《电路实验》课程教改探索

孙曼，宋黎明，沈烨，徐航，徐雪梅

（四川大学 电气工程学院，四川 成都）

《电路实验》是与高等院校电专业入门基础课程《电路原理》相关的一门实验课程，学习目的在于加深学生对电路相关定理和方法的理解、掌握和运用。众所周知，实验是理论联系实践的重要环节，是将所学理论知识由浅层的理解到深层次的掌握应用的重要步骤。传统的电路实验集中于验证性实验，同时传统实验方式是在实验室进行实物实验，对实验场地和仪器设备均有要求，随着网络、多媒体、电脑动画以及各种电路仿真软件等辅助教学工具的应用，验证性实验环节挑战度低，内容重复，实验手段单一，越来越难以吸引学生兴趣。

“新工科”建设要求实验课程不仅要加深学生对所学理论知识的理解，更重要的是通过启发性、综合性、设计型、应用型实验，开启学生思路，将所学的理论知识应用到工程实践中，为培养“三创”（创新、创意、创业）人才打下基础[1-4]。显然传统的电路实验已经延续了十几年时间不变，没有有效地运用最新的科技前沿技术和相关软件，不管是实验内容还是实验手段，都需要进行改进，紧跟“新工科”建设要求。

一 教改背景

我校《电路实验》课程主要包含以下8个基础实验内容：

1.元件伏安特性测试实验，对电阻包括线性电路和非线性电阻（半导体二极管）测试其伏安关系，验证欧姆定理。

2.叠加定理及戴维南定理验证实验，用一个简单电路，验证上述定理的正确性。

3.直流电路故障排查实验，对给定直流故障电路排查故障，锻炼对直流故障电路检查、排障能力。

4.运算放大器电路实验，用741芯片搭建电压放大器，验证输入输出关系，检查学生对运放电路的掌握。

5.一阶RC电路实验，测试时间常识及动态过程的响应曲线。

6.日光灯电路及功率因数提高实验，日光灯电路是感性电路，对其并联电容可提高功率因数，实验主要验证并联电容参数与功率因数提高的关系。

7.交流电路故障排查实验，对给定交流故障电路排查故障，锻炼对交流故障电路检查、排障能力。

8.三相交流电路功率测量实验，测量对称、不对称三相电路，验证其线、相电压、电流关系。

可以看出：除了交、直流电路故障排查实验外，其余实验基本上都属于验证型实验，主要是对《电路原理》课程所学定理和方法进行实验验证。实验方式延续了传统的实验方式即教师编写实验讲义，指定实验步骤，学生按既定步骤使用仪表进行测试，将测试数据填入实验报告中，完成数据分析即为完成实验。这些实验内容和实验方式已经延续了十几年，在教学过程中，反映出诸多不足，总结传统实验的短处主要集中在以下几个方面[5-7]。

1.实验内容过于简单并且重复。比如元件伏安特性测试实验，其中关于线性电阻的测量及欧姆定理验证，在中学物理刚开始学习电阻时，已经有类似实验，在大学物理“电学”实验里同样开设有这个实验，到电路实验时，电阻的测量已经进行了至少3次了，学生觉得内容重复，缺乏吸引力，从而产生厌倦情绪。同样的，叠加定理实验，因为理论课老师在课堂上，从定理到证明，从理论到计算，利用动图动画和课件，讲得非常透彻。在实验室再来对一个简单电路验证叠加定理，对学生来说缺乏挑战度，难以提高实验课程对学生的吸引力。

2.实验手段局限造成实验有“漏洞”，达不到实验目的。比如直流电路故障排查实验，本来实验开设的初衷是教会学生如何排查实际电路故障。为此，该实验对于一个既定电路，针对不同的故障情况做了很多实验板子。每个实验小组领一块板子自行测量。这个实验是一个难得的有实际工程应用背景的实验，应该说是一个非常好的实验。但是在做板子的时候，考虑到电流表需要串联接入各支路，各支路需要留出电流插孔，这就导致做成的电路板子并不是与实际电路一样是用导线连起来的一个整体，而是“分离”的，需要学生先将电路及仪表连接后，再进行测试。学生做实验时只要发现了这个“漏洞”，只需要对每条支路（总支路数8条）简单测一下电阻即可找出故障电阻，与实际电路排障方法需要多点进行测试，然后还要进行计算，才能找出故障点相比，“走捷径”简单、快捷，省时省力，学生在发现此“捷径”后，很难弃之不用。而目前还没有更好的方法可以在实物实验中避免此漏洞。

3.传统实验缺乏有效的预习手段。因为实验场地及仪器设备台套数限制，传统实验预习方式主要是要求学生自行观看实验讲义，预先了解实验内容。这种预习方式对于稍微复杂的实验，起的作用不大。比如对于三相电路实验，因为是强电实验，为了安全考虑，每相电路安装了保险丝，总闸处又装了空气开关，加了多重保险。实际实验时，一堂实验课有30个左右实验小组，每个实验小组烧掉保险丝少则2、3个，多的则达7、8个；同时几乎每组都会烧掉做负载用的灯泡；空气开关更是要跳闸十几次。虽然从理论到实践中间还需要有知识和经验积累的过程，但是这么大的失误率，反映了学生对实验内容没有有效的预习，对实验内容不了解，出了错误之后也不知道找原因，造成反复烧保险或跳闸。经问卷调查，大部分学生对于电路实验既不预习也不复习，实验课照着教师讲解按部就班完成数据测试，实验完成后，对于实验原理和实验目的都知之甚少，基本上是被动地完成任务而不是主动学习。

综上，我校电路实验内容延续了十几年甚至更长时间，实验内容和手段已经跟不上“新工科”建设的要求，在学生中问卷调查发现，学生对实验课程的不满意率远高于理论课程。对实验进行教改的要求迫在眉睫。

