《电工基础》课程整合式实验教学研究

任东红，袁清萍，邢兵锁，俞昌锁

(铜陵职业技术学院，安徽 铜陵 244000)

《电工基础》作为高职院校电气、机电等电类专业的专业基础课[1]，是后续电机与电气控制技术、电工实训、电气装调类专业课程的基础，其一般开设于大学一年级第一学期。其理论性较强[2]，涉及较多原理性内容，公式及推导较多，要求学生具有较好的逻辑推导能力及数学功底，同时要求学生具有一定的动手能力。

一、电工基础教学存在问题分析

（一）课程的特点

《电工基础》是一门理论知识较强，同时根据高职学生的特点，也是对实践要求较高的课程，涉及到的数学、物理基础知识较多，对于高职学生相对难以理解，给学生的学习带来较大困难。

（二）教学中存在的问题

高职院校 《电工基础》教学一般以理论教学为主，实验教学为辅。教师在教授课程时，以让学生掌握电工常识和基本定律为主要教学目标，在完成教学目标的同时，采用部分实验予以论证，整体实验和动手较少。此种教学模式，对于现阶段的高职学生，主要存在以下几大问题。

1.学生对理论知识缺乏兴趣

高职院校学生普遍文化课基础较薄弱，学习缺乏主动性，缺少自信，对理论知识具有害怕恐惧心理，将学习视为一种负担。针对简单浅显的理论知识，学生可以被动接受，但是，当遇到较为复杂的数学推导时，学生基本无法理解，也无法接受，导致学生学习兴趣降低，失去学习后续知识的信心，不利于本门课后续知识的教授，同时也影响了学生对今后电类课程学习的自信心[3]。

2.教师教学目标不明确

根据高职学院《电工基础》课程标准，学生通过本门课的学习后在电工技术的理论、实训技能和职业素质方面都能获得较大进步，因此我们的教学目标是让学生在理论、实操以及素养方面都有所收获，这就要求教师的教学内容要符合教学目标，在教学过程中不能脱离教学目标，不能只片面完成一个或者两个方面。

3.教师教学方法单一

目前，高职院校一般采用理论为主，实验为辅的方法开展《电工基础》的教学，此种教学模式仍然存在理论与实验的界限，无法做到真正的理实一体化，无法呼应“做中学，学中做”的新时期高职院校的授课要求。会出现学生光做实验，实验结束后，并未将其与理论知识结合起来的现象。同时由于部分高校实验条件有限，导致部分教学内容的教学方法仍以讲授为主，教学效果不理想。

二、电工基础课程改革研究

针对目前高职院校《电工基础》教学中普遍存在的问题，本文提出了三种改革方法，具体如下：

（一）整合教学内容，调整教学课时

根据目前高职院校课程安排，电工基础主要有五方面的内容，分别是电路的基本概念和基本定律、电路的分析方法、正弦交流电路、三相交流电路以及磁路与变压器知识。由于高职学生初高中物理电学知识相对薄弱，因此电工基础中电路的基本知识和基本分析方法的学习时长占比较大，加强学生基础电学知识学习。同时为了给后续其他学科学习奠定基础，交流电知识也将作为重点介绍。磁路与变压器在后续课程中会重点介绍，因此在本门课中将作简单引入，所占课时较少。调整后的电工基础的教学内容和课时如下表，其中按照高职院校教学安排，《电工基础》课程每周开设4节，共16周，总课时为64节：

表1 电工基础课时分配

（二）提高实验教学比例

《电工基础》课程内容涉及面较广，基本涵盖了简单的直流电路到单相、三相交流电路的所有基本知识，同时涉及到磁路和变压器的基本概念。这些内容偏于理论，学生如果通过教师讲授被动学习难免枯燥，学习积极性低，学习收获少，因此，理实一体化的教学是目前教学的必走之路。多数学校已经开展了理实一体化教学，但是各学校教学条件不一，教学要求有高低，因此实验部分有差异。目前，根据高职学生特点，设置的实验教学内容共32课时，占总课时比例50%，具体实验教学内容及课时分配如下：

表2 实验教学内容安排

（三）整合实验教学手段

虽然自《电工基础》课程实现理实一体化教学以后，实验教学比例大大增加，但是传统实验有着不可避免的缺点，主要如下：

1.《电工基础》课程实验以验证性实验为主，探索性试验为辅，实验设备固定落后，实验过程无法调动学生积极性和创新性[4]。

2.传统实验教学釆用实验室实际教学，用到的实验设备较多，每个学校需要配备较多的实验器材，占用较多的教学场地，因此对学校的教学场地和经济有着一定要求。同时电工实验教学中设备仪表容易损坏，需要及时更换及维修，对学校的实验条件要求较高，可能会影响教学进度和教学效果。

