電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)型教學(xué)方法探討
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摘要：以實(shí)現(xiàn)電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目的，改變現(xiàn)有電路實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生被動接受的現(xiàn)狀，電工電子實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的方案，進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革活動，提高學(xué)生自主思考、分析、解決問題和實(shí)踐的能力。
關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)踐；項(xiàng)目設(shè)計(jì)型；教學(xué)改革
近年來，河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院有計(jì)劃地進(jìn)行了一系列教學(xué)改革活動，探索創(chuàng)新教育與專業(yè)教育深度融合的具體方法，初步構(gòu)建了貫通課內(nèi)、課外，融匯主要教學(xué)環(huán)節(jié)的地方高校工科大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教育模式，以求切實(shí)加深學(xué)生對課程理論知識理解、提高動手應(yīng)用知識能力。其中，電氣工程學(xué)院提出項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的方案，電工電子實(shí)驗(yàn)中心以電路實(shí)驗(yàn)課程為依托進(jìn)行改革，要求學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，課下進(jìn)行仿真軟件驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)中自選元件、芯片，在面包板上進(jìn)行電路調(diào)試，使用數(shù)字示波器、萬用表等測取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以實(shí)驗(yàn)形式、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方式的改變，實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。
1電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性
傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)通常是教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)電路的講解，告知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如何測量驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法以及實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的安全問題；學(xué)生在外購的實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行接線、驗(yàn)證，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。該教學(xué)方式存在諸多的弊端，學(xué)生在整個(gè)過程中被動接受，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)過程，避開了實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的問題，缺少自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，不能充分調(diào)動其進(jìn)行獨(dú)立思考和創(chuàng)新的積極性，也就無法達(dá)到通過實(shí)驗(yàn)來加深對所學(xué)知識理解、鍛煉動手能力，在實(shí)驗(yàn)中獲得滿足感，進(jìn)而主動研究、接受挑戰(zhàn)，增強(qiáng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力的目的。項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，基本思路是部分或者全部拋開實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)采用在面包板上插接電子元件的形式進(jìn)行。電工電子實(shí)驗(yàn)中心針對電路實(shí)驗(yàn)課程中“二階電路響應(yīng)”“雙口網(wǎng)絡(luò)”為例進(jìn)行改革創(chuàng)新。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前自行完成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，并使用Multisim仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，獲得相應(yīng)測量波形及數(shù)據(jù)，自我評估實(shí)驗(yàn)方案是否合適。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)前自主設(shè)計(jì)的電路，選取合適的電子元件、芯片，最后插接在面包板上進(jìn)行電路調(diào)試，使用數(shù)字示波器、萬用表等測取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，自我判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后自我梳理，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告。項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生首先需要利用所學(xué)的知識進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷或者漏洞，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解決問題，最終通過設(shè)計(jì)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫進(jìn)行總結(jié)反思，提煉成文。相比傳統(tǒng)的接線、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方式，項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生從自己設(shè)計(jì)電路開始，能力培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐吩O(shè)計(jì)、知識運(yùn)用、自主分析問題、解決問題的能力和實(shí)踐動手能力。
2二階電路的響應(yīng)
