电路原理智慧实验系统的设计与实践——以清华大学“电路原理”实验课程为例

朱桂萍 王帅国 宫 晨 李甫成



电路原理智慧实验系统的设计与实践——以清华大学“电路原理”实验课程为例

朱桂萍1王帅国2宫 晨3李甫成4

（1．清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084；2．清华大学 在线教育办公室，北京 100084；3．北京时代行云科技有限公司，北京 102200；4．美国迪芝伦科技有限公司中国分公司，上海 201203）

文章以清华大学“电路原理”实验课程为例，介绍了借助便携式实验设备和雨课堂进行智慧实验教学改革的设计理念和教学实践：首先，利用便携式实验设备有效实现了实验与理论教学的有机融合；然后，基于雨课堂设计开发了电路原理线上线下混合式智慧实验系统，进一步提升了实验的智慧化水平。该系统为学生提供了电路仿真、搭建实际电路、测量实验结果、保存实验数据的功能，最终自动生成实验报告并上传。据此，教师可以全程准确掌握每位学生的实验状态，使得教师对实验结果的评判更加准确。该系统已于2017年春季学期起在清华大学投入使用，获得了学生的支持和好评。

雨课堂；雷实验；智慧实验；混合式实验

引言

“电路原理”实验课程作为电类专业基础课——电路原理的配套课程，是电类专业培养方案中一门重要的必修课程。随着元器件和各种测量设备的性能改进以及新的测量技术不断涌现，目前国内绝大多数高校的电路原理实验可大致分为基于分立器件的实验、基于通用或定制的实验台的实验、基于虚拟仪器的实验三种形式。每一种实验形式都各有优缺点：①基于分立器件的实验有利于帮助学生建立对各种元器件和测量设备的直观认识，但体积大、集成度低，不易开设新的实验。②基于通用或定制的实验台的实验集成度有所提高，但同时把大部分实验元器件隐藏到了面板后面，学生对各种元器件和测量设备的直观认识有所削弱；另外由于实验台的空间有限，元件配置基本固定，也不易开设新的实验。基于分立器件的实验和基于实验台的实验都需要在指定的时间到固定的地点（通常是实验室）去完成，教学灵活性比较差。③基于虚拟仪器的实验在集成度和实验灵活性上都有了大幅提升，开发新的实验也比较容易，唯一不利的是学生对各种元器件和测量设备的直观认识进一步削弱，甚至出现完成电路实验后都不知道实际的电感电容为何物的情况，这对培养学生的工程意识和实际动手能力都非常不利。

2013年以来，清华大学电路原理教学组借助自己录制的MOOC资源[1]，利用翻转课堂的教学形式，在理论课教学中开展了以学生为中心的混合式教学实践[2]，取得了良好的效果。但实验课程改革却一直踟蹰不前，最主要的原因是一直没有找到新的教育教学技术与传统实验的有效结合点。受理论课程教学改革的启发，本研究设计并实现了基于雨课堂[3]的电路原理智慧实验系统。

一 智慧实验系统的设计理念

清华大学电路原理教学组首先借助便携式实验设备——从最初NI的myDAQ到Digilent的Analog Discovery 2再到目前时代行云科技的A+D Lab，实现了实验与理论教学的有机融合。目前在两学期共96学时（64+32）的理论课学习中，已分别设计实现了15+8个实验。这些实验中既有较为简单的验证性实验，由学生在课前通过MOOC平台自学完成相关内容后即可利用便携式实验设备完成；也有一些难度较大的研究性实验，这些实验通常需要学生设计并实现一些具有特定功能的电路，一般安排在完成课堂讨论、深刻理解某一部分知识点后再进行。这种理论与实验有机结合的模式，一方面通过时序上的完美配合使得理论知识一学完立刻就能学以致用，进行相关实验，有效激发了学生的学习兴趣，锻炼了学生的创新性思维，提高了学生的电路设计能力和团队协作能力；另一方面通过解决实验中出现的问题和解释实验结果，又帮助学生加深了对基本概念的理解，把抽象的理论具体化，大大提升了教学效果。在过去的四年中，这一教学模式在清华大学“电路原理”课程中获得了学生的普遍认同。