二 教改历史

从14年开始，课程组根据“新工科”建设要求，陆续对“电路实验”进行教改，增加设计性环节，减少验证性实验。比如将电阻测量改为利用电阻串联分压、并联分流原理的磁电式电压表设计，将运算放大器电路实验改为电压（电流）放大器设计。但实际运行发现效果不好[5-7]：具体表现为设计性实验绝大部分学生无法完成。究其原因，主要在于以下两点：

1.由于实验课时的限制，简单删除验证性实验，粗暴的替换为设计性环节，不可取。因为对于没有任何工程经验的大学低年级学生，才开始“电路”课程的学习，刚刚才学会对简单电路进行计算，直接改验证性实验为设计性实验，要求其设计一个电路，比如要求一个才开始学习吃饭的小孩去当厨师做饭，显然难以完成。

2.没有电路仿真软件辅助，完全靠学生动手计算，即使是简单电路，工作量也比较大。再加上学生如果没有预习，在实验室又无法查资料，要在既定的2、3个实验学时内完成从设计到测试的过程非常困难。

三 教改探索

对于专业基础实验课程，如何在有限的课时内，既引入设计性环节，又考虑学生的水平和接受能力，使得绝大多数学生能够完成该环节，“设计性”的程度如何选择？总结以往教改经验表明：设计性环节最好是理论课程已经学过内容的实际运用；不需要设计一个全新的电路。考虑给出应用电路，学生只需根据要求设计电路参数。学生在“电路原理”课程已经学习了电路的相关计算分析方法，只是调节电路参数的话，是完全可以完成的。在设计环节中改变电路参数，可以利用电路仿真软件实现。仿真相当于进行了虚拟实验和实验预习，弥补了实物实验对场地和仪器设备的要求。

综上，电路实验课程主要从以下几方面进行教改：

1.将过于简单的验证性实验内容改为设计性环节。比如将电阻元件伏安关系测试实验改为设计直流单电桥测试电阻或者是设计电路改变磁电式表头电流（电压）量限。这两个设计中用到的直流单电桥电路和电阻分压分流电路，在《电路原理》课程上学生已经学过。在这里学生只需选择合适的电阻值完成电路设计要求即可。具体选择什么参数合适？需要学生在预习环节，先进行计算或利用电路仿真软件确定。到实验室根据既定参数把实物电路搭建出来验证仿真结果即可。同样的将叠加定理验证实验改为电平移动器电路设计、将一阶RC电路实验改为定时器电路设计。这样实验具有一定的实际工程应用背景，学生知道实验内容是有用的，能用在什么地方，做完会有一定成就感，提高对课程的学习兴趣。

2.本身有“漏洞”的实验和难度较大的强电实验，均要求学生先进行仿真。比如交、直流电路故障排查实验，利用仿真模拟典型故障情况下的测试。在实测时，将实测数据与仿真数据对比，得出故障详情。电路仿真的虚拟实验可以弥补实物实验的“漏洞”，避免了学生“走捷径”，达到电路排障训练的目的。难度较大的强电实验比如三相电路实验，同样要求学生先进行仿真，按照实验步骤，先仿真进行虚拟实验，这样可以保证学生对实验内容和方法都了解的情况下进入实验，减少误操作，提高实验效率。

3.学生必须先提交对电路进行仿真及参数选择的预习报告后才能进入实验室完成实物实验。预习报告在总成绩中的占比提高到50%以上。电路仿真软件的使用并不占用实验学时，通过发布视频或者使用说明文档等方式供学生自学，也可以以课后作业的方式发布给学生，学生课后花一两个学时即可掌握使用。同时在预习环节，学生可能遇到的问题都可以通过QQ或超星学习通的讨论区发布，其他同学和教师均可参与讨论[8-11]，理清思路。

经过21年春季学期试运行，反响效果比较好，主要表现在：（1）预习环节，提问的学生增多，代表学生在有效的预习，改变了以往学生实验前不预习，也提不出问题，实验过程中，问题一大堆的局面；（2）学生进行电路仿真后，再根据仿真的参数做实物实验，大大缩短实物实验的时间以及减少实验耗材的浪费，说明大多数问题在预习环节已经解决了；（3）有工程应用背景的设计性环节的加入，开阔了学生眼界，所学理论知识与实践联系了起来，学生知道所学的知识能够用在什么地方，做完实验有较大的获得感和成就感。

四 结语

对于才开始接触电专业基础知识的大学一年级学生，即便是简单电路设计，由于学识、眼界、经验和知识积累等原因，让其独立完成也非常困难。在前期教改中一味增加设计性环节，又缺乏良好的预习手段，要在2、3个实验学时内完成从设计到测试一系列任务，绝大部分学生不能完成。电路实验教改首先将具有实际工程应用背景的设计性实验环节替换单纯验证性实验，将所学理论知识与工程实际联系起来，提高实验挑战度，同时设计性环节考虑实验对象的接受程度，集中在电路参数的选择上，以降低设计难度。其次利用电路仿真软件，完成设计性环节，并实现实验预习。从2021年春季学期开始，按照上述思路，部分替换了原电路实验。比较明显的效果在于：一方面能够发现问题并提出问题的学生增多，另一方面因为设计性环节集中在预习阶段，实物实验时间缩短，不能在既定学时内完成实验内容的现象基本上不再发生，很大程度上缓解了实验场地和仪器设备的紧张，减轻了实验教师的压力。但考虑到本实验教改方案仅运行一个学期，“虚拟实验”部分代替了实物实验，这种代替效果目前看来还可以，但还需在后续的教学工作中，根据学生反馈做出进一步调整，将实验教改的工作继续深化。