虚实结合的电路实验教学建设与应用

摘要：电路实验内容过于復杂，如果依旧坚持传统的实地实验教学模式，对学生知识迁移能力的形成没有过多益处。电路实验教学应该在教育改革深化推进的背景下，加强信息技术在实验教学活动中的应用程度，将线上教育和线下教学相结合，建立跨越时间、空间与平台资源共享的环境，根据技术发展路线，开发仿真类实验项目。学校应该根据学生能力培养需求与课程教育要求，建立囊括直播上课、慕课预习、虚拟仿真、远程实验等方式的教学模式，科学地应用现代技术，促使学生可以良好地参与到课程活动中，从中得到良好训练，拥有夯实理论基础同时，也具备较强的动手操作能力。

关键词：虚拟仿真 在线实验教学平台 线下操作应用 电路实验教学

中图分类号：G642.423文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

电路实验对自动化、电子、电气等专业而言均有不小的作用，为此类专业基础实验课程，与理论知识抽象的呈现方式不同，将课程内容以实际操作的方式呈现出来，注重学生创新能力的培养、实验技能的训练。我国院校在国家提出最新人才发展规划方案后，需要深化推进教学改革工程与教学质量工程，完成教育教学改革任务，提高实践操作方面的比重，关注人才培养工作，重新梳理教学内容，改进课程教育模式，加强对各类资源统筹管理力度，设计更加科学、有效的实验活动方案，可以强化学生对专业知识的应用能力，更好地完成各类实验任务，形成较强的动手操作能力。

1实验教学模式

实验系列的教师按照国家在专业人才培养方面提出的要求，深入分析过往的教学模式，发现影响教育工作的因素，借助信息技术与网络技术，调整电路实验方面的教育资源，推进课程教育改革工作，提高电路实践教育的有效性。实验教师团队需要获得院校在资金方面的支持，增设远程实验管理系统和实验项目，将线上教育和线下教学相结合，建立跨越时间、空间与平台资源共享的环境，为实验教学良好开展提供条件;在电路实验教学中引入前沿学科知识和技术，根据技术发展路线，开发仿真类实验项目。仿真类实验项目会从学科知识、教学要求与技术持有情况等层面入手，创新多种综合性、设计性、创新性的实验;研究传统实操类实验项目，梳理实验项目中的知识点，科学地编排知识点并将其制作成慕课，上传至网络学习平台。学生可以利用闲暇时间观看慕课，合理应用碎片化时间，增加对课程内容的了解程度;对于强电实验项目，为了提高学生对相关知识的应用能力，一般会选择实操活动，帮助学生掌握技能技术的应用方式。对于电路实验教学，选择虚实结合的方式，在网络、信息等技术应用环节，不能仅从技术引入程度层面考量，还需要设计实操教学方案。将线上和线下活动结合起来，通过面对面的方式检验线上实验活动效果。选择线下指导、直播上课与线上平台互动交流的方法，让学生从中获得高级体验感，为电路实验教学提供便利条件。在电路实验教学中，信息化技术的应用，应该围绕学生能力培养需求进行设计，通过直播上课、慕课预习、虚拟仿真、远程实验等新构建的教学模式，强化学生实践动手能力，对学生综合素养提升有一定的促进作用[1]。

1.1实验教学形式

在电路实验课程教学没有引入信息技术前，在实验室中推进教育工作，根据排课地点和时间方面的要求，给予学生合理的指导，让学生在实验活动中实践理论课学习的知识。过往将电路实验课程集中在实验室的教学模式，规定实验课程时间，虽然对学生能力与素养培养也有一定的促进作用，但是受到场地的限制，很难满足学生能力培养的需求，学生在实地实验课程中，会产生参与实验活动的兴趣。然而，该种教学模式无法为学生提供有效的平台、学习资源、学习条件，对学生能力延拓会形成一定阻碍[2]。

选择信息化教育手段引导学生学习，让学生在实验教学活动参与环节，在产生实践兴趣的前提下动手。教师围绕电路实验教学内容和教学要求，引入慕课、直播、远程教学、虚拟仿真与综合拓展等方式，从学生能力培养角度出发，按照预习、课上学习、探究与能力培养的逻辑线，关注学生能力与素养培育工作，希望通过以信息化为主的教育手段，借助新型教育模式，给予学生合理指导。在网络信息平台与多元化教育工具的辅助下，可以丰富电路实验课程内容，激发学生参与实验活动的兴趣。选择囊括慕课、直播、远程教学、虚拟仿真与综合拓展等方式的新型教育模式，让学生在电路实验课程参与时，不会受到时间与空间的束缚，激发学生参与课程活动兴趣同时，对学生自主性开发设计能力的形成也有促进作用[3]。

