线上线下结合的“电路实验”教学改革与创新

李新国，陈 瑶

（湖南第一师范学院 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410205）

“电路”是电子信息工程、电子科学与技术、通信工程等电子信息类专业学生入校后开设的第一门专业基础课。“电路”教学主要体现在两个方面：一是已知电路结构与相关参数求解电路的其他参数，二是根据已知电路参数设计具体电路[1]。“电路”的主要教学内容有电路器件、电路定律与定理、电路分析方法、交流电路、谐振电路、变压器电路、三相交流电路等。“电路”的前期课程有“大学物理”和“高等数学”，后续课程有“模拟电子技术”“数字电子技术”“高频电子线路”等，“电路”在电子信息类专业的课程体系中起着承上启下的作用。“电路实验”是电路理论的验证与具体应用，开设好“电路实验”对打造电路“金课”具有重要意义。

一、“电路实验”简介

“电路实验”属于实践教学范围，它是对电路原理与电路概念的验证与应用。许多高校将其单列为一门实验课程，也有一些高校将其嵌入在电路理论教学中。“电路实验”对大一电子信息类学生的专业启蒙教育非常重要。在高考中，实验考题占的分值很少，高中阶段学生接触的实验不多，许多新入校的大学生对实验一无所知，既没有实验习惯，也没有实验方法，更没有独立实验能力。通过电路实验，大一学生在老师的指导下，认识了许多的电子仪器仪表，掌握常用电子设备的使用方法，熟悉电路搭建、电路参数测量等方面的知识，为以后“模拟电子技术”与“数字电子技术”等课程实验、课程设计、毕业设计奠定坚实基础。“电路实验”主要有电路元件参数的测量、电路定律与定理的验证、实用电路的设计等项目。只有通过理论与实践的有机结合，才能学好“电路实验”课程。

二、“电路实验”教学模式

（一）线上实验教学模式

线上实验教学模式就是将所有的实验项目、实验要求、实验内容放于网上。学生根据实验要求在网上进行实验，并通过网络将实验结果提交给老师。老师根据学生的实验数据给出实验成绩。为了确保线上实验教学模式良好实施，必须具备网络实验教学平台，学生在网络实验教学平台的帮助下开展实验。由于网络实验教学平台上的仪器、仪表都是虚拟的，所以虚拟的设备没有线下实验室的实体仪器、仪表设备真实可靠。但线上实验教学模式可以展示线下实验室无法实现的实验过程与实验场景，比较适应于电路设计与制作等创新性实验。而对于验证性实验与综合性电路实验来说，线上实验则没有优势。

（二）线下实验教学模式

线下实验教学模式主要是将实验项目放在实验室内进行。学生根据实验要求，通过搭建实验电路，使用实验仪器设备测量实验参数，得出实验结果。为了客观地记录实验过程和结果，要求学生撰写并提交纸质实验报告，老师根据学生在实验过程中的表现与实验报告的数据评定实验成绩。为了保证线下实验教学高质有效，实验室必须配备精密的仪器设备，具有良好的实验环境。虽然线下实验教学得出的实验数据真实可靠，但无法展示复杂的实验场景与实验过程。“电路”线下实验适合于电路定律与定理的验证、电路参数的测量等验证性实验项目。对于设计性与创新性实验，线下电路实验相对线上实验来说实现起来比较困难[2]。

（三）线上线下结合的实验教学模式

通过线上与线下实验教学模式的分析，我们发现线上线下实验教学的实验环境、实验手段、实验仪器设备、实验成绩评定各有优缺点。我们只有实施线上线下相结合的办法，才能弥补彼此的不足，从而形成一种新的实验教学模式。线上线下相结合的实验教学模式有两种类型：第一种是“先上后下”：首先将所有实验项目上传到网络，要求学生在网上根据实验要求完成实验，然后将网上完成的实验项目再进入实体实验室内，利用实验室现有的实验设备再完成所有实验。第二种是“上下同步”：简单验证性实验在线下实验室内完成，复杂创新性实验在网上完成，实验室完成的实验项目不上传到网上，网上完成的实验项目不在实验室重复进行。笔者认为“电路实验”适合于“上下同步”的实验形式，对于电路定律定理等验证性实验项目在线下进行，对于电路设计等创新性实验项目在线上进行，线上线下结合能够提高实验质量，会收到良好的实验效果。

三、“电路实验”课程存在的问题

（一）实验项目存在的问题

实验项目的选定在实验教学中占有非常重要的地位。实验项目选得过于简单，达不到课程实验的要求，实验项目选得过于复杂，难以实现其实验效果。实验项目的分布章节和各章节实验项目配置的多少也影响整个实验课程的质量。电路实验改革前，我们按邱关源编著的《电路》第五版教材内容，设置的实验项目有：电路仪器仪表的使用、基尔霍夫定律、叠加定理、戴维宁定理、零输入响应时间参数测量、交流电路参数测量、谐振电路、三相电路参数测量共八个实验。其中前面的四个实验属于验证性实验，后面四个属于设计与综合性实验。笔者分析这些实验项目设置存在的问题有：（1）实验类型分配不合理，验证性实验较多，设计与综合性实验较少，没有创新性实验项目；（2）实验分布的章节不科学，直流电路相关章节的实验较多，交流电路相关章节的实验较少，没有设置磁路或变压器方面的实验项目；（3）实验项目比较单一，实验项目主要是电路参数的测量，没有电路的设计或电子产品的设计；（4）没有设置线上实验项目，电路实验项目全部在线下实验室进行，没有提供网络实验教学平台进行线上电路实验。这些问题的存在，反映出电路实验课的教学质量不高。

