电路分析实验“三维三段式”教学模式探索与实践

刘淑琴 嵇英华

摘 要：根据专业培养方案进行“电路分析”实验课程的教学改革探索。通过增加实践项目比重，从“虚拟仪器仿真、实验室现场测试、课外设计制作”三个阶段整体构建实验内容；相应地从“能力水平、情感态度、过程方法”三个维度检验评价教学与学习效果，突出工程师人才培养目标，锻炼电子信息工程专业学生分析和解决实际问题的能力。

关键词：三维三段式 电路测试 实验改革 目标体系

中图分类号：TM13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（a）-0126-02

电路课程是电子电气类专业最基础、最核心的课程之一，该课程的教学内容、教学手段与方式直接影响到学生学习习惯的形成，担负着引领工程意识“启蒙”教育的重任。电路系列课程的教学改革已成为电子电气类专业教学改革的重中之重。

电路分析课程的教学进程安排一般设置在大一下学期或者大二上学期，同期开设的还有对应的实验课程，是后续专业课程如模拟电子技术、数字电子技术、高频电路的基础课程，所需的实验测试技能和基本分析方法都可以在该课程中接触和学习[1-4]。通过与工程实践密切相结合等多种途径，电路分析课程的课堂教学改革已取得较大成效。然而，目前与电路理论教学密切相关的实验教学的改革却进展缓慢，学生的动手实践操作能力及对实验现象的分析能力亟待提高。如何基于“大工程”观的现代工科教育理念，对电路实验教学内容与教学模式进行有效深入改革，一直困绕着人们，并已成为与此相关的电子电气信息类专业教学改革的瓶颈。

随着多媒体技术和互联网+技术的应用推广，很多网络在线优秀课程出现在慕课中，实验课程教学与工程实践结合的途径带来了新的机遇。同时“以学为主”的新兴教学法不断改变了以往的“以教为主”的现状。为适应“以学为主”的教学模式的转变，结合自身条件和优势，结合工程规范、电路设计、电路安装、电路测试等教学内容，从“能力水平、情感态度、过程方法”三个维度，通过整体构建“虚拟仪器仿真、实验室现场测试、课外设计制作”环环相扣、螺旋式上升的实验教学环节，对在实验教学过程中如何有效地培养学生的工程意识与实践能力进行了深入探索与实践。

1 三维多层次目标体系

根据美国学者L·迪·芬克提出的关于课程设计的“创造有意义的学习经历”[1]，在教学设计中改变以往的实验体系，在学科知识中融入实际应用案例，建立验证-制作-测试三位一体的实验结构，采用“虚拟仪器仿真、实验室现场测试、课外设计制作”三段式培养步骤流程，将知识应用到新情况或者领域中，从而获得解决问题的能力。

以往很多实验项目均是基础验证性为主，利用已有的模型电路通过仪器仪表的测试得到有关的电压电流数据，进而分析电路原理是否正确。由于低年级学生基本上是第一次使用专业测试仪器仪表，最先接触到验证性实验能够帮助他们获得基本的实验仪器测试技能，完成理论到实践的第一步[2]。随着课堂教学的深入，学生已能够理解知识点之间的关联性，再单纯地验证一些电路理论，将无法有效地提高学生的分析能力和动手能力。遵循由浅入深、循序渐进的原则[3]，将电路分析实验构成部分扩展为三个层次的模块：基础验证、设计制作、测试拓展。

1.1 基础验证性项目

该内容覆盖了电路分析大约一半容量的知识点。通过经典的验证性实验内容理解戴维南定理、动态电路响应、串并联谐振、滤波器和双口网络的基本知识点。在实验辅助手段上采用Multisim仿真软件进行有关电路原理的验证，在之后结合实际电路实验数据测试，进行数据误差分析，培养学生建立实验逻辑思维，自上而下的实验体系思路。同时在实验内容上注意和后续课程的衔接，提出思考问题留待学生课后寻找答案。其中Multisim软件操作培训利用两次课堂教学教授入门知识，在随后的实验教学中熟悉应用。

1.2 设计制作性项目

RLC所组成的一阶、二阶动态电路有很多应用，作为前期的设计性实验项目来锻炼学生的实验能力是可行的。首先作为设计性实验开设，前提是学生均学完暂态电路理论知识且完成使用双踪示波器观测和分析波形的基础实验。设计性实验要求学生设计实验方案、实验元件与测试设备，提供实验步骤和实验电路图，对实验结果记录并进行结论分析，实验数据相差太大的要求重新设计。根据学生个人能力不同，设置不同难度的设计性实验。例如：选择不同输入信号分析RC一阶电路的零状态响应、设计一阶电路的时间常数测定方案并与理论值比较、二阶动态电路谐振点测试与衰减系数测算等。通过实验前知识点的分解讲述和讨论，学生完成设计性实验的质量高于平时的验证性实验，同时对于知识点的理解也要更广义一些。

1.3 研究拓展性项目

在设计制作项目后期，学生能够从测试中获得一些经验，建立了实践性思维体系，能够了解项目管理流程。此时教师应积极地引导学生关注知识拓展应用。设计制作中和学生增强互动，了解学生发现的问题，并引导学生拓展有关学科的关联性。

为了给学有余力的学生提供拓展思维的途径，电路分析实验教材编写中加入了有关拓展性小知识和有关实验内容。拓展性内容主要是将一些知识点在实际生活或者工业上的应用进行启发式教学，从设计实验的角度去说明这个知识点的延伸面。比如说实际电源的两种等效模型，从理论的角度容易分析两者等效性成立的条件，那么采用什么的实验手法可以验证这个条件成立？同时提出在实际工程实践中如何根据功耗条件选择等效模型。这样学生就不仅了解到电源等效变换的方法，同时也联系到实际应用，达到举一反三的效果。