在二階電路的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革之前，采取PSpice軟件仿真的形式進(jìn)行，目的在于學(xué)習(xí)PSpice軟件的基本使用方法，同時(shí)理解二階電路的三種暫態(tài)過程，結(jié)合學(xué)生已掌握軟件和工具的使用情況，將實(shí)驗(yàn)形式改革為“軟件仿真+面包板插接”。提前實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提出要求，限定元件范圍，要求學(xué)生課下使用Multisim軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，選取RLC二階電路的參數(shù)，查看仿真結(jié)果，列元件清單；既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，完成PSpice仿真任務(wù)后，領(lǐng)取元件，進(jìn)行面包板插接，自主操作完成對應(yīng)結(jié)果的測量。
2.1使用Multisim軟件進(jìn)行二階電路設(shè)計(jì)
完成參數(shù)選取、暫態(tài)過程波形記錄在電路實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置中，RLC串聯(lián)諧振電路的分析是使用Multisim軟件完成的，故學(xué)生已掌握軟件的基本使用方法，可以使用虛擬函數(shù)信號發(fā)生器、示波器及基礎(chǔ)的電阻電容電感搭建仿真原理電路，并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；一階RC電路的響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)臺上完成，故學(xué)生已掌握由實(shí)物的函數(shù)信號發(fā)生器、示波器及分立元件組裝調(diào)試電路，觀察記錄測試結(jié)果的能力，且二階電路的響應(yīng)在周期性重現(xiàn)操作時(shí)與一階電路是相通的，均可將方波或者矩形波的跳變邊沿視為換路時(shí)刻，進(jìn)而觀察暫態(tài)響應(yīng)過程，適合作為一階響應(yīng)的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，在二階電路的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可以弱化任課教師的指導(dǎo)作用，放手讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)并調(diào)試完成測試任務(wù)。任課教師提前二階電路的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，限定電阻、電位器、電感、電容的參數(shù)范圍，要求學(xué)生課下借助Multisim軟件選擇合適的電感、電容參數(shù)及恰當(dāng)?shù)姆讲l率，計(jì)算電阻值，使暫態(tài)過程分別為過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼，用示波器觀察記錄各暫態(tài)響應(yīng)曲線并估讀暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。
2.2使用PSpice仿真工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)
既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生提交Multisim軟件仿真實(shí)驗(yàn)電路圖、仿真結(jié)果及元件清單，任課教師審核通過后方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。為了實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生熟悉并掌握PSpice工具使用方法的目的，教師演示搭建二階電路原理圖及獲取仿真波形的示例后，預(yù)留一定時(shí)間如半個(gè)小時(shí)，供學(xué)生完成其自主設(shè)計(jì)二階原理圖的輸入，并截圖幾個(gè)暫態(tài)響應(yīng)過程，比較分析三種暫態(tài)響應(yīng)過程的不同點(diǎn)、變化條件、時(shí)間長短，課下完成總結(jié)。若不能在限定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，可在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間自由補(bǔ)做。
2.3硬件面包板插接完成
PSpice仿真或者預(yù)留限定時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，學(xué)生2人一組自由組合，憑元件清單領(lǐng)取元件及工具。自主操作，進(jìn)行面包板插接，在面包板上搭建由分立元件組成的電路，用函數(shù)信號發(fā)生器給出合適頻率的輸入方波，使衰減或振蕩有足夠的時(shí)間減小到0，用數(shù)字示波器測量相應(yīng)波形，改變電位器或者電阻值的大小，完成對應(yīng)整個(gè)暫態(tài)過程波形的測量。在整個(gè)面包板硬件插接過程中，教師只負(fù)責(zé)元件工具的發(fā)放，講解儀器設(shè)備的使用。電路搭建、調(diào)試，制定測試方案，判斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否正確等由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成，達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)后，由教師負(fù)責(zé)驗(yàn)收，并根據(jù)學(xué)生演示及問題回答情況給出實(shí)驗(yàn)操作分?jǐn)?shù)。
2.4評分標(biāo)準(zhǔn)
評分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)RLC二階串聯(lián)電路的設(shè)計(jì)電路圖、元件清單、電路三種暫態(tài)過程的Multisim軟件仿真波形，即設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)占實(shí)驗(yàn)成績的30%，實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)占實(shí)驗(yàn)成績的30%，PSpice仿真波形及硬件插接實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果占實(shí)驗(yàn)成績的20%，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告完成情況占實(shí)驗(yàn)成績的20%。
3雙口網(wǎng)絡(luò)
雙口網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)在改革之前在實(shí)驗(yàn)臺上直接完成，且實(shí)驗(yàn)臺已經(jīng)封裝好現(xiàn)成的T網(wǎng)絡(luò)和π網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生只需簡單連線給定輸入電壓，連接測量儀表即可完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，課后計(jì)算T參數(shù)。為了進(jìn)一步提高學(xué)生電路設(shè)計(jì)、知識運(yùn)用能力，將雙口網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)形式改革為面包板插接。
3.1使用Multisim軟件進(jìn)行雙口網(wǎng)路電路設(shè)計(jì)