（二）实验过程存在的问题

电路实验进行的过程，就是搭建实验电路测量实验结果或设计实验电路完成某些既定功能的过程。实验过程对提高学生动手能力起着非常重要的作用。实验过程规范有序，得到的实验结果也就真实可靠，我们要高度重视学生实验过程的跟踪与考查。目前在电路实验过程中存在的主要问题有：（1）实验过程简单。电路实验全部在线下实验室进行，并且实验电路简单，没有在线实验平台，难以展示复杂真实的实验场景。（2）设备利用率不高。电路实验的设备主要是实验箱和万用表，学生很少使用示波器、频率计等其他仪器设备，存在部分实验设备长期闲置的问题。（3）抄袭与模仿现象严重。由于实验人员较多，设备台套数不足，一个实验要分多组，每组有多人进行。一组人员搭接好实验电路以后，往往被其他组人员模仿，得出的实验数据也可能被另一组人员参考，这样造成大部分的实验电路和实验数据雷同，严重影响实验效果。（4）实验数据误差较大。不同的组员搭建相同的电路、使用不同的仪表去测同一参数，往往会测出不同的实验数据。例如在验证叠加定理的实验中，要求测某一支路的电流，张三利用万用表直流档测得的电流是0.5mA，李四利用直流电流表测得的电流是0.7mA，两者的误差为0.2mA。为了使实验数据接近真值，还有学生通过电路计算得出实验数据的现象。

（三）实验成绩评定存在的问题

“电路实验”成绩的评定有单个实验成绩的评定和期末实验总成绩的评定。对于单个实验的成绩评定往往根据实验报告来衡量，谁的实验报告图画得漂亮、字写得工整、数据显示合理，谁的实验成绩就好。期末实验成绩的评定也是要求完成一个实验项目，根据实验报告完成情况来评定成绩，或者通过多个实验成绩采取求平均值的方法来确定等级。这些评定实验成绩的方法，往往忽略了那些在实验过程中表现优秀学生的“功绩”，严重挫伤了学生的实验积极性。主动搭建电路、选择仪表、测量数据的学生往往他们的实验报告写得并不好，而那些不动手等着抄写数据的学生，实验报告会写得很漂亮。许多高校没有将“电路实验”单列成一门课程，将实验成绩当成理论考试成绩的参考，实验做得好与做得差一个样，做与不做也一个样，没有客观公正地考查出学生“电路”课程学习情况，因而难以提高课程的学习效率。

四、“电路实验”课程的改革措施

（一）实验项目的改革

我们要提高“电路”课程的教学质量，首先要提高其实验课的教学质量。我们可通过优化实验项目，整合实验资源，采取线上线下相结合的模式进行实验课教学改革。根据多年的教学经验，我们提出八个电路实验项目以供参考：电路元件参数测量、电路定律与定理验证、直流电路设计、谐振电路设计、交流参数测量、交流电路设计、电源变压器设计、电路综合设计。其中直流电路设计、谐振电路设计、交流电路设计、电源变压器设计是设计与综合性实验项目，电路综合设计是创新性实验项目，它们都适合于线上实验，学生可利用网络实验平台，查找相关资料，进行相关的实验仿真，最后设计好电路，得出实验结果。电路元件参数测量、电路定律与定理验证、交流参数测量是验证性实验项目，适用于线下实验室完成，学生通过使用实验室的元器件或实验箱等设备，利用万用表、示波器等仪器设备测得数据来完成实验项目。

（二）实验过程的改革

由于电路实验项目有线上和线下实验，那么实验过程改革也必须实施线上与线下相结合的办法。大部分线上电路实验都是设计性和创新性实验，线上电路实验过程的改革，就是在提供好实验平台与相关软件的基础上，利用网络发布实验内容，学生根据老师的具体要求来完成电路的设计与相关参数的测量。因此，线上电路实验必须要有电路元件的选择过程、电路设计的仿真过程以及教师指导和答疑过程，真实反映出电路是学生自行设计的，数据是学生自行测量的。只有这样，网络虚拟实验才不“虚拟”。由于大部分线下电路实验是验证性实验，线下电路实验过程的改革就要体现在实验电路的搭建与实验仪器仪表的选择上。学生按实验指导书的要求选择实验设备、自行搭建电路进行实验得出实验结果，最后撰写真实可信的实验报告。

