“电路实验”课程虚实结合实验教学体系探索与

　“电路实验”课程自电类各专业成立之初，就是工科电子、通信、自动化、计算机、电气及生物医学类的主要专业基础课程之一，是电类专业学生学习和掌握相关知识和实验技能的重要环节。经过几十年的教学实践，本课程的体系已经建设、整合得相当完善。随着计算机AI技术的大力发展，单纯的实验室现场操作已不能完全适应目前的教学方式，为解决这一问题，课程内容及教学方法的网络化、可视化、互动化改革势在必行。
国内外相当多的高校已经开始逐步采用MOOC、AR等虚实结合的教学方式。虚实结合的开放课程成功地实现了一种高端的知识交换，可以在任何地方、用任何设备进行学习，大大提升了学生的学习质量和学习效率。本课程作为电类的基础实验课程，相对于理论教学内容，内容之间独立性更强，更容易转化为碎片化学习材料，也更适合在线学习的形式。由于采用的教学方法为实验室操作，可以根据不同实验内容和实验中涉及的实验仪器、操作技能，把实验室操作分解并移植到互联网环境中，供学生随时随地进行学习，反复进行学习。学生在课前熟悉安全操作规范、了解实验原理及相关实验操作方法，大大提高了实验室现场的使用效率。采用这种虚实结合的实验教学方式，不仅解决了实验室空间有限的问题，避免了实验材料损耗的经济损失，更为学生提供了可以进行高压、大电流、高安全隐患实验的可能性。由于学生可以在互联网上反复学习课程的相关内容，在高压、大电流等危险性很强的实验操作前，可以做到心中有数，避免了很多安全事故的发生。
1 “电路实验”课程体系介绍
本课程在教学内容方面着重基础知识、基本理论和一般实验方法。通过本课程的教学，使学生能够掌握各类实验方法，获得实验技能的基本训练，如掌握实验平台、网络虚拟设备、电压表、电流表、万用表、稳压电源、稳流电源、信号发生器、交流毫伏表、普通示波器等电子仪器设备的使用方法、技巧及注意事项，掌握实验电路的正确布局和连接方法，掌握电压、电流、功率等的测量方法，掌握电阻、电容、电感等参数的测量方法等。同时，加深学生对电路理论知识的进一步理解和巩固，把抽象的知识转化为与实际相结合的知识，具备分析问题、解决问题和排除电路故障的能力，能够观察实验现象，分析、判断和排除简单电路故障，具备自主创新的能力，能够运用标准、规范、手册、图册、互联网等查阅相关技术资料，综合运用所学的知识进行系统设计，为进一步的学习提高打下基础。
根据不同专业学生的需求，学时可分为12学时、24学时、36学时等，一般包括以下实验项目：独立电源的外特性及其等效变换条件、直流线性网络、一阶电路、移相电路、谐振电路、万用表设计等。
2 虚实结合的实验教学模式
虚实结合的开放课程体系建设主要包括课程的目标定位，课程内容优化，教学设计，教学视频、作业及题解、相关参考资料的配置，线上与线下教学环节的安排，课程测试与评价等。
“电路实验”课程体系建设过程中，按照实验内容和实验中涉及的安全操作规范、实验仪器设备对课程内容进行了优化，使其更适用于教学视频观看和实验室实际操作相结合的教学方式。对于预习视频，学生可以反复收看，还可以通过互联网进行一些互动操作，得知自己的操作是否违反安全操作规范，是否满足当前实验内容的操作要求，并能及时获得相应的预习分数。
学生完成互联网上的虚拟实验操作预习后方可进入实验室进行现场操作，在操作中有疑问仍可重复观看学习视频。实验现场操作时间使用完毕后，学生可以继续在互联网上的虚拟仿真实验中进行自己感兴趣的内容或完成教师布置的相关作业。虚拟仿真实验可借助Multisim、LabVIEW等软件进行操作，也可借助实验中心服务器提供的相应程序进行操作。
如图1所示，通过互联网技术手段，学生还可以与教师在线互动，提出问题并获得相应指导；完成预习、课后作业或自选实验内容；进行相关课程测试后，可由计算机自动评分或由指导教师根据学生提交的内容进行在线评分。图2所示为部分硬件电路，图3所示为Multisim仿真的混合谐振电路。

