基于虚实结合的电路原理实验教学研究

陈淼，李伟

（浙江理工大学科技与艺术学院，浙江 绍兴）

一 引言

近年来，随着国际“芯片战”的加剧，国产替代[1]成为人们讨论的主流话题和必然趋势。这就要求国人发愤图强，提高自身的能力和水平。电路原理作为电类的基础必修课程，为后续电类更高层次的课程提供理论基础。电路原理实验也为学生动手实践提供一个开端，为培养学生兴趣和思维方式打下坚实的基础。然而传统的电路原理实验却存在以下几种问题：

（1）多数学生第一次接触相关实验设备，对实验设备不熟悉，搭建电路容易出错[2]；

（2）对于实验数据，学生只是简单地记录数据，对数据的正确与否并不了解；

（3）学生对电路结构不够了解，遇到问题不会解决，缺乏解决问题的能力，从而影响实验热情[3]；

（4） 课上时间不够，由于实验室课外时间不开放，课外学生也没法进入实验室完成完整实验。

针对传统实验存在的问题，本文提出一种 “虚实结合”的实验模式[4-5]，即在开展实验前通过Multisum软件对实验进行仿真，记录仿真数据，然后在课上实验进行电路搭建，记录数据并与仿真数据进行对比，查找数据出入点的原因并改正，课后进入开放性实验室查缺补漏及知识扩展，同时进行实验报告的撰写、数据分析及总结等。进一步提升学生独立思考能力及动手能力及解决问题的能力。

二 电路原理实验基本情况

电路原理实验室主要针对我校低年级学生使用，主要包括电子信息工程专业、自动化专业、通信工程专业及计算机科学技术专业。由于之前的实验台年限比较久，实验过程容易坏，影响学生效率及兴趣，学校对此也比较重视，采购了新的实验平台，并优化了相关实验。

实验目标：了解电路原理及基本电路结构，熟悉电路搭建流程，并能够排查电路故障，解决实际问题，提高独立思考能力及动手能力。

实验内容：叠加原理的验证、戴维南定理和诺顿定理的验证、最大功率传输条件的测定、RLC串联谐振电路的研究、RC一节电路的响应测试、三相交流电路电压电流的测量。

三 教学改革内容

（1）增加综合型、设计型、创新型实验比例，改变学生观念及模式，提高学生综合水平[6]。

（2）采用现代化教学手段，即虚实结合的实验教学方式[7-9]；相对于传统的教学方式，提高了教学效果及效率，激发了学生的思维能力及自主学习能力，提高学生的兴趣及解决问题的能力。其主要包括三个方面，即课前预习及仿真、课中实验及分析、课后总结及探讨[10-11]。

（3）建立开放性实验室，让学生课外也有机会进入实验室，同时加强开放性实验室的管理，为学生提供便利。

四 实验教学改革案例分析

基于以上教学内容的改革，结合实际案例进行阐述和说明，本文以“RC一阶电路的响应测试”为例。

（一） 实验课前预习

上实验课前，首先理论课老师会对相关理论知识进行讲解，然后再安排学生实验，本设计要求大家掌握RC电路的零输入响应和零状态响应。在仿真实验前，学生应掌握相关定义，其定义为：在线性电路中，响应可以由外施激励源和初始储能共同产生，当动态元件的初始储能为零，仅有外施激励源引起的响应为零状态响应；换路后电路无外施激励源，仅由初始储能引起的响应为零输入响应[12]。

（二） 实验仿真电路设计

由于动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程，要用普通示波器观察过渡过程和测量有关参数，就必须使这种单词变化过程重复出现，为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，利用方波的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。根据负载端的元件不同，RC电路可以组成微分电路及积分电路。其示意图如图2所示。

图2 微分电路、积分电路示意图

为了使仿真数据和实验数据有个直观的对比，在选择元器件参数时应尽量选取与实验装置一样的参数，所以在仿真前，教师应给学生提供实验装置的相关元器件的参数。

图1 实验平台

1.积分电路：仿真积分电路，取R=10KΩ，C=0.01uF，组成如图3(a)所示的积分电路。激励源采用信号发生器输出Um=3V、f=1KHz的方波信号，搭建积分电路，并通过示波器观察响应变化情况。

图3 积分电路仿真电路及结果

结合输入波形和输出波形对比可以发现，电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。电容先充电，为零状态响应，后放电，为零输入响应。

少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影响。

（1）电阻R不变，少量的减少电容C至2200pF，输出波形变陡；

（2）电阻R不变，将电容0.01uF和3300pF都打开，由于2个电容是并联关系，即少量增大电容C，输出波形平缓；

（3）电容C不变，将电阻30K和10K都打开，由于2个电阻是并联关系，即电阻R减小，输出波形变陡；

（4）电容C不变，电阻R增大至30K，输出波形变平缓。

2.微分电路：仿真微分电路，取C=0.01μF，R=100Ω，组成如图4(a)所示的微分电路。激励源采用信号发生器输出Um=3V、f=1KHz的方波信号，搭建积分电路，并通过示波器观察响应变化情况。

图4 微分电路仿真电路及结果

为了更直观的观察输出波形，这里把输入波形接GND触发，即不显示输入波形，可以观察到响应是一个尖脉冲波形，符合微分电路情况。

增减R的值，定性地观察对响应的影响。

（1）当电容C不变时，减小R至20Ω时，输出波形变化不明显；

（2）当电容C不变时，增大R至5KΩ时，输出波形脉冲变得越来越明显，当R增大至1MΩ时，输出波形是接近于输入的方波波形。

（三） 课上实验

通过对理论知识的学习及软件的仿真，对RC一阶动态响应结果应有一个比较清晰的认识。首先，在实验台上选择信号发生器作为激励源，并调整输出为Um=3V，f=1KHz的方波信号，然后分别搭建积分电路和微分电路，记录相关波形数据，其结果如图5所示。

图5 积分电路、微分电路输出结果

通过积分电路与微分电路的课上搭建，可以发现积分电路和微分电路实验结果与仿真时一致，从而一方面对原理进行了验证，另一方面提高了动手能力。在实验过程中，可以熟悉相关仪器的使用方法和技巧。当发现实验结果与仿真不一致时，可以主动去思考问题所在，从而解决问题，提高了独立思考及解决问题的能力。

（四） 课后总结

学生做完实验，首先，可以做一个深入的总结，对本实验了解多少内容，对有疑问的知识可以通过线下及线上的方式与老师进行沟通交流。其次，学生可以走进开放性实验室，把有疑问的地方通过实验去验证一下，加深印象；同时，可以对相关知识进行发散，如RC二阶动态响应等，并在课外完成相关实验。最后，进行实验报告的撰写，实验报告不仅仅是抄写实验指导书上的内容，而是要通过自己的语言描绘出实验的理论，并对实验数据及结果进行一个精确的分析，确保实验数据的准确性。对本实验的总结如下：

（1）由于积分电路的条件是τ=RC＞＞T/2，当减小电阻R到一定值时，积分条件就不满足，输出就变成一条直线。

（2）由于微分电路的条件是τ=RC＜＜T/2，当增大电阻R到一定值时，积分条件就不满足，输出时越来越接近输入的方波。

五 结语

通过对实验模式的教学改革，本人及相关专业老师进行了深入调研及对比，发现实验效果明显，学生更愿意主动去思考问题及解决问题了。培养学生的创新意识，为后续课程打下坚实的基础。