新工科背景下“电路分析基础”线上仿真实验探究＊

张变莲，杨森林，张运良，范 璟

（西安文理学院机械与材料工程学院，陕西 西安710065）

“电路分析基础”是一门面向很多工科专业的专业基础课程，该课程同时具备理论性、工程性和实践性，之前该课程的实践教学环节一直采用线下教学的方式进行，过度依赖实验室的硬件实验器材，由此带来的问题是该种实验教学方式不能很好地适应环境的变换，比如在特殊时期，不能进行现场实验教学的情况下，需要探索在线实验教学，并且还要保证学生的学习理解程度达到课程目标。目前在“新工科”建设中，“电路分析基础”理论课程的在线教学已经展开[1]，而与之对应的实践教学环节的线上教学更加注重培养学生的实践能力和实际工程素质，如何有效地开展线上实践教学，是目前需要进行进一步探索的环节。特别是当线下实践教学环节无法正常开展时，为了完成对应人才培养的要求，需要在调动学生学习积极性的同时，有效地开展“电路分析基础”线上教学[2-3]。

作为一名专业基础课一线教师，通过2020 年春季学期大规模线上实践教学环节的开展，对“电路分析基础”课程线上实践环节的教学模式进行了探索，实现了理论教学和线上教学的有机结合。在之前线上实验教学的基础上，对该种教学模式进行研究和探索，以下从实践教学设计以及案例分析、在线实验教学考核和评价等方面进行分析和研究。

1 在线实践教学的设计与案例

“电路分析基础”课程是一门实践性较强的课程，学生在理论基础掌握较好的情况下还需要进行较多的实践和操作，通过实验环节，一方面可以加深学生对理论知识的掌握，更好更深入地理解课堂所学；另一方面，通过实验学生可以掌握一些基本电学变量的测量以及其中所蕴含的物理含义，而不是仅仅停留在对概念理解的程度上，比如如何测量电压、电流，含源一端口电路的开路电压和短路电流是什么，一端口电路的等效电阻意味着什么，正弦稳态电路的电压电流最大值和有效值有什么关系等[4]。另外，通过实验环节，学生可以掌握电学课程中一些基本仪器的使用方法，比如万用表如何使用，示波器的功能是什么，示波器显示的各个量含义是什么，分别对应于电路中的哪些变量。由于实验环节在整个“电路分析基础”课程中占有很大的比例，通过实验教学，可以提高学生的动手操作能力和独立思考能力，这些能力的锻炼是理论教学不具备的，所以如何既能巩固对应的理论知识，又能提高这些方面的能力，需要教师做好教学设计以及课程的引导。另外，在线上实验教学过程中，有机地将课程思政元素融入课程教学中，不仅仅将理论知识和实践方法教授给学生，而且也在科学的研究方法和研究思路方面给学生一些启发。这些能力对于学生后续课程的学习以及各种科技竞赛的训练也是非常重要的[5]。

综上，在传统现场实验教学的基础上，对实验教学进行了改革，将线上实验教学引入到教学环节中。“电路分析基础”课程的课程体系可以分为电阻性电路分析、动态电路分析以及正弦稳态电路分析3 个版块，其结构如图1 所示。

图1 “电路分析基础”课程体系结构框图

在电阻性电路环节部分，学生需要掌握一些基本直流量的测量，以及理解元件伏安特性的测量方法并且能够根据测量数据分析绘制元件的伏安特性曲线，以线性与非线性元件的伏安特性测量实验为例，在该实验中需要掌握元件的伏安特性的测量方法以及测量原理，并且能够对实验测量的原始数据进行分析和处理。先在线教授学生绘制电阻元件伏安特性测量的电路图，如图2 所示。

图2 电阻元件伏安特性测量电路图

首先，搭建所需的电路，搭建好测量电路以后，通过改变可变电阻的阻值，读出电压表和电流表的示数，然后将读取的数值进行数据处理，得出电阻元件的伏安特性曲线图；其次，学生在掌握基本的电路搭建方法以及测量和数据分析流程以后，就可以发挥主观能动性测量其他元件的伏安特性；最后，学生们在线进行讨论，对本次实验所得和经验进行总结和分享。

在动态电路分析部分以及正弦稳态电路分析部分，学生需要掌握示波器以及信号发生器的使用方法，由于学生是初次接触该类仪器，实际实验教学环节中学生上手相对较慢，所以在线上教学的环节中引入这2类仪器，不牵涉复杂的调试过程，学生可以很快地掌握虚拟仪器的使用方法，在此基础上接触现场实验室中的示波器和信号发生器，学生的接受、理解及操作程度都可以很快地达到目标要求。另外也可以将仿真引入课堂教学环节中，既可以当堂加深学生对该部分知识的理解，又可以为现场实验教学中的实验原理、实验方法及操作打下良好的基础。

在教学内容方面，实验内容不仅仅局限在以往实验指导书中的内容，利用仿真软件Multisim 自身的优点，可以将实验内容过渡到探索性实验。线上实验教学模式采用了基于国家级精品MOOC 课程及SPOC 课程，并结合线上直播教学等模式的线上混合式教学。整个线上实验教学环节分为集中学习、自主实践和教学管理3 个部分，如图3 所示。

