电路实验室硬件平台建设与实验教学改革

许爱德， 王维刚， 张慧泽

(大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026)

0 引言

电路理论是我校通信、电信、电科、电气工程、船舶电子、自动化、测控、计算机、网络、智能等多个本科专业开设的一门非常重要的专业基础课程，电路实验是和电路理论课程一起开设的实验课程，其主要任务是使学生在学习理论课程后，通过实验加深对所学概念、理论、分析方法的理解，学习一些基本的实验方法，掌握基本的实验技能、测试方法和测量技术，提高运用所学理论独立分析和解决实际问题的能力，奠定扎实的实验基础;培养学生严谨的科学态度;提高学生分析问题、解决问题的能力，开发学生的创新与动手能力;培养安全用电的意识，养成良好的实验习惯［1］。尤为重要的是，电路实验是上述各专业电子技术实验、课程设计、毕业设计等实践教学环节的基础课程，电路实验涉及到电量测量的基本仪表、仪器的使用、测量的基本方法等，在此打下良好的基础，可为后续的课程乃至毕业后的科研和工作奠定坚实的基础［2-3］。

1 我校电路实验存在的问题

我校电路实验室创建于2003年，当时采用的是天煌电工电子实验台。承担了全校电路课程的实验，包括通信工程、电气工程等9个专业32个班，每年实验人数达960多人，实验人次达到6 720人次。原有的实验设备仅有实验设备32台，数量上远远不能满足教学的需要，实验经常按排到中午5、6节和晚上11、12节来完成;并且近10年的循环往复使用，设备已经严重老化，故障率高，自带仪表损坏严重;封闭式的模块非常不直观，固定式的面板导致很多实验受限开展不了;面板式的连线实验，对学生的动手实践能力的培养很有限，更谈不上创新能力的培养了。总之，原有实验设备根本不能适应新形势下教学的需要。

受实验设备的限制，在实验项目及内容上，多以基础性、验证性实验为主，封闭式的模块设计使学生完全处于被动的实验环境，没有思考，更不用说独立思考了。实验模式是固定的，曾有学生很形象的描述，实验课的连线跟在纸上画电路图没啥区别，因为你根本看不到面板后元件设备是什么样。久而久之，很多学生逐渐失去了参与实验、科研的热情与探索新实验、新现象的兴趣，感觉实验课程就是依葫芦画画瓢，能够获得学分就可以了。计算机仿真实验、综合设计创新实验虽然是作为要求提出来了，但由于设备的限制及缺发有效的引导，根本不能真正贯彻执行。实验教材内容陈旧、实验项目较少，学生实验过程中缺乏激励，考核方式单一，成就感有所缺失。

随着《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》、《2003－2007年教育振兴行动计划》、《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》等文件的相继出台，国家明确要求“大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力”，“把实践教学作为教学工作评估的关键性指标”。2005年，教育部为进一步推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，启动了国家级实验教学示范中心的建设［4-5］。我校电工电子实验教学中心于2008年被辽宁省教育厅批准为省级实验教学示范中心，以创建省级示范实验教学中心为契机，针对我校当时电路实验存在的问题，加强了实验室规划与建设。通过电路实验教学平台的建设和实验内容的改革及考核体系的完善，在推进实验教学改革和保障实验教学质量方面，取得了明显的效果。

2 实验室硬件平台的建设

国家在对实验教学进行规划和评审时，认为建立注重实验特色和实用性的实验室，有利于全面提高学生素质、培养学生的应用和创新能力，同时，可以反映最新的教学和科研成果，体现时代特征，使学生成为能够掌握时代脉搏、适应社会需要的创新人才［6-7］。

为此，在对实验室设备进行购置前，我们不仅对市场上的电路实验设备进行了调研，还对国内诸多高校的电路实验室进行了考察。调查研究表明，各高校电路实验室的设备交流强电部分多以组合实验台为主，即仪表、仪器、电源和实验元器件都装在实验台上，最重要的是它的保护功能比较可靠，如果学生接错线，误将电源接成短路，设备会自动断电，保护了电路中的仪表、仪器和实验器件，设备的性能和使用安全可靠，大大满足了实验教学的需要［8］。而对于直流弱电部分的实验，有的学校跟强电一样集成在面板上，或采用自主设计、厂家定做实验箱的方式实现，也有学校仍然采用将电阻、电感、电容等元器件摆放在桌上，做实验时学生按照电路图将各元器件连接起来。上述无论哪种方式，都存在着这样或那样的问题，有的是元器件不直观，不便于学生的兴趣爱好和动手实践能力培养;有的是元器件摆放混乱，不便于管理，影响了实验的效果。

