OBE理念下“虚实结合”的电路分析实验教学探索与实践

张帝，周小杰，权悦，孙雯，国海，胡福志，丁西明

（安徽科技学院电气与电子工程学院，安徽蚌埠，233100）

0 引言

实验教学是高等学校学生借助仪器设备进行实践性教学的一种组织形式，通过将课程所学理论知识运用于实践，可以提高学生动手能力，培养其工程实践能力，是人才培养方案体系中不可或缺的关键教学环节。近些年来，随着国家积极推进新工科建设，对未来人才的工程实践能力提出了更高要求，而实验教学对于该能力的培养起到关键性作用。因此实验教学质量的好坏决定新工科人才的培养质量。成果导向教育（Outcomes-Based Education，简称 OBE）是以学习产出或者成果为导向并对整个教学过程进行设计和评价的先进教学理念。即通过设定预期学习目标和学习成果，围绕成果导向为核心将所有教学计划和课程内容进行精心组织和持续改进，让课程学习达到预期效果，使得学生获得最大能力，从而完成教学目标提高实验教学质量[1][2]。基于OBE理念的工程实验教学则有利于培养学生理论与实践结合的能力，有利于实验教学质量的提高，满足新工科背景下对于工程教育的要求以及新时代新工科人才培养质量的提升[3]。

电路分析实验是我校电气工程专业的的一门专业基础课程。其教学目标是在理论教学基础上通过实验对电路理论进行实验验证，在实验过程中通过运用所学电路基本分析方法对电路问题进行分析。实验教学可以使学生能够得到基本的工程实践锻炼。但是目前传统的电路分析实验教学还停留在以教师为主，学生被动模仿老师实验的阶段，缺乏自主实践探究能力。因此对电路分析实验进行教学改革显得尤为必要。

1 传统电路实验教学现状分析

传统的电路分析实验教学模式已逐渐不能适应新工科背景下对于工程实践能力的要求，同时落后于信息化教学的发展，课本上的实验内容也过于陈旧，无法紧跟技术前沿，存在诸多客观问题，导致教学效果逐年下降。通过在教学过程中调研及与老教师交流发现，归纳总结存在问题如下：

1.1 实验内容陈旧，缺乏项目实践，教学内容亟待更新

传统的电路分析实验教学内容在不同专业的培养方案中所占学时有所差异，主要包括非线性元件的伏安特性分析、戴维宁定理及其他定理的验证等，实验内容总体上较为单一且大多数为验证性实验，探索性不强，同时缺乏创新设计内容，实验过程主要以教师现场讲述和演示为主，通过实验操作完成原理性内容验证之后，学生受制于有限的实验教学内容，往往不会引发进一步的思考，缺乏进一步提高能力的发挥空间[4]。此外，实验内容大都局限于书本上的内容，无法和实际的工程应用有所联系，学生的项目实践能力无法得到锻炼。因此，电路分析实验教学内容亟待更新，深刻挖掘实验内容与所学专业及工程项目间的内在联系，在实验中激发学生动手实践积极性。

1.2 教学设施有限，分组实验较多，独立自主有待加强

目前我校电路分析实验室所使用的的是2015年购置的求是教学仪器设备，实验设施较为老旧。且由于学校经费有限，所购实验设备数量为25台左右，其中还有部分实验台损坏，每次上课学生平均人数为40到50人左右，因此在实验过程中常以2 -3人为一组进行实验，无法做到每个人独立完成实验，常导致一个小组中只有一个人做实验，其他组员在旁围观的状态。另外，由于现有的实验设备功能有限，无法满足学生工程项目实践的需求。总之教学设施的陈旧和落后以及分组实验限制了对学生的独立自主实验能力的培养，背离高校培养应用型人才的目标。

1.3 教学手段单一，信息化教学不足，有效产出无法衡量

目前的实验教学主要是在固定的实验教室内进行，授课老师将提前编制好的实验指导书发给学生。实验教学过程通常首先由教师讲解实验原理，实验目的和实验内容，接着教师进行相关仪器操作演示，之后学生根据老师的演示过程和步骤进行简单模仿和复制，被动的完成实验测试任务。整个实验过程中，均是以教师讲授为主学生被动接受的方式进行，教学手段较为单一，学生在有限的课堂时间内往往不能对电路中元器件参数有较为深刻的分析。由于对实验器材的不熟悉在实验过程中会因操作不当导致电路故障，且不能及时发现并排除故障，从而影响实验的效率和结果。信息化教学则可以弥补这一不足，并能够很好衡量和评价学生的实验预习和实验探究能力。

1.4 考核方式落后，问题反馈不畅，过程考核尚需规范

电路分析实验课程的考核方式主要是根据学生平时的出勤率和实验报告完成情况给出评分。考核方式较为单一，并没有对学生的操作过程和实验技能进行全面综合的考察和评价。在实验过程中遇到的问题往往也不能及时反馈给老师，由于老师面对的学生较多，且还要负责实验授课和课堂纪律，与学生互动交流的时间十分有限，因此老师在实验教学过程中很难全面掌握每个人的实验过程，无法对学习效果进行评估监控，从而做出进一步的教学调整。师生间缺乏高效的问题反馈渠道和互动交流空间。整个实验的考核评价过程侧重于结果评价，而缺乏过程性考核和监控。

2 《电路分析》OBE理念实验教学模式设计

针对上述实验中存在的主要问题和矛盾，本文提出了融合OBE理念的虚实结合的实验教学模式，在此模式下建立以仿真预学、课上实验、课后探究为三位一体的实验教学法，不仅可以解决传统教学模式出现的问题，还能拓宽学生的专业视野和加强实验技能，变被动为主动学习，有效激发学生的学习兴趣，培养并提升学生发现问题及解决问题的能力[5]。具体教学改革策略如下。

