鄧紅雷， 張仙玲， 汪娟娟

（華南理工大學電力學院，廣州510640）

0 引 言

電工與電子技術實驗是電工教學中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生實踐能力和工程思維的重要手段。多年來，我校電工與電子技術實驗一直都在實驗室進行，除了少部分電路和模電實驗采用軟件仿真模擬的形式外，大多數(shù)實驗都以在實驗臺搭建實物電路的方式進行。2020年疫情持續(xù)時間長，按照教育部“停課不停學”的指示與部署，為了不影響教學進度，我校部分專業(yè)在春季開展了電工與電子技術實驗課程的網(wǎng)上教學工作，將電工與電子技術實驗從現(xiàn)場搬到線上教學。

1 線上電工實驗教學的優(yōu)點與存在的問題

1.1 優(yōu)點

（1）授排課方便。電工實驗，學生人數(shù)與學時很多，現(xiàn)場實驗往往受到場地、實驗儀器、教師和學生時間以及理論課程進度的限制，只能分小班授課，見縫插針，實驗室總是排得滿滿的，甚至很多實驗課程只能放在理論課結(jié)束后的下一個學期進行，易造成實驗和理論課程脫節(jié)，使實驗課程失去了對理論課程的幫助理解加深認識的作用。而網(wǎng)上實驗授課只要有手機、電腦和網(wǎng)絡，可以隨時進行，授課排課異常方便，不受時間和場地的限制［1-2］。

（2）節(jié)約成本，操作安全。常規(guī)現(xiàn)場實驗，無論老師再怎么強調(diào)，總會出現(xiàn)部分學生接錯電路，造成元器件損壞的情況。多年經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，一個電工實驗班大約有10%的同學，會出現(xiàn)因運放芯片電源正負極極性、整流橋交直流、電容正負極接錯，造成元器件損壞的情況，甚至還曾發(fā)生過電容因極性接反發(fā)生爆炸造成學生眼睛受傷的情況。由于參與電工實驗的人數(shù)很多，累積下來，元器件的損耗花費也是一筆不菲的開支。而線上實驗是仿真實驗，沒有元器件的損耗，不僅安全，而且可以節(jié)約大量開支［3］。

（3）避免線路連接處接觸不良的問題。有現(xiàn)場實驗經(jīng)驗的老師都知道，線路接觸不良是最難發(fā)現(xiàn)和檢查的問題。實驗臺和導線運行時間過長時，會出現(xiàn)插孔氧化、連接導線插頭老化的現(xiàn)象，有時學生明明接線無誤，但是實驗結(jié)果就是不正確，對于這類故障，學生是很難自己檢查出來的，往往需要老師的幫助，如果這種情況發(fā)生過多，必然會拖累實驗課堂的進度，而網(wǎng)上實驗則不存在此類問題。

（4）實驗結(jié)果和波形更穩(wěn)定，更便于測量。實際現(xiàn)場實驗，由于實際元器件的差異性，得到的實驗結(jié)果會有一定的波動。而網(wǎng)上仿真實驗，由于元器件參數(shù)一致性好，實驗結(jié)果和波形會更穩(wěn)定，差異性更小，更容易判斷實驗結(jié)果的正確性；可同時采用多個虛擬儀表測量多個信號，無需增加額外的實驗設備；示波器一般具有回溯功能，可以直觀測量電容的充放電過程；實驗室不方便測量的電流波形，可通過電流探針將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過示波器顯示出來。

（5）接線更規(guī)整，易于檢查?，F(xiàn)場實驗，受試驗臺插孔位置的限制，部分同學會圖一時方便，亂引亂插，造成器件和導線在試驗臺上比較凌亂，一旦出現(xiàn)錯誤，往往不易檢查。網(wǎng)上仿真實驗，由于元器件擺放空間相對寬裕，不會出現(xiàn)導線滿天飛的情況，檢查相對更方便容易。

（6）可以進行破壞性實驗?，F(xiàn)場破壞性實驗，比如功率因數(shù)提高、電動機的正反轉(zhuǎn)控制等強電實驗，接線故障時，會造成短路，除了燒保險絲、引起熱繼電器和開關保護跳閘，嚴重時甚至損壞會電氣設備，而仿真實驗進行破壞性實驗則不會出現(xiàn)這些問題。

