模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)探析
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摘要：針對(duì)常規(guī)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的元器件參數(shù)固定、被動(dòng)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)不足等問(wèn)題，研發(fā)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成了“以學(xué)生為中心”、層次化的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，該平臺(tái)便于學(xué)生更好地完成個(gè)性化、探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：模塊化；電路實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
隨著電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的不斷深入，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。為解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中元器件參數(shù)固定、內(nèi)容單一、被動(dòng)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐能力不足、缺乏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)放的環(huán)境等問(wèn)題[1-2]，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)按照資源共享、功能集約的原則，將目前大部分高校普遍使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱中的元器件分離出來(lái)，制作成分立的元器件模塊，讓學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)選取合適的模塊，建構(gòu)個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)自2017年秋季學(xué)期開(kāi)始使用至今，獲得了令人滿意的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)滿足新時(shí)代、新形勢(shì)下對(duì)建設(shè)一流課程的要求，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”、學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動(dòng)的教育理念，可以有效地幫助學(xué)生在當(dāng)前已有的全開(kāi)放自主學(xué)習(xí)環(huán)境下，更好地完成個(gè)性化、探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)。基于該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)改革，完善了課程內(nèi)容的高階性和創(chuàng)新性，提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新能力，保證了電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量[3-4]。
1模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研制的必要性
電路實(shí)驗(yàn)課程作為電類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是電類專業(yè)培養(yǎng)方案中一門重要的必修課程。原有的實(shí)驗(yàn)方式通常是基于定制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或元器件固定的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式將大部分實(shí)驗(yàn)元器件隱藏到了面板內(nèi)部，存在如下問(wèn)題。一是學(xué)生對(duì)實(shí)際工程中的元器件和測(cè)量設(shè)備缺乏直觀認(rèn)識(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。二是元件配置基本固定，開(kāi)設(shè)新的實(shí)驗(yàn)必須制作新的實(shí)驗(yàn)箱，需要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)。三是由于元器件之間不通用，導(dǎo)致開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的使用效率和安全性降低。大部分學(xué)生無(wú)法完成自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?；谏鲜鰡?wèn)題，設(shè)計(jì)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。第一，搭接電路全部為分立元器件的模塊，元器件全部裸露，接線直觀、清晰、方便，使學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)由漫無(wú)邊際變得具有現(xiàn)實(shí)可行性。達(dá)到了每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、每名學(xué)生都能自主實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。第二，元器件參數(shù)覆蓋范圍全面。在其設(shè)計(jì)中，充分考慮元器件模塊之間的通用性，使得一些復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中引入。同時(shí)，考慮了模塊之間連接的安全性，采用帶護(hù)套的連接插孔和導(dǎo)線，經(jīng)濟(jì)耐用，接觸良好，全方位助力學(xué)生完成自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。第三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理更加科學(xué)、規(guī)范、合理，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)更新只需在已有模塊的基礎(chǔ)上增添一個(gè)或幾個(gè)模塊，可以節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
2模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成和功能
模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含56種模塊和多功能電路連接底板，如圖1所示。模塊主要包括基本電路模塊、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱模塊(也稱黑箱模塊)、高電壓實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。這些模塊既能在交、直流電路使用，也可在高、低壓電路通用。
2.1基本電路模塊
基本電路模塊包括二端元件模塊、集成電路模塊、可變?cè)骷K、可拆卸電感模塊。二端元件模塊實(shí)物圖如圖2所示。此模塊可以將任意二端元器件如電阻、電容、二極管等插入插孔，插孔有3種規(guī)格，可以根據(jù)管腳粗細(xì)進(jìn)行選擇。元件之間可以用導(dǎo)線進(jìn)行連接，然后搭建任意需要的電路。實(shí)際電路如圖3所示。集成電路模塊實(shí)物圖如圖4所示。模塊提供兩個(gè)運(yùn)算放大器，此模塊與電阻、電容、電感一同作為電路的基本元件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中將含有運(yùn)算放大器的實(shí)驗(yàn)滲透于許多章節(jié)，可以使學(xué)生初步了解模擬電子技術(shù)與電路理論之間的相互關(guān)系，打破電路與模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程之間的界限。
2.2綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱模塊
綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱模塊實(shí)物圖如圖5所示。此模塊由若干常用元器件構(gòu)成，各元器件之間無(wú)導(dǎo)線連接，隱藏了電路參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中模塊為被測(cè)量和識(shí)別的對(duì)象，根據(jù)外接電路的測(cè)量結(jié)果，可以判斷元件的性質(zhì)和參數(shù)。此實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相反的思維方式，即以逆向思維形式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)度方面，對(duì)學(xué)生提出更高要求。此模塊可以組合成若干個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)電路，無(wú)論暫態(tài)還是穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)、低壓還是高壓實(shí)驗(yàn)都可以使用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的習(xí)慣和入腦入心又動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾淖饔谩?/p>
2.3高電壓實(shí)驗(yàn)?zāi)K