在电路实验教学中选择虚实结合的手段，提高实验教学方式的灵活性，给予学生合理的指导，促使学生快速掌握课程内容。学生开放自主学习、线上直播实验指导为线上教学常采用的方式，也可以将两种方式结合起来，引导学生参与到学习活动中。排课讲解式、实验预约式、自由开放式为上课常采用的形式，教师可以按照学生学习基础、对专业知识的理解速度、专业特点、后续课程需求等元素，从多个角度出发设计教学方案，基于学生视角挑选最适合学生的方案，灵活地使用教学方法，提高学生对电路实验课程的体验感和认同感。电工电子学实验、电路理论实验为不同的课程，两门课程教育对象不同。因此，在教学方案设计与方式选择方面，需要根据学生所处的年级与教学任务，设计对应的教学方案并确定教学方法，给予学生合理的指导。学生在远程实验中，可以按照界面提出的任务，通过计算机操作完成虚拟仿真实验任务。教师在学生完成相关任务后，会共享桌面，为学生演示任务执行的全过程，帮助学生掌握虚拟仿真任务的关键点，让学生更好地理解虚拟仿真实验涉及的知识，对学生实践应用能力的形成有一定的促进作用。教师在远程实验教学中，同时可以借助QQ或钉钉指导学生，与学生沟通，快速了解学生对本次实验仍存在的疑惑，解答学生的困惑[4]。

1.2在线远程实验

电路实验教学从学生能力培养角度出发，积极推进在线远程实验平台建设工作，使用Multisim、Proteus、实验在线共享系统等相关线上平台，围绕电路实验教学要求，进行“实景实验”。Multisim、Proteus、实验在线共享系统为电路实验在线远程平台建设的关键，其拥有将真实测量设备部署与元器件实物转移到实验平台的能力。在线远程实验平台在部署与建设期间，还会从学生实践能力培养角度进行设计，尽可能简化系统登录模块的繁杂性，学生可以通过计算机建立实验电路，按照实验任务要求给出电路参数并进行参数调整的工作，测量实验结果并进行实验验证设计，整理实验阶段出现的现象，最终得到实验结论。进行电路搭建、参数调节、设备测试操作等活动时，应该保证设备操作与远方现场实物器件为一一对应的关系。在线远程实验可以通过摄像头观察设备测试的全过程，获得与实地实验活动相同的实验感觉。借助在线远程实验，对学生操控仪器设备能力的强化有一定的效果，也可以让学生感受到真实电路布线与物理器件等引入的偏差，该情境与真实情境较为相似，对学生解决工程实际问题有一定的益处。学生通过在线远程实验，逐渐养成敏锐的观察力，基于理论课程所学的知识，快速发现实验中存在的问题并进行解决。利用Multisim、Proteus、实验在线共享系统等软硬件，为学生搭建在线远程实验情景，学生依托网络与计算机设备，可以获得真实参与实验的感觉，同时在活动中形成提出问题、探究问题与解决问题的能力[5]。

电路实验教学为构建可以完成在线远程实验任务的场所，在实验中心建立远程实验平台，学生可以登录客户端并按照实验任务操作设备。学生在操作中，摄像头设备起到不小的作用——观测现场，同时在操作界面掌握实验的实时情况，让学生在活动中获得身临其境的感觉，缩小亲自动手实验和线上实验的落差感，合理应用网络信息技术，为学生创造良好的实验环境。在线远程实验平台客户端，在显示界面处涵盖画布区、器件区、示波器与信号源等模块，学生可以按照自身需求进行控制，由此控制摄像头与实验台等设备。学生参与到远程实验活动后，会调取实验指导书，按照其中的指示与要求实验，将器件转移到画布处，选择连线等方式，调整输入与输出设备，设置下发设备与电路。经过相关操作后，可以在控制台界面处观察到实验进行情况，最后掌握实验结果。教师在监测点设定方面，监测点的选择需要按照一定的原则进行，核心目的在于获取真实实验设备数据，比较学生实验活动获得的数据与真实设备数据，反映学生在实验学习活动中的情况，将相关信息反馈到实验指导与教学领域[6]。

电路实验教学对应的在线远程实验模式，其管理系统将会影响到远程实验活动的开展效果。在管理系统中应该增设与教学相关的实验项目，上传原理图、指导书等教学文件，设置实验监测活动需要的波形数据、关键点电压等。学生依托客户端便可以从平台中下载资料学习。在管理系统中学习电路实验中的知识，系统会自动记录实验数据，还可以保证记录数据的可靠性与真实性，凭借相关数据快速完成实验报告。依托在线远程实验平台推进实验活动，教师可以通过后台了解实验活动的开展情况，分析学生在实验中出现的问题，研究学生在实验操作中不规范的行为等。教师利用平台管理系统中的数据，可以分析学生在实验活动中的表现，对教师更新实验项目、完善课件内容有一定的益处。教师在教学活动开展期间，需要合理应用在线管理系统分析学生实验活动数据，整理学生普遍存在的问题并进行重点突破。教师在电路实践活动设计方面，需要适当调整教学课件，由此可以让学生更积极地参与到实验活动中，学生在兴趣驱动下，结合掌握的信息，通过计算机操控实验活动任务[7]。