2.1 根据人才培养目标，优化教学内容，更新教学模式

根据我校对电气类专业制定的人才培养方案和既定目标，要求学生在掌握电学理论知识的同时，能够将理论与实践结合，解决实际电路设计和应用中出现的问题。根据这一目标，在OBE理念下，在已有教学内容基础框架下，优化并增添综合性、设计性实验项目，弥补验证性实验无法培养学生探究分析能力的不足。此外可根据不同学情的学生，建立层次化的实验教学内容，既有基础的验证性实验内容，又有学科相关的工程实践类综合性、创新性实验项目，让学生根据自身情况挑战不同阶次实验模块，践行OBE和工程教育认证的先进教学理念。

2.2 增加教学手段，创新教学方法，提升教学质量

为了激发学生动手实验的积极性和乐于实践的兴趣，在充分调研后，结合现有教学条件的不足，创新教学手段，引入信息化教学。在实验课堂外打造虚拟实验室作为第二课堂。利用学生电脑安装电路仿真软件Multisim，借助虚拟仿真环境提前搭建实验电路，在线下实际操作前就能熟悉实验原理和过程。实验课堂中通过实验仪器测得的实际结果还可与仿真结果相比较，从而快速定位和发现电路故障和问题。降低调试电路时间，从而可更加专注于实验原理和进一步的探究。此外可借助学习通、Mooc等线上资源辅助学生预习，课堂考勤，课后学习效果记录与反馈，构建OBE理念下虚实结合实验室的全程教学监控和反馈通道[6]。辅助教师及时调整教学策略和教学进度。

2.3 改善教学条件，融入工程实践，培养工程意识

因实验室条件的不足，实验仪器设备有限且大都陈旧，影响实验效果。因此在我校即将专业认证的背景下，积极申报实验教学改革项目，通过项目申请获取经费改善相应课程的实验教学条件。同时为了培养学生的工程实践意识，在实验教学环节，还可不定期邀请校外企业相关学科或专业工程师来校指导，积极和地方企业合作，推动校企联合共建实验室，在实验教学中融入工程实践元素，培养学生工程意识，促进以OBE为导向的工程人才培养。

2.4 以应用型人才目标为导向，构建多元化考核机制

OBE理念是以结果为导向进行人才培养方案和教学过程的设计，因此科学的教学评价和考核机制决定了OBE理念教学的效果。为此打破传统单一实验教学考核模式，从学生主体性出发，注重过程与结果相结合的考核导向，将考核评价贯穿实验全程，如加入对学生提前预学环节的考察，这部分主要可以通过线上提交仿真实验作业进行评价；另外线上虚拟仿真实验的进行以及线上考勤均可缩短线下实验过程时间，从而可为教师考核学生实验操作表现节省了时间。最后实验考试通过布置综合性的设计项目来考察学生的综合实验设计能力和动手能力，实现多方位的全面考核[7]。

2.5 教学实践实例

下面以课程中经典的基尔霍夫定律实验为例，对OBE理念下虚实结合实验的教学开展进行介绍。具体开展步骤如图2所示。

（1）首先在学习通上或者通过QQ群，发布上课前的课程教学任务，即验证基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。预习相关理论知识并引导学生在各自电脑上安装Multisim软件。教师发布基尔霍夫定律练习题，学生上传软件安装成功截图到学习通，从而评测学生预习任务完成情况。

（2）在学习通上，给出实验电路，如图1所示。标出关键检测节点和电流参考方向，发布实验内容和预期目标，将Multisim学习资料和资源通过线上发布，积极引导学生在Multisim搭建电路并完成线上实验。

图1 基尔霍夫定律实验电路

（3）在完成线上实验的基础上，在线下实验室，根据实验指导书的内容给学生重点讲解基尔霍夫定律实验验证过程中出现的问题，总结学生线上实验的结果。鼓励学生在线上实验的基础上举一反三，独立完成线下实际电路实验的接线和定律验证，增强理论与实践相结合、线上与线下相促进、虚拟与实操相统一的能力。

（4）完成线上线下实验后，要对学生的实验过程进行综合评价。主要通过OBE理念布置与本次实验教学相关性较大的基尔霍夫定律为主题，验证特殊条件下，即含有受控源的情况下，基尔霍夫定律是否满足，以及该如何验证。线上系统的自动记录学生的学习过程占比30%，线下实验室操作成绩50%、出勤/课堂表现10%、学生互评占比10%。综合评价方式多元且能够保证评公平有效。

3 实践效果

通过OBE理念建立线上线下的虚实相结合的电路分析实验教学模式，在实际教学过程中，取得了较好的教学效果。学生在软件仿真实验的基础上学会了Multisim仿真软件的应用，在此基础上也结合课堂实验巩固实验原理的理解，了解真实实验环境干扰因素。基于虚实结合实验室的建立和应用，学生具备了基本电路的设计和分析能力，具有虚拟环境与实际环境的转换与应用能力，满足虚实结合环境的构建目的。

图2 OBE理念虚实结合实验架构及开展步骤

4 结语

本文以工程人才培养为目标，依托OBE理念构建虚实结合的电路分析教学模式，对实验室教学环节中的设计性、综合性实验融入OBE人才培养理念，着重解决传统教学模式中重验证、轻探索的问题。通过改进教学手段和优化教学内容和考核方式，将线上教学优势与线下课堂相结合，锻炼学生理论与实践相结合，虚拟与实操相促进、过程与结果相贯穿的能力。为后续学生将电路知识应用于工程实践打下坚实基础。