“电路理论基础实验”线上教学的探索与实践

顾俏丽，杨文荣，裘之亮，董 超，李 英

（1.河北工业大学 电气工程学院，天津300130；2.国机重工集团国际装备有限公司，北京100176）

0 引言

突发而至的新冠肺炎疫情防控使得全国乃至全世界的学校教学模式从2020年春季开始，被强制纳入线上教学模式［1］。传统的线下实验教学因需要借助实验设备，受到时间、空间等方面的现实局限，在恢复正常实验教学日期不明朗的前提下，需要有新的方法来满足大学生实验教学的要求［2～3］。如何利用现有的信息技术转换教学模式，将实验搬到线上，并能有效调动学生的学习积极性，完整的还原和实现各个实验环节，充分发挥线上资源的优势对实验内容进行适当的扩充和提升，已经成为当前亟待解决的问题。

本文将详细介绍在延期开学期间，我院基于北京润尼尔网络科技有限公司提供的“电路分析虚拟实验室”，结合线上交流媒介，为学生构建的立体的线上实验课。本文还对线上实验课的教学效果以及存在的问题进行了评价分析，旨在对线上实验课的广泛开展提供一定借鉴作用。

1 虚拟实验教学平台与实验课程的结合

我校“电路理论基础实验”课程是电子信息、自动化等信息类专业学生接触的第一门专业基础实验必修课，课程为20学时，包含10个实验。该课程旨在帮助学生巩固并加深对所学理论知识的理解，掌握基本电路的测量、分析方法，其教学效果的好坏直接影响到“模拟、数字电路实验”等后继实验课程的开设［4～5］。

经过资源对比，我们选择的虚拟实验平台为北京润尼尔网络科技有限公司针对“电路分析”实验课程，配套开发的开放式网上电路分析虚拟实验室。仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，提供相似的实验环境，学生可以自主选择逻辑器件或者电路元件搭建电路进行仿真实验。

虚拟实验室提供了108个实验元件和16个典型实验案例，将实验教学计划和平台资源充分融合后，我们可将实验分为三类，完成10个原教学计划其中的8个：典型实验案例中可直接使用的4个；实验内容相对简单需进行扩充的2个；提供的实验列表中没有，但是借助实验平台可独立设计完成的2个。由于条件限制，2个交流电路的实验需返校后到实验室完成或利用其它实验替换。实验计划每周开放一个，学生可自主选择课余时间完成，内容与授课计划保持一致。

2 线上实验教学实践操作

疫情环境下，随着授课形式的改变，实验室教师的职责也相应的发生转变。

2.1 教师课前准备工作

课前无需再准备相关实验器材，但需要提前熟悉虚拟实验环境，通过亲自搭建各个实验电路，逐步操作并试错，找出学生的易错点和实验注意事项；及时发现个别实验过程中，虚拟实验环境需要的特殊操作规范或与常规实际情况不相符之处；制作与课程有关的实验讲义、PPT或视频讲解；合理安排学习进度，通过网络及时发布相关学习材料。

2.2 虚拟仿真实验操作

学生通过自主学习教师发布的相关课程资源后，即可通过登录相关网址进入虚拟仿真实验平台开始独立的实验操作。图1为实验台页面截图。

图1 实验台

“电路分析虚拟实验室”系统总体框架包含：元件库、实验台、属性栏和菜单栏。实验台居中，学生可从左侧元件库选择器材构建电路。选中相应元件，通过右侧属性栏可修改显示标签、设置参数。点击上方菜单栏下的虚拟仪器标签，可在电路中加入示波器、电压表、电流表等虚拟仪表。通过点击鼠标可完成元件连接，电路搭建完成后，点击运行按钮，即可进行实验的仿真运算，等待运行结果显示。

如电路搭建有误，仪表示数不正确甚至不显示，学生可根据不正确的数据预判错误点，检查连接是否正常，元件参数是否正确。有一些特殊事项需提醒学生注意，如：实验运行过程中不可进行修改参数、标签等设置操作，需先停止程序后进行；尽量确保有接地端等，这些都会导致误操作或结果出错。如反复检查后未能自行解决，可进一步求助教师或同学，进行线上交流和讨论。实验完毕后学生可在实验台下方实验内容部分填写相关表格，上传要求图片完成实验报告并提交。

2.3 线上教学

从课上以教师讲授为主、面对面指导转变为教师辅导为主，学生自主学习与师生合作学习相结合的线上学习方式。学生通过自主学习相关实验课程资源，获得对实验内容、实验操作以及注意事项等的初步认识和基本了解。教师应及时组织线上答疑，针对学习或实验操作中存在的疑问，通过师生或生生互动释疑，使学生走出认知误区，实现自主学习与合作学习的有机结合，同时可实现教师线上监督学生的学习进度和质量。

2.4 实验考核

登录教师端可在实验提交列表中查看已提交同学的相关信息，系统通过智能批改给出预判成绩，教师可手动批改进行成绩修正。教师可进入对应学生的实验台查看电路，给出实验成绩，在线批改实验报告，给出报告成绩。通过预设的实验成绩与报告成绩的比例得到总成绩，提交后录入系统。点击发布成绩后，学生可登录账号查看成绩，通过教师的批注和评语检查电路和报告内容的错误之处。图2为已批改的实验报告内容。