1.2 存在的問題

（1）紙上談兵，直觀性差，成就感不強烈。線上仿真實驗，元器件僅僅是一個個符號，缺乏直觀性，實驗課程都結(jié)束了，學生可能還沒有見過實物的樣子，實驗成功后的興奮度也不強?，F(xiàn)場實驗，如功率因素提高實驗，燈管亮了；電動機控制實驗，電動機正反轉(zhuǎn)起來了；計數(shù)器正常工作了，數(shù)碼管隨計數(shù)脈沖跳變了。效果非常直觀，都能給學生自豪感，成就感，留下非常深刻的印象。

（2）學生作弊更容易，實驗效果評估難度加大。原來現(xiàn)場實驗，獨立操作，盡管可能會抄襲鄰座的接線方式，但是大部分工作還是由學生本人獨立完成的。而線上實驗，部分同學遇到困難或者想偷懶時，通過QQ、微信，同學之間可以直接傳送仿真電路圖，復制粘貼電路更容易與方便，實驗報告、實驗電路與實驗數(shù)據(jù)造假更容易。

（3）答疑和解決問題相對不便?，F(xiàn)場實驗，學生遇到困難，自己無法解決時，可以隨時找老師、找鄰座同學咨詢，非常方便。線上實驗則只能通過騰訊會議或者QQ語音，以語音和屏幕共享等方式進行答疑，由于聯(lián)系方式是一對多，勢必會對其他同學造成干擾。

（4）部分實驗開展存在局限性。電路、模電和數(shù)電實驗都可以方便采用仿真軟件進行，但是電氣部分的實驗如電動機控制實驗、PLC實驗仿真開展不方便。

（5）易出現(xiàn)不收斂問題。有時單個電路模塊仿真調(diào)試沒有問題，但作為子電路接在一起時就出現(xiàn)仿真錯誤，最常見的問題是不收斂，出不了結(jié)果，想解決的話，要么有大量的仿真經(jīng)驗，知道哪些地方可能造成不收斂，要么能從仿真軟件出來的那一堆提示信息中找到重點，要么抓瞎碰運氣。

2 線上實驗教學實施措施

為了最大化利用線上實驗教學的優(yōu)點，克服其缺點，上好電工學線上實驗課，采取了如下的一些措施，經(jīng)過半年多的線上教學的實踐，取得了較為滿意的效果。

2.1 選擇合適的仿真與教學軟件

工欲善其事，必先利其器，一個簡單方便實用的網(wǎng)上實驗教學與仿真軟件，是做好線上實驗教學的基礎。目前常用的線上教學工具有騰訊課堂、雨課堂、QQ和騰訊會議等。比較與測試結(jié)果表明，騰訊課堂、雨課堂理論授課比較方便，騰訊會議可以方便地開啟視頻共享調(diào)試程序，更有利于監(jiān)督學生與提問答疑。因此，采用騰訊會議進行電工與電子技術課程線上實驗教學更合適。

對于電路仿真，Electronic Workbench、Proteus、Pspice、Matlab等軟件都可以實現(xiàn)，但是從電路創(chuàng)建、虛擬儀器調(diào)用、仿真參數(shù)設置、電路調(diào)試及結(jié)果觀察的便捷性和直觀性來看，Multism明顯更勝一籌［4-5］。Multism 14是美國國家儀器公司（NI公司）推出的新版本，可以完成模擬/數(shù)字電路、集成運放、射頻電路、電子測量、電源電路等眾多電路的設計及仿真，特別適宜于指導學生開展電工綜合性設計和實驗，培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。

電動機控制系統(tǒng)的仿真一直是電工學仿真的難點，一般的仿真軟件難以實現(xiàn)，Matlab/Simulink雖然也可以進行電動機的仿真，但是更側(cè)重于電動機的整個動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程的分析和計算［6］；盡管Multisim主要面向電路設計與仿真，但它里面有個機械模塊，對機械模塊的部分器件進行整改后，也能方便地實現(xiàn)電動機控制系統(tǒng)的仿真。

經(jīng)過綜合比較，選擇Multisim進行仿真實驗，采用騰訊會議進行電工實驗課程的線上教學。

2.2 調(diào)整教學內(nèi)容，做好難點準備工作

現(xiàn)場實驗，學生可以直接從老師事先準備好的實驗盒中取元器件，只需辨認元器件的參數(shù)大小即可。線上軟件仿真，所有的元件必須從對應的元件庫中找，但是元件庫里面元器件種類繁多，有實際器件，還有虛擬器件，教師必須事先確定實驗內(nèi)容、元器件的參數(shù)和型號，不然學生會很迷惘，無所適從。

此外，還需要對原有教學內(nèi)容進行調(diào)整，甚至對部分實際電路進行改造，以滿足在線實驗的需要。比如功率因素提高，就需要用RL等效電路代替實際的燈管電路，因此，相關的電阻與電感值必須事先計算和確定下來。

