成的T网络和π网络，学生只需简单连线给定输入电压，连接测量仪表即可完成实验数据的测量，课后计算T参数。为了进一步提高学生电路设计、知识运用能力，将双口网络的实验形式改革为面包板插接。

3.1使用Multisim软件进行双口网路电路设计

并测量数据完成T参数理论值计算任课教师提前双口网路的实验任务，并限定电阻元件的选择范围，要求学生课下自主选择电阻元件搭建T网络、π网络及二者级联网络的电路，并根据选取的电阻阻值及电路网络结构计算相应的T参数矩阵的理论值。之后，使用Multisim软件进行仿真，根据实验指导书上的内容，给定直流稳压电压源10V。利用同时测量法测量输出端开路、短路条件下T网络、π网络的输入端、输出端的电压、电流值。用分别测量法测量T网络和π网络级联后网络输出端开路、短路条件下，输入端的电流值；以及输入端开路、短路条件下，输出端的电流值。要求有仿真测量电路图、T参数矩阵的计算值及仿真数据表格。

3.2硬件面包板插接

既定实验时间，学生提交其设计的T网络、π网络及二者级联网络的电路图、各网络的理论T参数、Multisim仿真测试数据及元件清单，任课教师审核通过后方可进入实验室。凭元件清单领取元件及工具，在面包板搭建由电阻组成的网络，根据仿真数据测量的方法，利用实验台的直流稳压电源作为输入，直流电压表、直流电流表或者万用表测量相应的电压电流，完成T网络、π网络、二者级联等效网络对应实测数据的测定。由教师负责验收，并根据学生操作及问题回答情况给出实验操作分数。

3.3评分标准

双口网络的设计电路图、元件清单、T参数矩阵理论计算结果、仿真数据测量正确与否占实验成绩的30%；实验操作环节及实验测量数据正确与否占实验成绩的50%；根据实验测量数据及实验方法计算的T参数正确与否、实验设计报告完成情况占实验成绩的20%。

4实验教学改革效果与改进

4.1实验教学改革效果

通过课前布置实验任务，课下设计实验电路，再通过面包板插接环节搭建调试电路，很好地锻炼了学生的自主设计电路、发现问题解决问题的能力。在实验过程中，弱化教师的主动指导作用，发挥学生的主观能动性，变学生的被动学习为主动思考，极大地提高了学生的积极主动性。同时，在实操环节，利用函数信号发生器、数字示波器等设备仪器，承接后续电子技术实验课程的学习。俗话说：“兵马未动，粮草先行。”设备、工具、软件环境的熟练运用，可为以后的专业课学习、研究打下坚实的基础。更重要的是在整个“学而思，思而做，做而乐，乐而学”的良性循环学习过程中，学生学习习惯和综合创新能力的培养，将使其受益无穷。

4.2进一步改进的方向

脚踏实地，进一步细化电路实验课程改革过程中存在的问题，找准下一步的努力方向。二阶电路的响应实验，在实验时要完成PSpice软件仿真和面包板插接，耗时较长，可尝试将PSpice二阶电路示例做成视频，供学生课下学习，或让其寻找网络资源，符合当下流行的学习趋势，且提高效率。双口网路实验，实际搭接电路时，电流的测量值在十几毫安至几十毫安时可减小测量误差，这就要求电阻取值合适，否则直接影响测量数据的准确性，故可适当地修改电阻参数的选择范围。双口网络中电阻参数选取不同，T参数、测量的电压电流值也各异，放手让学生自主设计电路的同时，也给检查学生数据带来了一系列不便。可以根据双口网路的一般结构，推导T参数的通式，将要测量的数据表示成T参数的表达式，借助数据处理软件，减少数据比对过程中的计算量。

5结语

能够利用所学知识解决实际工程问题，具备创新意识与实践动手能力，是电气专业人才培养目标的核心要求之一，更是责任与期望。项目设计型实验教学改革的实施，更是任重道远。

参考文献

[1]苗苗.新时期高校电路实验教学改革与实践探索[J].中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2019(1):85-86.

[2]谢丽萍,孝大宇,齐林.基于虚拟仿真技术的电路原理实验教学改革研究[J].中国教学信息化,2018,(22):67-69.

作者：荆娟娟 田葳 史敬灼 单位：河南科技大学电气工程学院