电工与电子技术实验课程线上教学的研究与实践

邓红雷， 张仙玲， 汪娟娟

（华南理工大学电力学院，广州510640）

0 引 言

电工与电子技术实验是电工教学中的重要环节，是培养学生实践能力和工程思维的重要手段。多年来，我校电工与电子技术实验一直都在实验室进行，除了少部分电路和模电实验采用软件仿真模拟的形式外，大多数实验都以在实验台搭建实物电路的方式进行。2020年疫情持续时间长，按照教育部“停课不停学”的指示与部署，为了不影响教学进度，我校部分专业在春季开展了电工与电子技术实验课程的网上教学工作，将电工与电子技术实验从现场搬到线上教学。

1 线上电工实验教学的优点与存在的问题

1.1 优点

（1）授排课方便。电工实验，学生人数与学时很多，现场实验往往受到场地、实验仪器、教师和学生时间以及理论课程进度的限制，只能分小班授课，见缝插针，实验室总是排得满满的，甚至很多实验课程只能放在理论课结束后的下一个学期进行，易造成实验和理论课程脱节，使实验课程失去了对理论课程的帮助理解加深认识的作用。而网上实验授课只要有手机、电脑和网络，可以随时进行，授课排课异常方便，不受时间和场地的限制［1-2］。

（2）节约成本，操作安全。常规现场实验，无论老师再怎么强调，总会出现部分学生接错电路，造成元器件损坏的情况。多年经验数据表明，一个电工实验班大约有10%的同学，会出现因运放芯片电源正负极极性、整流桥交直流、电容正负极接错，造成元器件损坏的情况，甚至还曾发生过电容因极性接反发生爆炸造成学生眼睛受伤的情况。由于参与电工实验的人数很多，累积下来，元器件的损耗花费也是一笔不菲的开支。而线上实验是仿真实验，没有元器件的损耗，不仅安全，而且可以节约大量开支［3］。

（3）避免线路连接处接触不良的问题。有现场实验经验的老师都知道，线路接触不良是最难发现和检查的问题。实验台和导线运行时间过长时，会出现插孔氧化、连接导线插头老化的现象，有时学生明明接线无误，但是实验结果就是不正确，对于这类故障，学生是很难自己检查出来的，往往需要老师的帮助，如果这种情况发生过多，必然会拖累实验课堂的进度，而网上实验则不存在此类问题。

（4）实验结果和波形更稳定，更便于测量。实际现场实验，由于实际元器件的差异性，得到的实验结果会有一定的波动。而网上仿真实验，由于元器件参数一致性好，实验结果和波形会更稳定，差异性更小，更容易判断实验结果的正确性；可同时采用多个虚拟仪表测量多个信号，无需增加额外的实验设备；示波器一般具有回溯功能，可以直观测量电容的充放电过程；实验室不方便测量的电流波形，可通过电流探针将电流转换成电压，再通过示波器显示出来。

（5）接线更规整，易于检查。现场实验，受试验台插孔位置的限制，部分同学会图一时方便，乱引乱插，造成器件和导线在试验台上比较凌乱，一旦出现错误，往往不易检查。网上仿真实验，由于元器件摆放空间相对宽裕，不会出现导线满天飞的情况，检查相对更方便容易。

（6）可以进行破坏性实验。现场破坏性实验，比如功率因数提高、电动机的正反转控制等强电实验，接线故障时，会造成短路，除了烧保险丝、引起热继电器和开关保护跳闸，严重时甚至损坏会电气设备，而仿真实验进行破坏性实验则不会出现这些问题。

1.2 存在的问题

（1）纸上谈兵，直观性差，成就感不强烈。线上仿真实验，元器件仅仅是一个个符号，缺乏直观性，实验课程都结束了，学生可能还没有见过实物的样子，实验成功后的兴奋度也不强。现场实验，如功率因素提高实验，灯管亮了；电动机控制实验，电动机正反转起来了；计数器正常工作了，数码管随计数脉冲跳变了。效果非常直观，都能给学生自豪感，成就感，留下非常深刻的印象。