3.传统实验存在安全问题，电学传统实验教学中安全问题在所难免，特别是交流电路实验，安全必须严格把关，一旦疏忽，可能会造成财产损失和人员伤亡，后果不堪设想，因此实验安全性是设计实验时教师必须考虑的重要方面。

鉴于以上问题，目前许多院校都在尝试使用软件仿真实验代替部分传统实验；一方面可以解决传统实验对实验场地和实验设备的要求过高，另一方面，通过电脑软件的使用学生可以反复实验，增加实验的创新性，加深对实验的理解，同时由于是操作计算机，而非高压设备，实验具有绝对安全性；因此，本校也可考虑在传统实验的基础上增加仿真实验，整合实验手段。

三、Multisim仿真软件使用

目前最常用推荐的电路仿真软件为Multisim仿真软件，学生只需安装该软件，在学校已配备的计算机教室基础上即可完成相应的电工基础实验，无需学校另置实验设备。同时学生可利用软件反复实验，提高实验效率，避免占用过多教学课时[5]。Multisim仿真软件具有完善的电路设计及仿真功能、具有大量虚拟仪表，实现在线分析功能。学生可通过该软件，构建和设计各类电路，通过仪器仪表（电流表、电压表、万用表、示波器）来判断所构建电路的可行性，加深学生对所学理论知识的理解，极大地培养了学生的学习兴趣，为后续课程奠定基础。

图1为Multisim仿真软件的主界面。学生通过仿真软件可以完成基本的直流电路实验，例如欧姆定律实验、伏安特性实验、基尔霍夫定律实验等，该类直流实验原理简单，学生可在机房进行仿真练习，效率较高，同时教师可根据实际，选择一至两个典型实验在实验室动手操作，由于学生已进行仿真实验练习，对理论知识有一定的理解，通过仿真实验与实际动手实验的对比，找出实际操作的误差所在，同时由于学生对仿真实验有一定的了解，动手实验也具有一定的针对性，增加了实验的成功率和效率，充分利用教学学时。

图1 Multisim仿真软件主界面

图2展示的是直流基尔霍夫电压定律仿真实验，电路中提供两个分别为12V，8V的电压源，学生可通过仿真实验，将三个直流电压表并联在电阻两端，在线测量出三个电压表的读数分别为7.2V，-4.8V，-3.2V，因此满足在任一回路中绕行一周∑U=0，从而验证了基尔霍夫电压定律。同时在时间和设备允许下，教师也可在仿真实验的基础上，增加实体实验，将二类实验结果进行对比，进一步分析误差原因。

图2 基尔霍夫电压定律仿真实验结果图

通过Multisim仿真软件可以完成三相交流电路实验，针对典型的三相交流电路实验中的照明电路实验，由于负载正常情况下不对称，因此我国居民用电采用的是三相四线制供电系统，即三根火线一根零线，确保每相负载电压为220V。而在《电工基础》课程中，三相交流电路实际操作实验存在较大安全隐患，因此可通过仿真实验完成此情境的学习[4]。图4是验证三相负载Y形连接时电压电流的关系，其中三相负载均为484Ω电阻，即三相负载完全对称，从仿真结果来看，中性线上电流表的读数几乎为0，验证了三相负载对称，中性线电流为0的理论；同时可随机调整电阻大小，改变电路为非对称电路，观察实验现象和电表读数，学生通过简单操作开拓思维，简单安全，实验效率大大提高。

图3 RL串联电路仿真结果图（50Hz,60Hz仿真结果）

四、结论

文中针对《电工基础》课程的特殊性，为提高高职院校教学效率，提出相应改革措施，要求在教学学时上进行整合统一；在学时分配方面加大实验教学比例，提高理论课趣味性；在实验教学手段方面，引入multisim仿真教学手段，结合仿真教学对实验条件要求相对较低、安全性高、可重复操作等优势，将仿真教学与实际操作实验相整合，增加实验的成功率和效率，同时分别选取直流电路、单相交流电路、三相交流电路中的三个典型实验，通过使用multisim仿真软件，可完成既定实验要求，验证实验结论，针对实验条件相对薄弱的学校，可行性较高，可推广使用。仿真实验作为联系理论知识与实际实验的桥梁，为许多高校的实验教学铺平道路，但同时，仿真实验若和动手实验有一定区别，若将二者整合起来教学，教学效果将会有质的提升。

图4 交流三相负载Y型连接电流电压关系仿真电路图