常态化疫情防控下电工电子实验教学模式探索与实践

王正刚，王冠凌，张 恒，邱意敏

(安徽工程大学，安徽 芜湖 241000)

从2020年初至今，由于新冠疫情的不断反复，为了防止疫情的进一步扩散，很多高校处于封控状态，无法开展线下课堂教学，正常的教学工作受到了严重的影响。教育部和安徽省教育厅发布了高校在疫情防控期间开展线上教学的指导意见，要求各高校高度重视疫情防控期间的线上教学工作，在确保教学质量的前提下，创新线上教学形式。在此背景下，省内各高校根据本校教学实际，及时调整教学安排，通过雨课堂、学习通、MOOC等网络教学平台进行理论课程教学。实验教学由于其自身的实操性和实时性等特殊性，无法通过单一的网络教学平台进行[1]。本校电工电子实验中心包含电路分析、模拟电子技术和数字电子技术三大电学基础实验室，在后疫情时代，借鉴国内兄弟院校疫情防控情况下的实验教学经验，并结合本校实际情况，对实验教学模式进行了新的探索。

一、常态化疫情防控下高校电工电子实验教学现状分析

(一)线下集中实验

少数高校由于现有条件的限制，无法进行线上实验，只能让学生先通过雨课堂、学习通、腾讯课堂和MOOC等各大在线教学平台进行电工电子理论课学习，等到疫情稳定，学生返回学校后，选择集中的时间完成实验教学任务[2]。这种模式会导致实验教学严重滞后，完全和理论教学脱节，加上要在短时间内完成大量的实验内容，教学效果大打折扣，教学质量无法得到保证。

(二)单一的仿真实验

部分高校在疫情期间通过仿真软件进行电工电子实验教学，使用的仿真软件有Multism、Proteus和Pspice等[3-5]。利用这些软件进行仿真实验是电工电子实验教学的重要辅助手段，但是如果只通过其中某一软件来进行实验仿真，学生无法进行实际电路的搭建，无法锻炼实践动手能力，甚至会造成课程结束后，学生连电阻、电容、二极管和三极管等基本的电子元器件实物都不认识，不利于后续课程的学习。

(三)线上和线下结合模式

多数兄弟院校的应对办法是采用线上和线下结合的实验教学模式，在疫情封控期间，基于仿真软件和在线实境实验平台完成实验仿真，在解封后完成线下实验部分[6-8]。由于封控时间的不确定性，线下实验安排往往也面临着时间短，任务量大，实验教学和理论教学脱节，导致学生对所学知识无法及时消化，教学效果较差。

二、常态化疫情防控下电工电子实验教学的探索性实践

(一)三位一体的实验教学模式

为了克服以上实验教学方式的缺陷，本校电工电子实验中心将虚拟仿真软件、远程实验平台和课程思政相融合，形成一种新的三位一体的实验教学形态，如图1所示。学生可以在电脑上自主安装虚拟仿真软件进行探索性学习，老师对软件的使用进行在线指导；等学生顺利完成实验仿真后，再通过远程实验平台进行实际操作，老师进行验收指导；在此过程中，老师通过课程思政引导教育学生，并进行教学互动。实验教学模式如图2所示。

图1 实验教学形态

图2 实验教学模式

第一，编制虚拟仿真软件。利用国内对国际上通用的Multisim软件作为仿真工具开发电工电子虚拟仿真软件，软件含有仪表及电源等各种功能模块，完全满足电工电子虚拟仿真实验的需求，同时可以让学生了解并熟悉虚拟仿真实验电路的设计、搭建和测试等环节。以三相交流电路电压、电流的测量实验为例，仿真电路如图3所示，在实验中，用三相调压器调压输出作为三相交流电源，电源用三相四线制向负载供电，三相负载为对称的星型接法，每相负载都由三个灯泡和一个电容组成。学生通过仿真界面可以对实验电路有更直观的认知。