（2）学生作弊更容易，实验效果评估难度加大。原来现场实验，独立操作，尽管可能会抄袭邻座的接线方式，但是大部分工作还是由学生本人独立完成的。而线上实验，部分同学遇到困难或者想偷懒时，通过QQ、微信，同学之间可以直接传送仿真电路图，复制粘贴电路更容易与方便，实验报告、实验电路与实验数据造假更容易。

（3）答疑和解决问题相对不便。现场实验，学生遇到困难，自己无法解决时，可以随时找老师、找邻座同学咨询，非常方便。线上实验则只能通过腾讯会议或者QQ语音，以语音和屏幕共享等方式进行答疑，由于联系方式是一对多，势必会对其他同学造成干扰。

（4）部分实验开展存在局限性。电路、模电和数电实验都可以方便采用仿真软件进行，但是电气部分的实验如电动机控制实验、PLC实验仿真开展不方便。

（5）易出现不收敛问题。有时单个电路模块仿真调试没有问题，但作为子电路接在一起时就出现仿真错误，最常见的问题是不收敛，出不了结果，想解决的话，要么有大量的仿真经验，知道哪些地方可能造成不收敛，要么能从仿真软件出来的那一堆提示信息中找到重点，要么抓瞎碰运气。

2 线上实验教学实施措施

为了最大化利用线上实验教学的优点，克服其缺点，上好电工学线上实验课，采取了如下的一些措施，经过半年多的线上教学的实践，取得了较为满意的效果。

2.1 选择合适的仿真与教学软件

工欲善其事，必先利其器，一个简单方便实用的网上实验教学与仿真软件，是做好线上实验教学的基础。目前常用的线上教学工具有腾讯课堂、雨课堂、QQ和腾讯会议等。比较与测试结果表明，腾讯课堂、雨课堂理论授课比较方便，腾讯会议可以方便地开启视频共享调试程序，更有利于监督学生与提问答疑。因此，采用腾讯会议进行电工与电子技术课程线上实验教学更合适。

对于电路仿真，Electronic Workbench、Proteus、Pspice、Matlab等软件都可以实现，但是从电路创建、虚拟仪器调用、仿真参数设置、电路调试及结果观察的便捷性和直观性来看，Multism明显更胜一筹［4-5］。Multism 14是美国国家仪器公司（NI公司）推出的新版本，可以完成模拟/数字电路、集成运放、射频电路、电子测量、电源电路等众多电路的设计及仿真，特别适宜于指导学生开展电工综合性设计和实验，培养学生综合分析问题的能力。

电动机控制系统的仿真一直是电工学仿真的难点，一般的仿真软件难以实现，Matlab/Simulink虽然也可以进行电动机的仿真，但是更侧重于电动机的整个动态和稳态过程的分析和计算［6］；尽管Multisim主要面向电路设计与仿真，但它里面有个机械模块，对机械模块的部分器件进行整改后，也能方便地实现电动机控制系统的仿真。

经过综合比较，选择Multisim进行仿真实验，采用腾讯会议进行电工实验课程的线上教学。

2.2 调整教学内容，做好难点准备工作

现场实验，学生可以直接从老师事先准备好的实验盒中取元器件，只需辨认元器件的参数大小即可。线上软件仿真，所有的元件必须从对应的元件库中找，但是元件库里面元器件种类繁多，有实际器件，还有虚拟器件，教师必须事先确定实验内容、元器件的参数和型号，不然学生会很迷惘，无所适从。

此外，还需要对原有教学内容进行调整，甚至对部分实际电路进行改造，以满足在线实验的需要。比如功率因素提高，就需要用RL等效电路代替实际的灯管电路，因此，相关的电阻与电感值必须事先计算和确定下来。

电动机控制系统的仿真实验是难点之一，也必须事先做好准备。图1所示电动机的正反转控制是电工学中常见的一个实验。由于Multisim 14中没有现成的接触器、热继电器模块，必须对原有电路进行改造，以满足仿真实验在Multisim 14中电动机控制电路的改造与实现过程的要求［7-10］。