市场调研过程中，我们注意到了上海宝徕科技开发有限公司的基本电路实验装置。此装置是以9孔万用插件板(见图1)为核心、R-L-C元件(见图2)及各种模拟、数字电路元件为模块的系列实验装置。其特殊材料和工艺的耐用插脚，保证了良好接触;其透明、可拆卸塑盒模块单元使得真实元件直观和便于更换;积木式的模块单元使电路的组合灵活、通用;标准印刷的模块单元让实验电路一目了然。除能够完成常规课程的经典线路实验外，还能适用于创新设计性电路实验，特别适用于开放式实验室［9］。显然，上述实验装置很好的为直流弱电部分实验提供了解决方案，交流强电部分采用多数高校的解决方案—组合实验台。

图1 9孔板

结合我校电路实验的情况，适应新时期形势的发展，2010～2011年实验室对设备进行了大规模的更新改造，将旧设备全部淘汰报废，重新购置上海宝徕的电路实验装置64套，各种测量仪表仪器200多台件，每个实验台还配置电脑一台，共投入资金约130多万元。新建电路实验系统如图3所示，在功能方面不仅满足基础电工学的实验内容，还能满足创新实验和实训的工作台要求，装置可以充分的保障开放性实验室的要求，具有充分的可扩展性。

图2 分立元件盒

图3 新建电路实验台

3 硬件平台下的实验教学改革

实验平台的性能决定了实验的性质，是基础;而建立在这个基础之上的教学内容和方法则决定了教学的实际效果［10］。当硬件平台搭建完成后，应该着手考虑如何将具体的教改要求溶于实验设备之中，使依托于新设备的实验项目流程设计与教材的编写、新教学方法的开展紧密地结合在一起。在新型实验设备下，为实现对大学生实践创新能力培养的目标，主要从以下几方面进行具体的改革。

3.1 完善并优化了电路实验教学体系

教学改革应因材施教，要根据受教育者的知识基础、特点，明确教改思路，确定教改方案。应该把实验从以验证理论为主的单一模式改为采取循序渐进、分层次教学，以设计性、综合性为主的多种教学模式［11］。遵循着这个指导思想，根据我校学生的具体情况，我们主张以传统操作型实验为主，引入计算机仿真实验，积极推进综合创新型设计实验。

在传统操作型实验中，主要目的是使学生加深对理论课程的理解，训练学生掌握实验的基本技能，熟练使用各种仪器和设备，调动他们做实验的积极性，培养他们做实验的兴趣，为设计、综合性实验奠定基础［12］。同时我们充分发挥分立元件的优越性，在实验学时有限的情况下，选做能充分发挥学生动手实践能力的实验。如:受控源的研究，以前的实验模式仅仅是模块上插几根线就完了，效果非常不好。新的设备采用运算放大器和外接电阻来搭建，不仅熟悉了运算放大器的应用，同时对受控源的传输特性和负载特性都有了明确的认识。此外，我们还将部分操作实验的内容进行了整合，如:戴维南定理和直流电路的最大功率传输定理，以前是两次不同的实验，因为两者紧密联系，新的实验体系下，将两者整合为一个实验同时进行，既节省时间还便于学生概念的加深认识。

通过仿真软件PSpice10.5的引入，在虚拟实验环境下，元器件可随便调用，参数可以随意修改，一个设计方案不成功可以重新再设计，元器件不会损坏，实验仪器不会出现故障，也避免电路实验中由强电所引发的安全问题，而且不受时间、地点、人数的限制，学生可以不受规定实验项目的限制，满足不同层次学生的需要，大大扩展实验空间和实验范围。实验过程不仅充满乐趣，而且大大提高设计工作的质量和效率，使学生充分发挥其主观能动性和创造性［13］。同时，我们对适合做仿真实验的内容进行设计，以便于实际实验的贯彻执行。

将综合创新设计实验落到实处，多年来虽然一直在提倡综合创新设计实验，但实际上限于种种原因，并未真正贯彻执行。引进新的实验设备后，我们对综合创新实验进行设计，针对不同的内容提出具体的设计要求，可通过仿真设计后再具体操作，让学生在进行自主设计实验的时候有目标、有方向、可操作。

3.2 改革实验教学方法，提高教学质量［14］

采用学生为主体，教师为主导的教学模式，第一次验证性实验教师可以作为主体，进行详细讲解、具体指导，之后就要把主动权交给学生，通过自学、相互讨论等模式独立解决问题，教师主要起到一个引导的作用;变传统实验教学模式为多媒体教学模式，在实验教学时数有限情况下，利用多媒体教学系统更加有效地指导学生完成大纲要求必须做的实验，同时通过观看实验演示，延伸实验教学范围，达到以点带面的效果。