第二，建设远程实验平台。建设远程电工电子实验平台，利用互联网、云计算等IT技术，将异地的以太网设备与云主机搭建成一个二层的局域网，使学生可以像操作本地设备一样操作电工电子远程实验室的实验设备。实验平台接入方便灵活，不受地域限制，只要能接入互联网就能直接接入实际的实验设备进行调试测试；预约方式灵活，让学生可以按需预约，合理安排学习时间。电工电子远程实验平台软件系统采用LabView软件编制，包含教师机上的管理软件和学生机上的实验软件，二者通过网络联接，实验平台配有计算机和可操作的高清摄像头，同时配备具有程控功能的三相交流电源、直流电源、信号源、恒压源、恒流源以及具有远程数据采集功能的智能交流仪表、智能直流仪表、智能毫伏表等各种类型的实验模板，通过CPLD和串口与计算机相连。学生在进入系统后，首先要输入自己的姓名、学号等个人信息，系统会将信息和教师机数据库中的信息相匹配，匹配成功后，学生可以选择相应的实验项目，并进入实验界面开始进行实验。在实验界面中，学生可以看到实验的原理说明，实验须知，实验内容和一些相关的技术文档。在实验过程中，主界面显示实验的过程和必要的数据处理。

第三，引入课程思政。习近平总书记指出思政课是落实立德树人根本任务的关键课程。在实验教学过程中课程思政不能只停留在形式上，要避免条款式地引入课程思政内容，可以进行形式创新，通过讲故事和分组讨论的形式，引导学生对课程的学习兴趣[9]。比如在进行“集成运算放大电路应用”实验时，可以先通过华为在集成电路高端芯片技术领域被西方国家卡脖子的问题，让学生思考集成电路在军事和民用领域有哪些重要的应用，在实验项目完成后，让学生分组讨论“为什么我们会在芯片领域受制于人？”，以此来激发学生的爱国主义热情，引导学生树立远大理想，努力学好相关课程，投身于科研事业，为打破西方的科技封锁，实现中华民族伟大复兴而努力。

图3 三相交流电路电压、电流的测量实验

(二)实验教学环境保障

为了保障疫情期间电工电子实验教学的顺利进行，建立完善的实验保障模式，具体保障思路如图4所示。针对虚拟仿真软件在安装和使用过程中可能遇到的问题，会提供相应的使用入门指导和教学保障，同时安排教师在线答疑，及时解决学生的疑问。实验老师会在远程实验过程中进行实验指导和相应的技术维护，同时也会解答学生在实验操作过程中遇到的一些问题。在课程思政环节，通过教学互动对学生进行引导教育。

图4 疫情期间实验教学环境保障思路

三、基于探索性实践的初步成效与经验总结

实行新的教学模式以来，本校电气工程学院2019级学生约900余人在疫情期间通过虚拟仿真软件和远程实验平台完成了电路分析、模拟电子技术和数字电子技术三大基础实验课程，教学反馈会和问卷调查的结果显示，虚拟仿真软件的使用率较高，但是远程实验平台的实验教学效果更好，学生对新的实验教学模式满意度达到96%，和非疫情线下实验满意度基本持平。在2021年全国大学生电子设计竞赛中，本院2019级同学参赛获得国家一等奖1项，国家二等奖2项，省级奖项11项，总成绩在省内高校中名列前茅，延续了本校在这一传统赛项中的好成绩。事实证明，新的实验教学模式很好地培养了学生的工程实践能力和创新能力，为学生后续专业知识的学习打下了良好的基础。

电工电子实验作为培养电类相关工科专业学生的重要手段，其教学效果直接影响学生的实践能力和创新能力培养。在新冠疫情常态化背景下，本校电工电子实验中心利用虚拟仿真软件和远程实验平台相配合，结合课程思政建设，摸索出一套行之有效的实验教学模式，既培养了学生的实践动手能力，也对学生进行了思政教育，让学生在思想上重视电工电子实验课程，取得了很好的教学效果。