图1 包含电气和机械联锁的异步电动机正反转控制电路

（1）三相交流电源取自“电源器件”库（Source）中的“电源”模块（Power_Sources）中的“三相交流电源”（Three_Phase_WYE），简写为Source/Power_Sources/Three_Phase_WYE（注：后续全部采用简写方式），并将频率设置为50 Hz，相电压为220 V。电动机取自“机电类元件”库中的“三相鼠笼式电动机”模块，即Electro _ Mechanical/MACHINES/INDCUTION _MACHINE_SQUIRREL_CAGE，采用默认的设置，电动机额定电流为270A。

（2）组合开关Q取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/3pst_SB；复合按钮S1（正转启动按钮）、S2（反转启动按钮）取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_DPST，分别用键盘上A、C键控制；停机按钮SB1取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_NC，用键盘上B键控制。

（3）控制电路需两个交流接触器，每个交流接触器包括1个线圈、4个常开触点、1个常闭触点，由于Multisim 14中没有专门的交流接触器模块，需要自己设计改造。改造后的交流接触器模块如图2所示。4个时间继电器取自Electro_Mechanical/TIMED_NOTO（J1-J4，常开触头），1个TIMED_NCTC（J5，常闭触头），连接在一起，分别接到输入口IO1～IO6与输出口IO7～IO12，注意IO1、IO7是接触器线圈的输入输出口，IO2～IO5是常开触点的输入口，IO8～IO11是常开触点的输出口，IO6、IO12是常闭触点的输入、输出口。为使控制电路更简洁，可以选择“放置/替换为子电路”（place/replaced by subcircuit）将其封装成一个子电路系统，命名为正转接触器KMF，如图3所示；反转交流接触器可以直接复制KMF即可，命名为KMR。

图2 改造后的交流接触器模块图

图3 交流接触器子电路封装图

（4）Multisim 14中的保险丝最大电流只有30A，不能满足要求，故用Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/OVERLOAD中过载模块代替，见图4中S3～S5。由于电动机额定电流为270 A，故保险丝熔断电流取为270×2.5=675 A。

（5）S6～S9对应热继电器FR模块，S6～S8为发热元件，S9为动断触点，均取自Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/THERMAL_OL，如按照热继电器电流整定值为（1.1～1.5）×额定电流的选取原则［7］，取1.5×270=405 A，电动机正常工作时，热继电器触头会跳开，故将热继电器的电流整定值稍微取高一点，取为450 A。

（6）电流表取自Indicators/AMMETER_H，注意要设置为交流模式。

最后得到的包含电气和机械联锁的异步电动机正反转控制仿真电路图如图4所示。

图4 包含电气和机械联锁的异步电动机正反转控制仿真电路图

2.3 做好示范性演示操作和建立易错知识库

万事开头难，第1次仿真实验课时，由于大部分非电类专业同学平时没有接触过电器元件，因此往往不知道从何处下手，找不着元器件和仪器在哪里，也不知道如何运行仿真电路和判断实验结果是否正确。老师将课件和教学视频发布在网上，督促学生提前预习，同时要手把手的演示，做好示范性工作，最好当堂搭一个电路，现场演示一番，告诉学生器件和仪表从哪些库里面取；如何运行与观看输出结果；仪器设备如示波器、电压表、电流表该怎么用。

要有意识地建立易错知识库，提高实验效率。针对每个实验，事先制定每次实验的接线和测量易错项，放入易错和解决办法库，并在以后的实验过程中不停补充，逐渐修改完善；实验学习有个摸索的过程，学生刚开始错误比较多，所以老师刚开始课程讲解时要特别仔细，以便减少学生后期的出错概率，要重点注意中西方元器件符号的差异性、示波器的耦合方式、电压、电流表的交直流、导线的跨接易错点。