弱电验证性实验为在线远程实验项目包含的主要内容，比如基尔霍夫定律实验、叠加原理实验、戴维南定理实验、RLC串联谐振电路实验、RC选频网络实验、直流电路定理实验、RLC二阶电路响应实验、RC一阶电路响应等等。教师会选择线上与线下相结合的方法，线下排课并在线上以腾讯课堂直播、QQ群直播、腾讯会议、钉钉直播等方式推进实验教学。教师在线上抛出一个问题，让学生围绕问题进行研讨与探究。教师确定实验内容后，利用网络进行远程控制，关注平台反馈的信息，研究学生在实验活动中存在的问题，给予针对性辅导，细致剖析问题，选择线上与线下相结合的方式，便于教师掌握学生的学习情况，还可以加强师生间的联系，让实验问题的沟通与交流可以高效进行，解决远程线上教育方式，在话题探究方面存在的交流不便捷问题。教师设置在线远程实验项目，还可以为学生推出预约实验的方法，提高相关实验的开放性与自主性[8]。

在线远程实验以信息技术、网络技术为基础，解决空间与时间对电路实验教学的限制，但是也存在一定的弊端。比如，实验平台应用一定量的电子开关，其存在电感与电阻，会对实验线路产生一定影响。电路实验设计时，需要研究电感与电阻对实验线路形成的影响，致使实验结论不能反映实际情况。因此，在远程实验项目设计环节，需要发现实验存在的优点和缺点，设计课程内容需要将知识点串联起来，以教学目标为核心，将各类实验统筹在一起，发挥课程在学生能力培养方面的效果，让学生通过实验活动掌握理论方面的知识，同时形成较强的实践能力[9]。

1.3虚拟仿真实验

在电路实验项目中虚拟仿真实验较为常见，基于仿真技术设计课程模式，将难以实体化的抽象概念与知识点原理，依托虚拟仿真技术建立真实度较高的模型，利用该模型参与实验，对学生理解该知识点有一定的益处。在电路实验活动中使用仿真技术，对学生预习课程知识有一定的促进作用，学生对实验实操现象进行初步判断，便于学生围绕现象进行深入分析，由此从活动中掌握更多知识。仿真技术应用在电路实验教学中，依托技术具备的拓展性与灵活性，提高课程设计方案内容的有效性，提高课程对学生实际操作能力的培养效果。教师在方案设计方面，也经常选择综合性实验与设计性实验为仿真实验，根据后续课程要求与学生知识能力结构的实际情况，设计仿真软件并将Multisim、Proteus分别配备在云桌面和平台单机版处。学生可以选择线下实验室与线上实验相互配合，在此情况下推进教学工作，可以提高实验教学的有效性。将网络云和单机有机地结合起来，同时调整线下实操方案和远程实验内容，在两者相互配合下，可以强化学生工程开发方面的能力。

Multisim、Proteus涵盖IC综合及布局布线、系统级设计、功能验证、混合信号、射频IC设计、模拟、IC物理验证、PCB设计、全定制集成电路设计、硬件仿真建模等电子设计的全部流程，对电类学生专业方向发展与课程延续均有良好的作用，适合电类专业与高年级学生;Proteus是一款拥有原理图采集、仿真软件的模型，拥有更为简洁的图形化界面，可以提高相关图形利用的便捷性。受控源特性、動态电路时域分析、正弦电路仿真分析、均匀传输线分析、非线性电路分析、电路定理研究设计性实验、温度控制、有源滤波、无源滤波电路与报警设计实验为虚拟仿真实验包含的主要内容。

虚拟仿真技术应用在电路实验教学中，将抽象、复杂的理论知识转变为立体、直观的模型，便于学生理解电路实验理论概念，学生可以结合实物实操现象进行判断，分析相关内容，从现象中梳理知识点。将仿真技术应用到电路实验活动中，同时从学生能力培养角度提出综合性与设计性兼备的实验项目，借助仿真软件引导学生学习，帮助学生了解电路设计方面的内容，仿真软件应用到电路实验教学中，丰富实践活动内容，强化学生设计能力与对知识综合运用的能力。在实验操作项目设计方面，需要将各电路理论知识有机地联系起来，形成闭环的项目体系，通过信息化技术手段丰富实验活动内容，激发学生参与实验课堂活动的积极性，学生在活动参与中，学习能力也可以得到有效的锻炼[10]。