除了拓展思维外，该阶段还增加了能力拓展要求，教师利用Altium designer软件将前期设计性实验的电路图制作成PCB版，让学生再次测试制版后的电路参数来校验之前的实验结论。

从基础验证到设计制作再到测试拓展，三个环节构建一体式实验内容。学生学习的内容从简单到复杂，从虚拟到现实，依次递进。多阶梯层次的实验模块体现了多维教学的特点，可以根据不同学生的特点进行有效传授知识和技能。学生们在设计性实验阶段兴致很高，调试成功的喜悦让他们体会到学习的快乐。从学生们课后交流的情况来看，他们在该学期的实验课程中收获颇丰，特别是后期的电路模块制作，他们的实验能力得到了极大提高。

2 构建实验成绩三维评价体系

在芬克创建的综合性大学课程设计原则中，反馈与评估是其中非常重要的一环。根据芬克的设计理念，他认为反馈与评估是基于教学目标来反向设计的，这样能更好地理解教学设计目标。

所进行的电路分析实验改革不仅是期望学生具备基本的实验测试技能，学会如何分析项目需求并制作设计电路，熟悉使用专业制图软件完成专业制版；而且更主要在于培养学生的工程意识与工程应用能力，培养学生的责任人与团队精神。为合理评价、检验学生的学习效果与能力养成效果，就需要从“能力水平、情感态度、过程方法”三个维度，定性与定量结合、全面公平地评定实验成绩。

表1说明了实验成绩评定包含的四个方面，其中每个内容都有对应的细分成绩评定表，都包含定性评价与定量评价部分。

例如：制作模块部分，强调针对每个功能电路测试过程、也针对测试的结果进行分值给定，综合调试成功才能给予满分的成绩。每个模块设置为25分，根据完成的功能部分给予相应的分值，鼓励学生尽量单独完成电路焊接和测试任务。对于电子信息工程专业和通信工程专业的学生，基础验证实验实行的是1人一组的实验方式，避免了多人成组时蒙混过关的现象。而在制作模块部分，允许采取2人一组的方式，每人做两个模块，最后联调四个模块作为实验组的成绩，培养学生间的合作关系，并让同组学生有交流和讨论的对象。研究拓展模块相当于附加分值，挑战难度大的项目即使最后实验结果有出入，考核分值相应会有增加。在近200名学生中，有大约1/4的学生选择了难度为A的研究拓展项目，说明该模块的设置还是很有成效的，给学生提供了提高能力的空间需求。

在基础验证性实验设计中有5个项目，操作成绩是指对应的5个实验的表现平均分，包含预习报告、实验报告和平时实验操作[3]。由于实验内容的改革，学生实验成绩不再是单纯地定性给出，而是根据具体的对应量化分值进行统计，综合了学生在整个实验阶段的表现。

3 改革效果的评价

电路分析实验进行了很多方面的改革，包括实验内容和考核方式。以往验证性实验项目较多，学生对知识点的理解不够深入，知识网络单一。加入设计性实验后，学生通过参数设计、方案对比深入学习各知识点间的关联性，增加了学生动手机会，落实了实验设备操作技能训练。

（1）增加了电路设计性实验项目，学生按照电路功能要求设计可行性电路，并完成实际电路的焊接测试工作，体验从电路原理图到电路连接图的转换学习，认识基本元器件，学会查找芯片资料。整个过程学生主体作用更强，有更大的自由空间分析实验目标，真正做到了理论和实践运用的联接，从而极大地提高了学生的学习兴趣和主观能动性。

（2）利用现在流行的慕课等网络教程方式，录制一些基本仪器的使用视频，解决了以往枯燥讲授仪器仪表功能的弊端，让学生能够通过观看视频内容学会测试方法，体现“三位一体”教学的优势，能力差异不同的学生可以找到自己不熟悉的内容进行个性化自学。

（3）实验内容及时间安排，与理论教学的非完全一致性有出乎意料的效果。安排的实验课程进度先于理论课堂教学一周左右。学生在实验教师通俗易懂地介绍实验原理后，可以获得直接的感观认识，从而有助于呈现实验现象和理论原理之间的关联呼应。教师能够在课堂延伸知识面时，结合实验中出现的问题和波形数据等实验现象，深入地分析原理。这点是该学期改革中最意外的收获。

4 结语

在芬克的教育理念体系中，学生最终从教学活动所获得的“有意义的学习经历”是指学生从对信息观点的基本理解记忆能转变为自主学习者，能够学会学习从而进行有意义的探索。基于这个教学理念，认为在改善实验体系的实验设备和实验内容外，实验教师应更关注学生关心的问题，面对各种冗杂，在教学互动中激发其好奇心和兴趣，在实践中反思。或许这样的电路分析实验课程才会一直受到学生的喜爱。

参考文献

[1] L·迪·芬克，著.创造有意义的学习经历[M].胡美馨，刘颖，译.杭州：浙江大学出版社，2006：10-45.

[2] 王静，邢冰冰，罗文.电路分析实验教学改革的实施[J].实验技术与管理，2009，26（9）：131-134.

[3] 陈寿坤.电路分析实验课程教学改革的研究[J].实验室科学，2012，15（6）：6-9.

[4] 张文婷，王紫婷.电路分析实验课程教学改革的研究与探索[J].实验室研究与探索，2010，29（5）：146-148.