并測量數(shù)據(jù)完成T參數(shù)理論值計(jì)算任課教師提前雙口網(wǎng)路的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并限定電阻元件的選擇范圍，要求學(xué)生課下自主選擇電阻元件搭建T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)及二者級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路，并根據(jù)選取的電阻阻值及電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算相應(yīng)的T參數(shù)矩陣的理論值。之后，使用Multisim軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的內(nèi)容，給定直流穩(wěn)壓電壓源10V。利用同時(shí)測量法測量輸出端開路、短路條件下T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端的電壓、電流值。用分別測量法測量T網(wǎng)絡(luò)和π網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后網(wǎng)絡(luò)輸出端開路、短路條件下，輸入端的電流值；以及輸入端開路、短路條件下，輸出端的電流值。要求有仿真測量電路圖、T參數(shù)矩陣的計(jì)算值及仿真數(shù)據(jù)表格。
3.2硬件面包板插接
既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生提交其設(shè)計(jì)的T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)及二者級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路圖、各網(wǎng)絡(luò)的理論T參數(shù)、Multisim仿真測試數(shù)據(jù)及元件清單，任課教師審核通過后方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。憑元件清單領(lǐng)取元件及工具，在面包板搭建由電阻組成的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)測量的方法，利用實(shí)驗(yàn)臺的直流穩(wěn)壓電源作為輸入，直流電壓表、直流電流表或者萬用表測量相應(yīng)的電壓電流，完成T網(wǎng)絡(luò)、π網(wǎng)絡(luò)、二者級聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)實(shí)測數(shù)據(jù)的測定。由教師負(fù)責(zé)驗(yàn)收，并根據(jù)學(xué)生操作及問題回答情況給出實(shí)驗(yàn)操作分?jǐn)?shù)。
3.3評分標(biāo)準(zhǔn)
雙口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)電路圖、元件清單、T參數(shù)矩陣?yán)碚撚?jì)算結(jié)果、仿真數(shù)據(jù)測量正確與否占實(shí)驗(yàn)成績的30%；實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)及實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)正確與否占實(shí)驗(yàn)成績的50%；根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算的T參數(shù)正確與否、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告完成情況占實(shí)驗(yàn)成績的20%。
4實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果與改進(jìn)
4.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果
通過課前布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，課下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，再通過面包板插接環(huán)節(jié)搭建調(diào)試電路，很好地鍛煉了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)電路、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，弱化教師的主動指導(dǎo)作用，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，變學(xué)生的被動學(xué)習(xí)為主動思考，極大地提高了學(xué)生的積極主動性。同時(shí)，在實(shí)操環(huán)節(jié)，利用函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器等設(shè)備儀器，承接后續(xù)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)。俗話說：“兵馬未動，糧草先行?！痹O(shè)備、工具、軟件環(huán)境的熟練運(yùn)用，可為以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)、研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更重要的是在整個(gè)“學(xué)而思，思而做，做而樂，樂而學(xué)”的良性循環(huán)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將使其受益無窮。
4.2進(jìn)一步改進(jìn)的方向
腳踏實(shí)地，進(jìn)一步細(xì)化電路實(shí)驗(yàn)課程改革過程中存在的問題，找準(zhǔn)下一步的努力方向。二階電路的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)要完成PSpice軟件仿真和面包板插接，耗時(shí)較長，可嘗試將PSpice二階電路示例做成視頻，供學(xué)生課下學(xué)習(xí)，或讓其尋找網(wǎng)絡(luò)資源，符合當(dāng)下流行的學(xué)習(xí)趨勢，且提高效率。雙口網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)，實(shí)際搭接電路時(shí)，電流的測量值在十幾毫安至幾十毫安時(shí)可減小測量誤差，這就要求電阻取值合適，否則直接影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故可適當(dāng)?shù)匦薷碾娮鑵?shù)的選擇范圍。雙口網(wǎng)絡(luò)中電阻參數(shù)選取不同，T參數(shù)、測量的電壓電流值也各異，放手讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路的同時(shí)，也給檢查學(xué)生數(shù)據(jù)帶來了一系列不便?？梢愿鶕?jù)雙口網(wǎng)路的一般結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)T參數(shù)的通式，將要測量的數(shù)據(jù)表示成T參數(shù)的表達(dá)式，借助數(shù)據(jù)處理軟件，減少數(shù)據(jù)比對過程中的計(jì)算量。
5結(jié)語
能夠利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題，具備創(chuàng)新意識與實(shí)踐動手能力，是電氣專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的核心要求之一，更是責(zé)任與期望。項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)施，更是任重道遠(yuǎn)。
參考文獻(xiàn)
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作者：荊娟娟 田葳 史敬灼 單位：河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院