图2 实验报告

3 线上实验教学的效果及评价

3.1 线上实验的优点

日前已按进度在线完成4个实验，并对学生进行匿名问卷调查，综合各个实验完成情况和学生反馈可分析得出：

1）验证性实验通过仿真基本可以达到实验目的

类似于“基尔霍夫定律的验证”和“叠加定理的验证”这种基础性的验证实验，实验电路较简单，学生搭建好电路后即可利用虚拟平台模拟电压表和电流表的运行，测量数据进行验证。一些注意事项如需注意直流仪表的正负极性同样适用，操作过程简单、目的明了。而且可避免实际实验时，由于学生的一些误操作如直接短接电压源、电流表而造成的仪器仪表的毁坏。匿名问卷调查结果显示，超过90%的同学认为通过实验平台能达到实验目的，如图3所示。

图3 学生对验证性实验的反馈

2）可以实现仪器仪表功能熟悉和使用练习

在“数字万用表、信号发生器与示波器的使用”这个实验中，平台模拟了万用表和各个类型的信号发生器与示波器的面板与操作。通过问卷调查发现大约70%的同学认为实验界面清晰，控制面板还原度很高，使学生能达到在实验室真实操作的目的，但部分学生反映操作过程不够顺畅，如图4所示。

图4 学生对仪表类实验的反馈

3）线上实验安排灵活，生生交流顺畅

不需要统一安排实验时间，学生可自主利用课余时间随时进行实验并且操作时间不限时。学生除了完成既定实验内容外，还可以改变某一实验条件或加入新仪表，自主设计并验证相关实验内容，大大提高了学生的能动性和创新力。线上交流答疑时，很多同学会在群里积极参与交流与纠错，共享自己的经验或小窍门。遇到问题或特殊情况如系统故障时，会互相打气鼓励，气氛活跃。文献［6］总结了“非典”时期的线上学习经验，得到结论：许多学生认为网络教育可以“畅所欲言”，还可以“结交朋友”和“解除疑问、增长知识”，可见，合理利用线上形式，可消除老师固有的“呆板”和畏惧感，能加强师生间的理解，提高学生的学习兴趣和主动性。

4）学生报告记录完整，考核方便

批改实验环节，在教师端可同时查看学生的实验台和数据。教师能够检查学生是否搭建电路，避免个别同学作弊直接抄数据的行为。教师批改实验报告时能标对号和错号，做批注、留评语给出建议，操作方式多样、方便。通过检查电路正确与否和批改数据，可发现学生的操作误区和知识点掌握不牢固之处。批改成绩结束后，可根据实验完成情况进行总结，制作完成新的学习资源结合正确答案发放，帮助学生梳理本次实验的知识点，纠正学生搭建电路的不规范之处，完成纠错和知识的巩固吸收。

3.2 线上实验的不足之处

与实际操作相比，虚拟实验不可避免的存在一些缺点。

1）个别元件参数理想化

例一，实际受控源输入端接入电流和电压不能过高，电流应小于0.5 mA，电压应小于5 V，否则会烧毁芯片，而软件库中的模拟受控源，输入端接入的电压、电流数值大小可任意设置，没有上限，输出端按原理可测得无限大的电压或电流，与实际不符。在实验过程中，个别粗心的同学由于没有注意电流单位或实验要求，输入端电流设置了安培级别的电流，仿真仍可正常进行，从而导致结果错误。例二，某个实验的测量结果与理论结果完全一致，误差为0，细心的同学难免会质疑实验数据的可靠性。

2）个别仪表操作规范与实际不同

例用示波器连接信号发生器与观察波形时，两个仪表的数据变化不能实时同步。实际操作时改变信号发生器的参数设置即可在示波器端同步观察波形的改变，而在模拟环境下，需停止实验，关闭信号发生器，重新打开信号发生器，设置新参数，示波器波形才会更新。如果不停止实验直接修改信号参数，或不关闭信号发生器直接修改参数，示波器波形都不会更新，仍旧保持上一个观察的波形。所以实验过程中如果操作不规范，波形结果就会不正确，学生在连续操作过程中难免出错，造成困扰。另外系统不能模拟一些参数的连续变化，如有的步骤需要连续调节电阻或电流以找到某个特定的合适的电阻或电压值，模拟时只能不停的停止程序、试数如此往复。

3）其他情况

由于实验资源大，比较耗费服务器，当学生集中在线实验，访问人数过多时，服务器压力过大，会出现暂存或提交失败，导致已填写的数据或图片丢失，影响学生正常使用和心情，需错峰使用并注意及时清理浏览器缓存，多暂存，提前截图或拍照片保存备用。另外线上实验要求网络和电脑，一些家庭特殊或偏远地方的学生不满足；平台对电脑系统和配置有要求，一些同学的电脑达不到。

4 结语

运用虚拟实验平台开展线上实验教学对于大多数学生和教师来说是一种新生事物，它不仅是最大限度减少疫情对正常教学影响所采取的应急措施，也是运用信息技术拓展学习途径、转变学习方式、培养学生自主学习的一种积极尝试。授课方式的转变需要教师群策群力，提前认真“备课”，精心设计教学内容，保证线上交流和答疑，监督学生按时保质量完成各项任务；需要学生作为学习主体，变被动为主动，养成正确的学习方法和较强的自学能力，激发学习兴趣，利用虚拟仿真平台在玩中学、学中做，实现理论知识的学习和动手能力的双重提升。通过图5和图6我们可以看到，线上实验得到了大概70%同学的认可，很多同学评价良好。作为特殊时期停课不停学的解决途径，虚拟实验平台能满足本实验课程大部分内容的要求，充分保障实验教学的内容和质量的同时，也促进了学生的自主学习能力。线上理论教学发展已久，实验教学也可以借鉴，基础的简单的验证实验和一些仪表的使用练习可放到线上完成，也可以课下留一部分扩充或综合设计实验到网上模拟，灵活机动。

图5 学生认可度调查

图6 学生评语