3.3 改革评价系统，提高学习积极性［15］

将实验预习、实验操作、实验总结等各环节全部纳入评价体系，促使学生重视每一个环节，养成踏实、严谨的作风。同时根据实验难易程度的不同，对验证性实验、设计性实验和创新实验给予不同的评分标准，势必会调动学生的积极性，使一些综合素质好的优秀学生脱颖而出，为创新能力的培养打下良好的基础。

3.4 编写适应教学改革的实验教材［16］

一本好的实验教材是确保教学改革的前提。根据设备的情况和以往指导书应用过程中存在的问题，我们重新编制了《电路原理实验》教材。在教材中增加了“电路实验基础知识”和“常用电子仪器和软件使用常识”，以便于学生参考。同时将实验内容分为“基本电路实验”“仿真实验”和“综合创新设计实验”三大部分，以满足不同专业、不同课程教学计划和教学大纲的学时数的要求有选择的开设相应的实验项目。

4 结语

2年多来，通过对电路实验室的建设与教学改革，实验室的规模、仪器设备的配备得到全面的改善与提高，完全可实现实验一人一组，充分保证实验老师的正常工作;规范和完善实验教学体系和教材建设，实验的过程就是学生不断发展完善的过程，新的实验体系有助于实验教学，有利于培养学生的创新能力。在教材中，明确将电路实验分为基本电路实验、仿真实验、综合创新设计实验，并且对每一部分具体内容进行精心设计，另外还增加电路实验基础知识一部分，对实验过程中的一些预备知识及常见问题进行了归纳总结;将计算机模拟仿真实验引入，学生可充分发挥想象力，大胆设计，勇于尝试，为学习兴趣的提高，调动学生学习的主观能动性，培养学生的分析、应用和创新能力提供条件;开发电路多媒体实验教学课件，生动形象的表现实验设备的原理、使用及操作方法，增强实验课的效果，提高实验教学的效率。

新的实验项目开展后，涉及到我校电气工程、自动化、通信、电子科学与技术、电信、计算机、网络工程、测控等多个专业，每年总计做实验的人数有1 000人，受益学生的范围和数量都是非常客观的。目前，该实验模式不仅得到了本校广大师生的一致好评，临近的大连理工大学的电路实验室老师来参观后也表示，该模式非常利于学生动手实践能力和创新能力的培养。

［1］ 黄大刚，刘毅平，朱连津.电路基础实验［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［2］ 徐 伟，徐钦民，谷海青.电路实践指导教程［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］ 程敏熙.简论高等学校理论教学与实验教学的关系［J］.实验技术与管理，2001，18(2):186-189.

［4］ 罗 勇.高校经管类实验教学平台建设的创新与实践［J］.实验室研究与探索，2012，31(5):103-106.

［5］ 廖庆敏.建立开放实验室，提高学生的实践能力和创新能力［J］.实验室研究与探索，2010，29(4):162-1165.

［6］ 王建明，帅任俊.电路实验教学平台建设与实验教学改革［J］.实验室研究与探索，2008，27(2):56-59.

［7］ 张学军，王锁萍.全面改革实验教学 培养学生创新能力［J］.实验室研究与探索，2005，24(1):4-6.

［8］ 曾国树，黄传明，项雷军.电路实验教学改革与实践的探讨［J］.高校实验室工作研究，2009，101(3):4-6.

［9］ STE 基本电路实验装置［DB/OL］.http://www.sh-baolai.com/ProductInfo.aspx?ID=40.

［10］ 崔大力.研发实验平台改革实验教学方法构建研究型学习环境［J］.实验室研究与探索，2009，28(9):128-130.

［11］ 石 超，薛 雪，陈桂真，等.电路实验创新型教学模式研究［J］.全国高等学校电子技术研究会论文集，2010，20(1):42-44.

［12］ 王志东.加强工程设计与创新能力培养体系建设［J］.实验室研究与探索，2011，30(1):87-167.

［13］ 孙曼利，司轶芳.电路实验教学的改革与探索［J］.实验科学与技术，2010，8(4):61-63.

［14］ 谌海霞，李 平.电路实验教学的研究与实践［J］.中国电力教育，2012(8):98-114.

［15］ 郑家茂.构建开放创新实验教学体系推动学生自主学习［J］.中国高等教育，2009(5):39-41.

［16］ 许爱德，李作洲.电路原理实验［M］.大连，大连海事大学出版社，2012.