但这种实验模式仍然存在一些有待改进的地方，主要体现在三点：①由于实验数量比较多，不可能要求学生对每个实验都提交实验报告，对那些不提交实验报告的实验只能最后在课堂上检查一下实验结果，教师无法全面了解学生在实验过程中遇到的问题以及解决问题的具体过程，而这些恰恰是实验价值之所在；②教师对实验过程缺乏必要的监管手段，尤其是每学期最后安排的一个大实验，时间跨度较大（前后共6周时间），但学生经常到最后2周才开始突击，客观上不利于做出有创意的成果；③目前学生写实验报告时，习惯性大量照抄实验目的、实验内容和实验所依据的一些基本概念或定理定律，比较浪费时间，更重要的是提交的实验报告中关键的实验结果或波形都只是一条“死”的曲线，如果在批改过程中教师对某个实验波形有疑问，不能便捷地核查实验波形所对应的原始数据。

基于上述原因，本研究秉承以下理念和原则设计了电路原理智慧实验系统：①使用方便，充分利用移动互联技术，与已有的便携式实验设备兼容，无需新增任何硬件设备；②教师可随时了解全班每一位同学的实验进展情况；③按照教师设计好的实验报告模板，学生在实验中上传必要的图片、数据和相关分析说明，最终自动生成实验报告；④保证实验过程和实验结果的真实性；⑤教师可查阅实验结果曲线对应的真实数据；⑥实验报告可以永久保留，教师既可以在手机上即时批阅，也可以在任何时候通过电脑下载批阅。

图1 电路原理智慧实验系统功能与流程

二 智慧实验的流程和主要特点

1 智慧实验的流程

电路原理智慧实验系统是一个基于雨课堂平台和便携式实验设备开发的线上线下混合式实验系统，简称“雷实验”（Lab of Electronics Intelligence，LEI）。该系统可实现的功能及实验流程如图1所示。由图1可知，教师和学生之间通过雨课堂服务器进行交互。在学生实验的四个步骤——仿真、搭建实物电路、测量实验结果、上传实验数据中，学生可以在任意一个步骤暂存后，或返回修改，或退出实验，下次重新登录后可以从已经完成的任一步开始重新进入实验。

2 智慧实验的主要特点

电路原理智慧实验系统是移动互联技术、虚拟仪器技术、电子技术深度结合的产物，它具有以下几个突出特点：

（1）实验不再受时间、空间限制

实验采用的便携式设备如图2所示，大小约为23.5´19´3.3cm，通过USB连接线与电脑相连后，可以输出±5 V和±12 V直流电源，有2路模拟输入、2路模拟输出、8路数字输入/输出，最大采样率可达100Mbps，输出最大功率为500mW，可以满足绝大多数电子实验的需求。学生可以在各种场所进行实验，有移动网络信号的地方就可以把实验过程中得到的结果上传，没有信号时也可以先单机实验，保存实验结果，待有信号再上传。利用该实验设备，学生还可以在任何时候把自己脑海中灵光一现的一些想法用实验来验证，为训练创新思维、进行研究型学习提供了一个较好的平台。

图2 便携式实验设备外观

（2）线上线下充分结合

线上线下的充分结合，一方面有效保证了实验过程和实验结果的真实性，另一方面便于教师进行管理——这是电路原理智慧实验系统与单机版“口袋实验室”的最大区别。学生在“雨课堂”微信公众号中收到教师布置的新实验通知后，需要用自己的微信登录，然后才能在智慧实验系统中进行实验。实验所需的仿真软件是完全内置的，实物电路需要多角度拍照上传，系统可获取硬件设备的序列号，与波形对应的真实数据同步上传，这些措施都有效保证了实验过程和实验结果的真实性。教师通过“雨课堂”可以随时查询学生的实验状态，便于及时提醒和管理。目前市场上很多种单机版的“口袋实验室”虽然也给学生提供了比较方便的实验平台[4][5][6]，有些已经考虑到与MOOC教育相结合[7]，但教师对学生在课外的实验情况基本无法掌握，相应地，实验过程和实验结果的真实性也无从保证。

（3）自动生成实验报告

电路原理智慧实验系统通过流程设计，形成了一个清晰、简洁、全面的实验报告模板，学生只需根据提示在每一个实验步骤中将相应的内容（如仿真电路、仿真结果、实验结果及其与仿真结果的对比等）截屏或拍照上传，在结束实验时智慧实验系统就会自动生成实验报告。与实验相关的其它内容也可以以附件形式上传，最终将一并加入实验报告，在保证实验报告规范化的同时也为个性化研究预留了空间。

