电路分析基础综合性实验探索与研究

摘要：开设设计性、综合性实验以培养学生的实践创新能力是实验环节的共识和目标，据此论述了在电路基础或电路分析实验中开设综合性实验的重要性和可操作性。以实例说明了综合性实验的设置方法，并进行了仿真验证，并对该实验设置中的关键注意事项等进行了探讨。结果表明，在电路基础实验中设置综合性实验是可行的，为在该课程中设置综合性实验提供了借鉴思路。

关键词：电路实验；综合性实验；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）08-0240-02

一、引言

电路基础或电路分析是电子和电气信息类的第一门专业基础课。在该课程的教学中，通常都会设置涉及不同内容的实验教学环节。实验环节的实施将有助于学生较好地加深对该课程相关内容的理解，并起到对动手实践能力的培养和锻炼目标。但是目前国内众多的电路基础实验教材中开设的综合性实验却明显较少：一个实验往往只涉及到单个知识点，各个实验之间缺乏有机联系，另外实验的形式、手段比较单一，导致效果不够理想。同时，目前学校的主要开课方式是将实验设置在平时的课堂教学过程中，每次只能进行3～4个学时的实验不利于学生综合能力的锻炼和提升。究其原因可能有两点：一是对电路基础课程中综合性实验的认识或重视程度不够并对其含义理解存在偏差；二是认为学生的相关专业基础知识还比较少，开设综合性实验有不少难度，因此导致在电路分析课程中开设时间长、内容广、形式多的综合性实验缺乏动力。好在近年来，在电工电子实验教学体系中提倡开设设计性、综合性实验以培养学生的创新能力已成为众多相关专家的共识，因此在电路基础或电路分析课程中开设综合性实验也自然十分必要。但是，开设综合性实验仍然面临一些问题，主要是在实验项目涉及电路基础或电路分析课程中知识点不明显的超出了课程范围，即在内容紧紧围绕理论课程的前提下，对设置综合性实验的概念和内涵等仍要进行解释和澄清，这才有利于综合性实验项目的展开和实施。

二、综合性实验的概念和意义

综合性实验也可称之为实验的综合，正如文献指出，综合性实验可以理解为：（1）实验内容的综合性，即实验内容涉及本课程或相关课程的综合知识；（2）实验方法与手段的综合性，即运用综合的实验方法与手段进行实验。因此综合性实验可以理解为既可以是涉及理论知识或内容的整合，也可以是涉及实验方法或手段的集合，还可以是涉及上述两种情况的综合。由此可见，基于上述概念，与传统的基础性、单一性实验相比，综合性实验往往具有更多的实验信息量和操作工作量。这在时间上会对现有的少学时课堂教学模式造成冲击。同时在形式上，综合性实验只对实验者提出了其任务要求或给出总体的实验思路，并没有给出具体的测试方案和详细实验步骤，却要求实验者根据上述要求或思路，制订完整的实验方案，或者利用多种实验手段，对自行设计或给定的电路与系统的功能参数进行测试，并从测试结果中探究和评估该电路的特性和功能特点等，继而判断实验结果是否符合设计要求或是否符合某种理论或常识。由于学习理论的最终目的是为了掌握知识并应用知识到实践中，解决现实生活中的问题往往需要多方面的理论知识和多种手段，因此进行综合性实验一方面可以将理论课程中涉及到的多个知识点集中，并建立有机联系的桥梁，起到举一反三的效果；另一方面，实验的形式或手段的多样性可以多方面较长时间地锻炼实验者，这种较高要求的锻炼有利于促进学生综合能力的培养和提升。因此，综合性实验无论是在课堂教学环节还是在实践教学中都具有比较重要的意义。