教师可以故意接错线，通过具体的仿真出错方式，告诉学生出错的原因和可能的解决方法，以便学生碰到类似问题时自行解决。在使用Multisim进行电路仿真时，有时在原文件中仿真没问题，但是复制粘贴到另一个文件后会出现仿真出错；有时各单个模块仿真没问题，但组合起来就出错。常见的错误提示有：①分析计算不成功，因为矩阵是奇异的（Analysis calculation was unsuccessful because the matrix is singular）；② 瞬态时间点计算未收敛，模拟被取消，有关更多信息，请参见收敛帮助文件（Transient time point calculation did not converge，Simulation canceled.See convergence help for more information）。对于第1个出现矩阵奇异的解决办法，可从电路原理入手，看看设置的参数是否合理；精度要求是否太高；激励是否合理等。仿真的电压源都是理想电压源，所以无需再放一堆去耦滤波电容，在有些关键路径上的电容串一个小电阻对解决不收敛可能有奇效。第2个不收敛的错误可从以下几方面进行解决：首先检查电路连接是否正确；有没有漏连接、元器件孤悬的地方，如GND、信号线之类的。其次，耐心等待。一些在单独仿真时很快出结果的电路模块，与其他电路模块合并时，仿真需要计算的数据变大，仿真速度变慢，输出波形的速度也变慢，所以等长一些时间也许就可以输出波形了。此外，还可尝试通过修改仿真参数解决，如按照以下步骤：菜单-＞仿真（simulate）-＞ Analyses and simulation（H）-＞interactive simulation，修改“结束时间”（End time）为合适的时间，将“最大步长时间”（Maximum time step）修改得更小，初始步长设置更小。注意，初始步长要小于最大值，同时，将仿真步长设得更短后，仿真的速度也会相应变得更慢。

2.4 构建内容与考核方式多元化的在线实验课程教学体系

将新的教育教学模式融入实验教学中，以学生为中心，突破传统的教学空间，扩展教学模式和教学手段，进行教学资源整合、拓展和优化，构建内容与考核方式多元法的在线实验课程教学体系［11-12］。

目前我校电工电子实验，根据难易程度，可以分为基础实验模块与综合性设计实验模块。针对在线实验，学生容易作弊的缺陷以及为了培养学生运用知识的综合能力和创新意识，发挥主观能动性，可以适当减少基础性实验，增设研究探索型设计实验。研究探索型设计实验要求学生根据拟定的实验要求，完成资料查阅、实验方案筛选、器件选择、电路仿真调试、设计报告提交等全部功能，能够极大增强学生的积极性，提高学生实验内容的深度和广度、实验的质量、效率和灵活性［13-14］。为了提高学生的参与度与积极性，可以将研究探索型设计实验的考核分值提高到20%。

实验考试采用在线自主综合实验的形式，人手1题，内容不一，难度比平时实验要求稍高，在规定的时间内完成。考试时，学生开启手机腾讯会议作为监控，在电脑上进行仿真模拟考试，在规定的时间完成后，再将仿真实验图和相关实验结果的电子版传到老师邮箱，由于时间紧，题目不一，基本杜绝了作弊的可能性。因为腾讯会议可以记录考试过程，仿真实验也更具可复现性，因此，老师更能仔细考查学生的综合能力［15-16］，包括：① 学生的动手能力和独立思考的能力。是否能够自主地进行实验？是否能够正确地使用有关仪器和设备；是否能独立思考解决实验中出现的一些简单的问题和小故障。② 学生设计实验的能力。实验原理图是否设计正确；实验步骤、实验数据和记录数据的表格是否恰当。③ 实验是否成功；数据是否合理。

通过增设研究探索型实验（20%）与综合性实验考查（40%），结合平时的实验报告和实验过程（40%），基本上能够全面评估与考查一个学生真实的实验水平和综合实验能力，给学生一个全面客观的评价。

3 结 语

电工与电子技术实验采用网上在线实验方式，具有授排课方便、安全、节约成本、不存在接触不良的问题。实验结果和波形更稳定、接线更规整、易于检查、可以进行破坏性实验的优点。实践表明，通过选择合适的仿真与教学软件，事先调整教学内容、做好难点的准备工作，做好示范性演示工作和建立易错知识库，选择合适的教学方式，增设探究性实验，构建实验内容与考核方式多元法的实验课程教学体系，可以较好地完成电工与电子技术实验课程的线上教学工作，相关研究与实践为电工学实验的教学改革提供了可以借鉴的思路。