（三）实验成绩评定的改革

电路实验分为线上、线下两种类型，实验成绩的评定也要线上、线下分别进行。对于线上实验成绩的评定要注重电路元件的选取和实验电路的仿真。对于线下实验成绩的评定要注重学生实验电路的搭建过程、实验仪器仪表的选取和实验数据的处理。实验报告只能作为实验成绩的参考，不能成为实验成绩的决定因素。笔者根据多年的“电路实验”教学经验认为：（1）“电路实验”成绩必须单列，不能混合在理论课的考试当中；（2）“电路实验”成绩必须是学分制，不能实施等级制；（3）“电路实验”可以线上线下各设一个实验项目组织考试，而不能采用平时实验成绩求平均值的办法；（4）“电路实验”考试建议采用线上线下结合形式，线上实验成绩占40%、线下实验成绩占60%。利用这些方法，客观公正地评价学生，得出一个真实反映学生学习能力的实验成绩。

五、“电路实验”课程改革成效

（一）实验改革对其他课程的影响

对于电子信息类专业来说，电路课程的前期课程一般是“高等数学”与“大学物理”，“电路”课程的后续课程一般是“模拟电子技术”“数字电子技术”和“高频电子电路”。通过“电路实验”课程改革，对前期与后续课程都能产生积极影响，主要表现在：（1）学生懂得了“高等数学”中的微积分知识在电路建模中的应用，认识了“大学物理”电学部分的实验项目与电路实验的相通性，电路实验是对大学物理电学部分实验的拓展与加深，涉及的知识更宽泛，使用的电路更复杂；（2）学生对“模拟电子技术”中电路的设计与参数的测量更为熟悉，实验操作更加得心应手；（3）学生对“数字电子技术”实验中计数器电路的设计、译码电路的设计等实验理解得更透彻，搭建电路更快捷，选择参数更准确；（4）学生对“高频电子线路”中的调谐放大器、功率放大器、振幅调制器等实验电路更加容易理解，测得数据更加可靠。我们通过电路实验改革前后的对比发现：学生对后续课程的学习更有信心，实验动手能力更强，完成实验的速度更快，实验操作更加规范，排除实验故障的经验更加丰富，提高了电子信息类学生专业课的学习能力。

（二）实验对课程设计的影响

我校电子信息类专业的课程设计有“电路综合”“模拟电子技术”“数字电子技术”等。根据我校电子信息工程专业的教学计划，在完成“电路”课程后要求进行为期两周的电路综合设计，主要是根据所学的电路理论设计与制作出一种电子产品。通过前期的实验教学改革，我们有了直流电路设计、交流电路设计和谐振电路设计的基础，进行电路综合设计就显得轻松容易。学生掌握了电路设计思路、熟悉了电路设计过程，能正确地进行元件的选择、电路的仿真、电路的调试与焊接，从而能在两周内完成好电子产品的设计与制作任务。根据我校电子信息工程专业的教学安排，对“模拟电子技术”“数字电子技术”和“单片机原理与应用”等后续课程也要求进行为期两周的课程设计。学生利用所学的电子理论知识，设计出模拟电路和数字电路，通过仿真、调试和制作形成电子产品。这类电子产品比电路综合设计的电子产品电路更复杂，功能更强大，涉及的知识点更多。通过“电路实验”教学的改革发现，学生在进行后续课程的课程设计，既懂得了电子产品设计的要点，也懂得了电子产品设计的灵活性与艺术性，他们设计与制作的电子产品普遍得到了专业老师的认可。

（三）实验对电子设计竞赛的影响

为了提高学生的电子设计能力，我校在举办好校内电子设计竞赛的基础上，积极参加全国（省）的大学生电子设计大赛。我校举办的电子设计竞赛面向全校所有专业学生，学生经过一个月时间的训练，精心设计制作出电子产品，再邀请校内专家教授针对学生作品进行答辩，最后评定出获奖名次。获得一、二等奖的学生才有资格参加全国（全省）电子设计大赛。通过电路实验教学的改革，我校学生具备了扎实的电路设计基础，电子设计能力得到明显提高。近几年，我校荣获全国（省）大学生电子设计竞赛一等奖两项、二等奖一项、三等奖三项。

（四）实验对学生毕业设计的影响

电子信息类专业学生的毕业设计是综合检验学生电子设计能力的重要环节。通过毕业设计训练，学生能很好地将自己所学的专业知识用于电子产品的设计与制作过程中[3]。在以往的毕业设计选题中，学生往往不敢选择有一定难度的题目，倾向于选择与课程设计题目相类似的题目。通过“电路实验”教学改革，学生已具备了扎实的电路设计基础，积累了课程设计经验，毕业设计的选题都达到了一定难度，并且在电子产品设计与制作阶段，也会严格按老师要求完成仿真与调试，最后在毕业答辩中能与老师就某一参数的正确性和合理性进行辩论，毕业答辩变成了一场师生专业知识的辩论赛。毕业生很有成就感，老师也深深体会到了加强学习、更新知识的必要性。

“电路实验”是电子信息类专业学生提高实验兴趣的入门实践课。通过在电路实验过程中的严格训练，能引导学生形成良好的实验习惯，为以后的课程设计和电子设计竞赛奠定坚实基础。因此，我们必须高度重视“电路实验”课程的改革，使“电路实验”课程变为名符其实的“金课”。