图1 远程实验示意图           图2 远程实验硬件图

图3 Multisim混合谐振电路仿真
3 “直流线性网络”实验案例
根据虚实结合的实验教学体系的基本架构，各实验项目按照实验教学内容、教学方式、仪器设备等分别设计了不同的虚实结合方式。下面以“直流线性网络”实验项目为例进行详细阐述。
“直流线性网络”实验是一个综合性的经典电路实验案例，涉及直流线性网络的相关理论知识，包括叠加定理、基尔霍夫电压和电流定律、最大功率传输定理、戴维南定理、诺顿定理，以及直流线性一端口网络内阻等的相关概念，在后续电路理论学习中作用巨大，并能够训练电路连接方式和数据测试方法，还涉及测量误差、数据线性度等工程概念和方法。在本实验中，学生可以运用理论知识分析实验电路，学习正确使用仪器设备，掌握各类测试方法，了解相关工程概念，获得实验技能的训练；同时提升设计实验方案、根据实验要求分析和解决问题的能力，提升综合运用知识进行科学研究、自主创新的能力。
实验内容如下：观察实验数据之间的关系，分析叠加定理、基尔霍夫电压和电流定律、最大功率传输定理、戴维南定理、诺顿定理成立的条件，分析测定直流线性一端口网络内阻不同方法的优缺点，分析实验误差来源，改进实验方案，解决误差给数据结果带来的不良影响问题。
实验基础部分的内容是电路实验中典型的验证性实验内容，在第二、第三层次需要学生进行方案设计、论证、软件仿真、总结答辩等过程。
（1）第一层次要求：测试给定电路上相关的电流和电压数值，计算线性含源一端口网络的内阻和输出功率，观察各电压、电流、功率等数据之间的关系是否满足相关定理的描述，观察实验数据是否存在误差，分析误差来源。
（2）第二层次要求：改进实验方案或实验方法以便使实验数据的误差尽量减小；自行设计电路并进行相关实验数据的测量，以验证各相关定理。
（3）第三层次要求：如遇测量数据错误，如何分析数据以便确定错误的类型，并进行改正；研究如何合理设定电路的相关参数以便获得更直观的测量数据验证各定理。
教学实施流程如图4所示，教师在关键节点给予指导或评价。
（1）实验前预习—虚拟仿真实验。学生需要通过预习熟悉直流线性一端口网络相关定理的内容，思考如何测定线性一端口网络内阻，还需要通过实验中心的实验预约系统观看安全操作视频并完成相关安全测试，完成课前虚拟仿真实验，并学会仪器设备的使用方法。虚拟仿真实验包括由实验预约系统提供的在线仿真操作实验和使用Multisim、LabVIEW等软件进行仿真的实验。
如果学生有意愿完成第二层次的要求，则需要绘制相应的电路图，并通过虚拟仿真实验得出实验结果，以便与实验室现场操作数据进行对比。实验报告中设定了必须课前预习完成的内容包括实验目的、要求、原理和思考题等，学生需要正确填写实验预习报告的相关内容，设计合适的数据表格以便对数据进行分析。完成所有实验预约系统提供的预习实验内容后，会由系统自动评出预习分数。开课前，教师通过系统自动生成的预习分数、批改实验报告预习部分的内容、提问等方式了解学生的掌握情况。

图4 实验流程图
（2）实验中操作—现场实验测试。教师在具体电路上解释各定理的相关内容，给学生直观的印象。从简单的电路现象入手，逐步过渡到实验需要验证的定理中，带领学生一起思考何种测试方法适合在本实验中使用。用简单电路的多电源作用解释叠加定理；用电流守恒原理和并联电路电压规律解释基尔霍夫电流和电压定律；由线性含源一端口网络的外特性引出输出功率的概念及功率的变化过程；由上一次实验的电源等效电路开始介绍一端口网络的等效电路，并以开路、短路情况为例解释相应等效电路的参数构成；解释电路中某电压源和电流源不起作用时，为什么相当于短路或开路；解释内阻的概念，引导学生提出多种测试内阻的方法（有源网络如何测试，无源网络如何测试，是否可以将有源网络变成无源网络后再测试）；讲解如何正确连接直流电路，如何处理电源短路、开路的情况，如何正确使用各种仪器仪表，如何有效地进行数据测量。
学生根据课前预习及虚拟实验操作的学习内容，在实验室选择合适的仪器设备，并正确连接电路，获得正确的测量数据。通过观察现象、分析实验数据等得出相应实验结论；如遇数据错误，分析原因并改正。
学生在实验现场操作（见图5）中，教师需要及时给出正确的指导和引导，包括验收学生已连接的电路，如果电路连接有误，引导学生自己找到错误并提出改正方法；验收测试数据是否合格，如果不合格，引导学生分析问题产生的原因并找到解决办法；在对测试数据的分析中，引导学生找出数据的误差来源并加以验证。
（3）实验后总结—完成实验报告。教师在实验报告中设计合理的讨论问题，要求学生在实验后认真完成，字迹工整，条理清晰并上交教师进行批改，以确定学生对实验内容、实验过程、实验操作方法等的掌握情况。

图5 学生实验现场
第三层次要求答辩，学生需要准备PPT，其内容要求条理清楚，结构合理，翔实丰富，重点总结实验操作方法、实验方案的优缺点。答辩过程语言流利，能与其他学生进行恰当的交流并正确回答教师提出的问题。
4 结语
本文介绍了“电路实验”课程虚实结合实验教学体系的整体架构，在大连理工大学电工电子国家级实验教学示范中心建设的大背景下，遵循课程内容及教学方法的网络化、可视化、互动化原则，实现了虚拟仿真实验、远程实验、现场实验有机结合的实验体系，大大提升了学生的学习质量和学习效率。
随着计算机AI技术的大力发展，单纯的实验室现场操作已不能完全适应目前的教学方式。虽然虚实结合的开放课程已经越来越受到教育界和科技界的关注，获得了很多知名机构的大力支持，但和传统教育模式相比还有一定距离。在未来一段时间，虚实结合的开放课程建设还将是教育改革的重点，必须抓住机会，依据课程的教学内容、教学方法等加快虚实结合的开放实验课程体系的建设步伐。