此模塊的實(shí)物圖如圖6所示。該模塊的特點(diǎn)是元器件參數(shù)與工程實(shí)際完全相同。與其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以將常規(guī)實(shí)驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)熒光燈照明原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，延伸為與工程實(shí)際密切相關(guān)的研究性實(shí)驗(yàn)。研究問(wèn)題涉及電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器對(duì)電路的影響、電子鎮(zhèn)流器的諧波測(cè)量、電源電流波形畸變等，知識(shí)點(diǎn)包含正弦電流電路、非正弦周期信號(hào)電路、諧振電路和帶通濾波器等。該模塊的運(yùn)用打破了電路理論課程各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的間隔，引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地思考現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，將自己學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的生活和生產(chǎn)。
3模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用
模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)支撐國(guó)家級(jí)精品課程、國(guó)家級(jí)精品資源共享課—電工電子實(shí)驗(yàn)系列課程中的電路實(shí)驗(yàn)、電工學(xué)實(shí)驗(yàn)、電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和電子線路實(shí)驗(yàn)的電路實(shí)驗(yàn)部分。課程主要授課對(duì)象為電氣等電類專業(yè)、機(jī)械等非電類專業(yè)的本科學(xué)生，每年實(shí)驗(yàn)人數(shù)為3500人左右，年均約5.5萬(wàn)人時(shí)數(shù)。
3.1電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革
基于模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，重塑了電路實(shí)踐課程教學(xué)體系，滿足多個(gè)專業(yè)和課程的教學(xué)要求。建立了多層次、多類型、個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，突出對(duì)學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，逐步提升學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式如圖7所示。模塊化電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于個(gè)性化、多樣性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施，學(xué)生可以選擇采用定制式實(shí)驗(yàn)或自主設(shè)計(jì)式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹?lái)完成實(shí)驗(yàn)。3.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容的改革第一，遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、循序漸進(jìn)的原則，從入門引導(dǎo)、基本技能訓(xùn)練、綜合研究到自主設(shè)計(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)不同，在保證實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不變的條件下，定制實(shí)驗(yàn)中為個(gè)性化研究預(yù)留了空間，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解釋現(xiàn)象、解決問(wèn)題，提高學(xué)生實(shí)踐的興趣。第二，設(shè)計(jì)中突出了實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐相融合、已有知識(shí)與拓展知識(shí)相融合、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課外研學(xué)相融合。改變了常規(guī)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單驗(yàn)證知識(shí)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析研究壓力與空間不足等問(wèn)題，適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)下知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。例如串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)[7]，基本實(shí)驗(yàn)方法是在正弦電流電路中，采用調(diào)頻的方法研究諧振。為促進(jìn)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)基本任務(wù)的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步深入思考，進(jìn)而更好地掌握相關(guān)認(rèn)識(shí)，在研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中體現(xiàn)諧振電路的應(yīng)用。把電源改為頻率固定的方波信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振，實(shí)現(xiàn)將方波信號(hào)的5次諧波從信號(hào)中分離出來(lái)。第三，增加了難度較大的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如反映電路理論前沿內(nèi)容的混沌電路實(shí)驗(yàn)[8]、回轉(zhuǎn)器實(shí)驗(yàn)、信號(hào)的合成與分解、在電力及通信系統(tǒng)普遍應(yīng)用的傳輸線實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目。此部分內(nèi)容需要學(xué)生深刻理解電路理論某一部分知識(shí)點(diǎn)后才能進(jìn)行操作，將理論課程與實(shí)驗(yàn)課程無(wú)縫連接。同時(shí)也彌補(bǔ)了理論課程概念抽象、無(wú)法理解的不足。第四，依托該平臺(tái)，在高等教育出版社出版了教材《電路實(shí)驗(yàn)教程》《電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》，用于本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；诖似脚_(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)大賽獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
3.3實(shí)驗(yàn)開(kāi)放環(huán)境和考核激勵(lì)機(jī)制改革
實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，線上線下充分結(jié)合，努力為學(xué)生營(yíng)造全開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。同時(shí)利用國(guó)家級(jí)精品資源共享課—愛(ài)課程網(wǎng)、電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站、高教出版社數(shù)字平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)協(xié)同共享。學(xué)生可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)上課件完成平臺(tái)使用方法的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的檢測(cè)等任務(wù)，有力地支撐課外學(xué)生自主學(xué)習(xí)任務(wù)的實(shí)施。在實(shí)驗(yàn)考核上，實(shí)行對(duì)完成3個(gè)以上優(yōu)質(zhì)自主設(shè)計(jì)式實(shí)驗(yàn)的學(xué)生予以期末考試免試的激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新與自主學(xué)習(xí)。在過(guò)去的幾學(xué)期實(shí)踐中，這一機(jī)制在電路實(shí)驗(yàn)課程中獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)同。
4結(jié)語(yǔ)
模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，改變了常規(guī)實(shí)驗(yàn)基本上只能進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)和接線的模式，為實(shí)驗(yàn)在“開(kāi)放式”的基礎(chǔ)上向“研究性”開(kāi)展提供了良好的硬件支持。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和電路實(shí)驗(yàn)方法改革，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究、發(fā)現(xiàn)、掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)方法與技能，綜合運(yùn)用知識(shí)、接觸工程實(shí)際、開(kāi)展探索研究。此平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)踐對(duì)提升學(xué)生工程實(shí)踐能力、促進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)水平的提升提供了值得借鑒的成果，可在同類高校中推廣應(yīng)用。
作者:劉東梅 王曉媛 劉洪臣 原桂彬 王宇紅 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院