（4）实验报告可线上、线下批阅

对于实验报告，教师可以直接在手机端进行线上批阅，也可以在雨课堂的网页版下载后进行线下批阅，兼顾了不同年龄段教师的工作习惯。

图3 电路原理智慧实验系统教师端主要结果显示

三 实例介绍

本研究以笔者在2017年秋季学期布置的一次实验“方波、三角波或锯齿波发生器”为例，来介绍电路原理智慧实验过程中的一些主要步骤及相应的实验结果呈现形式。

1 电路原理智慧实验教师端

在电脑上启动便携式实验设备相配套的主程序，教师用自己的手机微信扫码登录后就可以进行实验管理，包括增、删、查、改，按照屏幕提示完成即可，此处不再赘述。当教师布置完实验并推送至相应班级后，学生在“雨课堂”公众号中就会收到新实验通知。随着学生微信登录主程序，开始实验，教师的手机端就会实时更新班级所有人的实验状态及统计结果，如图3（a）、（b）所示。对于已经完成实验并提交的实验报告，教师既可以在手机端点开进行批阅，并给出成绩，如图3（c）～（g）所示；也可以在雨课堂的网页版中下载该实验报告，打印出来进行批阅。在手机端可以显示实验结果曲线上任一点的真实数据，如图3（h）所示。

2 电路原理智慧实验学生端

学生端启动与实验设备配套的主程序时，实验设备必须通过USB连接线连接至所用电脑，微信扫码才能成功登录，并进行下一步实验。仿真软件为TINA（TI）或Multisim（NI），可以在登录主界面中进行设置，图4（a）所示界面中的仿真软件为Multisim。在实验过程中，完成上一步任务后才能进行下一步。实验结果用虚拟仪器进行测量，如图4（b）所示。实验过程的每一步都可以暂存后返回上一步修改或退出，下一次重新登录后可以继续完成实验。对于上传的截屏图片或实物电路照片，都可以附加分析说明，如图4（c）所示。最终自动生成实验报告，可以对报告中的所有文字说明进行集中修改，确认后再上传。

图4 电路原理智慧实验系统学生端主要操作界面

四 结语

电路原理智慧实验系统自2017年春季学期起在清华大学“电路原理”翻转课堂班级中试用，功能不断完善，交互界面更加友好。便携式实验设备大大拓展了实验的空间和时间边界，线上线下混合式实验模式则充分体现了互联网思维对传统实验模式的改进和优化。电路原理智慧实验系统的软硬件设计基本可以满足电路原理、模拟电子技术和数字电子技术课程的绝大部分实验需求，为研究性学习和创新型人才培养提供了一个较好的平台。

[1]学堂在线.清华大学电路原理MOOC课程[OL].

[2]朱桂萍,于歆杰,陆文娟. “电路原理”课程深度改革的实践探索[J].电气电子教学学报,2013,(5):6-10、33.

[3]王帅国.雨课堂:移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具[J].现代教育技术,2017,(5):26-32.

[4]漆强,刘爽.基于嵌入式系统的“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理,2015,(12):97-102.

[5]董介春,于瑞涛,卫成兵.口袋实验室建设与实验教学改革[J].电气电子教学学报,2017,(3):133-135、147.

[6]初竑邑,房启志,张丽丽.“口袋实验室”在电子类专业实践教学中的应用[J].教育教学论坛,2016,(50):131-132.

[7]邓力,刘和平,余传祥.MOOC式远程实验教学方法的研究[J].教育教学论坛,2016,38:263-264.

The Design and Practice of Intelligent Experiment System for the Principles of Electric Circuits ——Taking the Experiment Course of Principles of Electric Circuits in Tsinghua University for Instance

ZHU Gui-ping1WANG Shuai-guo2GONG Chen3LI Fu-cheng4

Taking the experimental course of Principle of Electric Circuits of Tsinghua University as an example, this article introduced the design concept and teaching practice of intelligent experiment teaching reform in virtue of portable experiment equipment and the rain classroom. Firstly, the integration of experiments and theoretical teaching was effectively realized by using portable experiment equipment in the examplified course. Then, an online-offline hybrid experiment system was designed and developed based on rain classroom, and greatly enhanced the intelligence level of the experiments. In this system, students could perform circuit simulations, built actual circuits, measure experimental results and save experimental data according to the designed process. In addition, the system could automatically generate experiment report and upload it. Through this intelligent experiment system, teacher could accurately grasp each student’s experimental status and evaluate experimental results more precisely based on the uploaded data of the experimental waves. The system has been put into use in Tsinghua University since spring semester in 2017, and has won the support and praise from students.

rain classroom; lab of electronics intelligence,intelligent experiment; hybrid experiment

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0107—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.016

朱桂萍，博士，副教授，长期从事电路原理课程教学，主要研究方向为电力系统储能及其应用，邮箱为gpzhu@tsinghua.edu.cn。

2018年3月6日

编辑：小西