综合性实验设计方法及实验步骤：综合性实验的设置一直是困扰电路基础实验改革的一项难题。首先不单单是因为综合性实验的相关概念不够明确和缺乏改革的动力，更为重要的是在实验项目涉及的知识点不明显超出课程范围的前提下，对综合性实验内容和方法的设计比较难把握。这是因为，电路基础或电路分析是一门十分注重基础理论和推导的课程，它主导对给定电路进行分析的理论与方法，缺乏对学生设计和综合意识的熏陶和引导，既然理论课程中没有设计和综合的内容，要在处于配套地位的电路实验中让学生甚至教师马上具备这种思想和意识是较为困难的。因此，目前实验教科书中综合性实验较少，综合性实验则更少。这里笔者举一个例子，希望起到抛砖引玉的作用。“最大功率传输”是电路理论教学中十分重要的内容，该定理所涉及的问题也是实际电子、通信电路设计和应用中必须考虑的问题。在电路分析课程中，最大功率传输在不同的章节和电路模块（直流电阻电路、正弦稳态交流电路、含理想变压器电路）中多次出现，贯穿整个电路分析过程的始终，因此其内容具备一定的综合性，掌握该内容需要理论课程不同知识点的有机联系和综合，是课程的一个难点和重点。因此，若将其涉及的多个知识点集成在一个实验环境中，并综合通过软硬件结合的方法设计和实现，就可以很好地达到综合性实验的目标和要求，且又不盲目提高或超出学习要求。这里需要指出的是该实验无论是实验的数据表格设置还是测试过程，都有许多值得注意和探讨的地方。

综合性实验的实现过程一般都经历了以下几个步骤。

1.明确实验目的及任务和要求。实验者首先需要明确实验目的，并对于给定的实验任务，弄清楚实验可能涉及的实验原理、实验测试方法、测试内容等。

2.制订合理的实验方案和测试内容。对于给定实验电路结构的验证性或研究性实验，在对电路进行了一定理论分析之后，只需按照任务要求，确定具体的测试内容即可。对于检测维护性实验，需要实验者对所检修或维护的系统工作原理大致了解，从理论上分析和判断引起故障的可能原因，从而确定实验测试的内容和方法。对于设计性实验，由于只对电路功能或指标要求进行说明，因此要求实验者自行查阅资料，了解相关的理论、方法等内容，并确定电路各个组成模块，并实现电路的连接，进而确定元器件参数及测试内容。

3.确定合理的实验步骤和方法。当电路的测试内容确定后，需要合理安排实验的测试过程和步骤。因为有些实验的电路参数或输入信号频率在测试过程中需要根据测试结果进行必要调整，为了提高测试的效率，避免重复且不必要的工作，需要确定合理的实验测试顺序和步骤。endprint

4.进行电路仿真实验。对综合性实验，可前期先对待测的电路进行仿真实验。仿真的目的是灵活和方便地在较为理想的状态下测试电路性能，避免实际测试过程中的一些不确定性和不必要的浪费，并同时得到需要测试的参数、波形，大致了解电路的工作性能是否符合要求。

5.连接实验电路，进行测试。搭接实验电路时需要注意的是，要确保电路连线正确，同时电路中的激励信号源要调整到位后，才能接入电路，以免损坏电路及测试仪表；仪器仪表的量程要选择合适，太大测量误差亦会大，精度达不到要求；太小又可能损坏仪表。要养成边测试边记录数据和波形的习惯，以及与仿真结果进行比较（若没法仿真，也应先求出理论上的数值）的习惯，以便发现错误后能及时检查和修正。

6.选择合适的仪器仪表。当实验步骤确定后，就要根据实验测试参数、测试精度、测量范围、电路的工作频率范围等选择合适的仪器仪表，并充分考虑仪表内阻对测量结果的影响。但要注意的是，仿真只是一种辅助设计的手段，即使仿真成功了，实际电路也不一定能满足设计要求，还需要进一步的测试和调整。

7.分析测试数据，给出测试结果及评价。所有的参数测试完毕后，我们的实验并没有结束，还需要对实验测试数据进行整理和评估。一方面检查数据是否符合要求，若不符合，还要找出原因所在，进行进一步的修正；另一方面，检查电路是否还有改进的空间和方法。

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