图3 在线实验教学环节设计

首先，在直播课堂环节，主要是针对该次实验内容及要求进行重点讲解，并且对基本的元器件选择和操作步骤进行示范，在此过程中，学生可以直观地感受到仿真的优点，从而调动学生学习的积极性，并且通过直播环节，学生可以初步掌握仿真的步骤以及元器件的选择，掌握该次实验的内容、目的。其次，学生针对基本内容进行练习，可以按照示范步骤选择元器件和方法，也可以发挥主观能动性，自行选择另外的方法进行仿真。仿真无误后进入下一个环节，自主练习，学生针对教师提出的要求，自行进行电路的设计及在线搭建和元器件选型，并将设计和仿真的内容及时反馈给教师，并且在完成自主练习后进行在线讨论。这个环节的训练对于后续课程的学习及课程设计甚至是毕业论文的撰写都是至关重要的，通过该环节可以很好地锻炼学生的动手能力以及方案的设计能力，并且也可以为学生参加各类学科竞赛打下良好的基础。再次，进行数据的分析和处理，学生可以摒弃传统手动绘制各类曲线，可以借助于各种数据处理分析软件进行，从而又在一定程度上提高了学生的计算机应用能力。最后，进行学习反馈和在线学习资源的维护，并且要求学生在线提交仿真结果与实验分析。通过该环节，学生可以对每一次的仿真实验进行总结，并且可以借鉴其他学生的方式方法，从而达到锻炼自己以及提高自己的目的。在整个在线实验教学的实施过程中，可以适当融入一些课程思政元素，培养学生正确的科学观以及实事求是、科学严谨的态度，通过分组实施以及分组讨论，可以锻炼学生的团队协作能力以及沟通交流等能力，这些都会为学生顺利踏入社会以及适应工作岗位的要求打下良好的基础。

2 考核和教学评价

在教学环节中，采用了一定的教学模式后，需要对该种模式取得的效果进行考核和评价，即该种方式能否达到既定的教学目标，是否符合人才培养方案对应环节的要求。通过采用这种形式的线上实验教学模式，一方面可以在现场实验教学不允许的情况下完成对应的人才培养环节，另外一方面还可以将理论知识和实践环节有机地结合起来，锻炼学生的动手能力和综合运用能力，并提高仿真能力，可以为后续的课程设计以及毕业设计环节的电路仿真打下良好的基础。采取此种形式的线上教学，需要对教学效果以及学生掌握的知识情况进行考核和教学评价。对于学生的考核实施的是过程性考核，涉及整个教学过程。实验环节方面的考核分为课堂表现成绩和实验报告撰写成绩，课堂表现成绩又分为考勤、互动讨论、实验操作等成绩，能够全方位、全过程地考查学生。实验报告成绩主要是根据学生在线提交的作业给定，根据报告内容是否完整、思路和总结是否清晰到位等情况给出作业成绩。作业统计情况如图4 所示。

图4 实验作业统计情况

通过对整个在线实验教学进行评价，可以发现95%以上的学生可以按时提交作业并且作业最低平均分为88.31，说明大部分学生对于在线的仿真教学内容掌握较好。并且通过观察学生的讨论可以看出，由于该课程是在大一的第二学期开设，刚开始接触仿真是非常生疏的，但是经过慢慢熟悉以后，后面的实验教学内容学生接受起来就容易的多。并且学生可以直观地看到自己的实验成果，更多的是体会到一种成就感，从而激发学生对“电路分析基础”课程甚至是后续电类课程的学习热情。

课程评价的内容包括学生评价、同行评价及督导评价。通过对学生进行问卷调查，90%的学生对这种线上实验教学的方式都欣然接受，但是其中有45%的学生反映不能完全借助于线上实验教学，需要将线上实验教学作为主体，可以在此基础上在条件允许的情况下加入现场实验教学，这样可以分别在软硬件方面培养学生。同行评价方面，75%的教师倾向于采取线上实验教学，督导普遍比较认可这种新颖的教学方式。总体来说，仅仅进行线上实验教学是存在不足的，需要在线上教学的基础上结合现场实验教学，这种模式可以作为普遍性的电类课程教学模式被推广。

3 结论

针对“新工科”建设背景下以及目前国内外的疫情防控形势，对“电路分析基础”课程的实验教学环节进行线上教学改革。整个线上实践教学环节分为集中学习、自主实践以及教学管理3 个模块。采用这种线上仿真的教学模式，可以完成既定人才培养环节的教学目标要求，加深学生对基础理论部分知识的理解，学生在接触到自己可控可实现的事物后，极大地提高了学生学习的积极性，在巩固所学基础知识的同时，也锻炼了学生的自主创新能力。虽然线上教学不能完全取代线下实验教学，软件仿真也具有其缺点，比如仿真太具有理想性，不能锻炼学生应对实际电路各种各样问题的能力及不能提高学生操作仪器仪表的能力等[6]，但是仿真可以作为线下教学的补充，正常教学能够进行的情况下，学生可以利用相应软件先做仿真，对将要做的实验内容和实验过程及结论有一个直观的认识，然后进入到实验室中按照已经选定无误的软件搭建电路，这样可以减少元器件的损坏率，降低实验成本。在线上实验教学实施过程中，改变了传统以教师为中心的教学思路和教学模式，逐步从教师为中心过渡到学生为中心，从而更好地顺应“新工科”建设的潮流。