2实验教学资源建设

2.1建设要点

电路实验教学模式在建设中，按照人才能力培养要求，建立中国大学MOOC平台、Proteus虚拟仿真实训平台、实践教育中心实验管理中心、在线远程实验平台系统，建立囊括实验实操慕课、多媒体授课课件、远程实验视频、课程教材、虚拟仿真软件操作视频与考试题库建设等。创新实践教育中心与实验管理系统，基于电路实验教学对学生动手能力培养需求设计，在教学内容设计方面，应该梳理线上和线下实验特点，将知识点按照一定指标划分为多个部分，在教学资源建设方面，需要按照知识关联程度、知识难易程度、知识综合应用程度设置模块化教学资源，构建拥有鲜明系统性的课程资源。教师在教学内容配置、教学方式选择方面，需要基于课程目标、学生特点与后续课程需求，灵活地搭配模块化资源，编制具备鲜明特色的实验教学方案[11]。

2.2注意事项

电路实验资源建设也成为电路实验教学模式改革的重点，学校需要关注在线管理平台的使用情况，及时发现管理平台存在的问题，调整系统参数配置方案，提高在线平台系统运行的流畅性，可以更好地推进课程教学工作。基于虚实结合需求设计电路实验教学模式，直播上课、慕课预习、虚拟仿真、远程实验等活动的设计较为关键，需要不断完善教育资源数据平台，丰富平台中的数据内容，同时推进资源管理库和相关平台的管理与维护工作，及时解决网络平台与系统在运行中遇到的问题，为电路实验教学提供资源支持。建立包含直播上课、慕课预习、虚拟仿真、远程实验等内容的教学模式，需要定期整合后台数据，评估新教学模式的应用情况，修改教学模式并调整在线实验教学的管理模块，提高平台与系统在教学方面的有效性。

3结语

电路实验教学活动在教学方面存在较大难度，为了顺利推进教学工作，完成实验教学在学生能力培养方面的任务，电路实验的教师团队，需要合理应用信息化教学手段，建立囊括慕课、远程教学、仿真实验的新型教育模式，给予学生合理、科学的指导，促使学生可以良好地参与到学习活动中。电路实验教学在传统教学方法的基础上，与网络技术、信息等现代技术相互结合，可以构建跨越时间、空间的教学环境，还可以最大程度地利用教学资源。借助体系化、模块化与层次化的课程教学资源，夯实学生在电路实验方面的知识基础，对学生专业实践能力、创新能力和对系信息技术应用能力均有不错的培训作用。

参考文献

[1]吴屏，杨静，姜倩倩，等.虚实结合的电路实验教学建设与实践[J].电气电子教学学报，2021，43（2）：148-152.

[2]鲁明波，刘亚丰，杨英，等.虚实结合的发酵工程实验教学模式探索与实践[J].高校生物学教学研究：电子版，2019，9（6）：41-45.

[3]张总，刘哲，王春梅，等.基于虚实结合的传感器原理与应用教学研究与探索[J].仪器仪表用户，2021，28（4）：96-99，12.

[4]董德智，吴圆圆，周松林，等."新工科"背景下虚实结合的计算机控制实验教学方法[J].实验技术与管理，2021，38（6）：175-180，184.

[5]程胜明，王雅君，张昕晨，等.智能制造背景下虚实结合的实践教学模式研究[J].教育进展，2021，11（6）：2198-2204.

[6]黄崇莉，王长乾，王军利，等.虚实结合的《机电系统计算机控制》课程实验教学改革[J].教育现代化，2020，7（11）：64-66.

[7]付百学，朱荣福.新工科背景下虚实结合的实验教学模式研究[J].黑龙江教师发展学院学报，2021，40（5）：40-42.

[8]程云，彭景贤，岳淑芬，等.基于虚拟仿真实验平台线上线下虚实结合在组织学实验教学中的應用[J].包头医学院学报，2021，37（7）：114-117.

[9]徐艳芳，刘瑜，李修，等.基于工程教育认证理念的"虚实结合"实验教学模式探索[J].北京印刷学院学报，2021，29（10）：96-99.

[10]付建林，江磊，杨大治，等.基于虚实结合的智能制造实验教学研究[J].实验室科学，2021，24（3）：127-131.

[11]孙聪，郭春雨，刘旸，等.船海专业虚实结合实验教学模式探索与实践[J].实验室科学，2021，24（4）：106-109.

作者简介：王贝（1987—），女，硕士，实验师，研究方向为电子电路基础。