電動機控制系統(tǒng)的仿真實驗是難點之一，也必須事先做好準備。圖1所示電動機的正反轉(zhuǎn)控制是電工學中常見的一個實驗。由于Multisim 14中沒有現(xiàn)成的接觸器、熱繼電器模塊，必須對原有電路進行改造，以滿足仿真實驗在Multisim 14中電動機控制電路的改造與實現(xiàn)過程的要求［7-10］。

圖1 包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制電路

（1）三相交流電源取自“電源器件”庫（Source）中的“電源”模塊（Power_Sources）中的“三相交流電源”（Three_Phase_WYE），簡寫為Source/Power_Sources/Three_Phase_WYE（注：后續(xù)全部采用簡寫方式），并將頻率設置為50 Hz，相電壓為220 V。電動機取自“機電類元件”庫中的“三相鼠籠式電動機”模塊，即Electro _ Mechanical/MACHINES/INDCUTION _MACHINE_SQUIRREL_CAGE，采用默認的設置，電動機額定電流為270A。

（2）組合開關Q取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/3pst_SB；復合按鈕S1（正轉(zhuǎn)啟動按鈕）、S2（反轉(zhuǎn)啟動按鈕）取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_DPST，分別用鍵盤上A、C鍵控制；停機按鈕SB1取自Electro_Mechanical/Supplementary_SWITCHES/PB_NC，用鍵盤上B鍵控制。

（3）控制電路需兩個交流接觸器，每個交流接觸器包括1個線圈、4個常開觸點、1個常閉觸點，由于Multisim 14中沒有專門的交流接觸器模塊，需要自己設計改造。改造后的交流接觸器模塊如圖2所示。4個時間繼電器取自Electro_Mechanical/TIMED_NOTO（J1-J4，常開觸頭），1個TIMED_NCTC（J5，常閉觸頭），連接在一起，分別接到輸入口IO1～IO6與輸出口IO7～IO12，注意IO1、IO7是接觸器線圈的輸入輸出口，IO2～IO5是常開觸點的輸入口，IO8～IO11是常開觸點的輸出口，IO6、IO12是常閉觸點的輸入、輸出口。為使控制電路更簡潔，可以選擇“放置/替換為子電路”（place/replaced by subcircuit）將其封裝成一個子電路系統(tǒng)，命名為正轉(zhuǎn)接觸器KMF，如圖3所示；反轉(zhuǎn)交流接觸器可以直接復制KMF即可，命名為KMR。

圖2 改造后的交流接觸器模塊圖

圖3 交流接觸器子電路封裝圖

（4）Multisim 14中的保險絲最大電流只有30A，不能滿足要求，故用Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/OVERLOAD中過載模塊代替，見圖4中S3～S5。由于電動機額定電流為270 A，故保險絲熔斷電流取為270×2.5=675 A。

（5）S6～S9對應熱繼電器FR模塊，S6～S8為發(fā)熱元件，S9為動斷觸點，均取自Electro_Mechanical/PROTECTION_DEVICES/THERMAL_OL，如按照熱繼電器電流整定值為（1.1～1.5）×額定電流的選取原則［7］，取1.5×270=405 A，電動機正常工作時，熱繼電器觸頭會跳開，故將熱繼電器的電流整定值稍微取高一點，取為450 A。

（6）電流表取自Indicators/AMMETER_H，注意要設置為交流模式。

最后得到的包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制仿真電路圖如圖4所示。

圖4 包含電氣和機械聯(lián)鎖的異步電動機正反轉(zhuǎn)控制仿真電路圖

2.3 做好示范性演示操作和建立易錯知識庫

萬事開頭難，第1次仿真實驗課時，由于大部分非電類專業(yè)同學平時沒有接觸過電器元件，因此往往不知道從何處下手，找不著元器件和儀器在哪里，也不知道如何運行仿真電路和判斷實驗結(jié)果是否正確。老師將課件和教學視頻發(fā)布在網(wǎng)上，督促學生提前預習，同時要手把手的演示，做好示范性工作，最好當堂搭一個電路，現(xiàn)場演示一番，告訴學生器件和儀表從哪些庫里面??；如何運行與觀看輸出結(jié)果；儀器設備如示波器、電壓表、電流表該怎么用。

要有意識地建立易錯知識庫，提高實驗效率。針對每個實驗，事先制定每次實驗的接線和測量易錯項，放入易錯和解決辦法庫，并在以后的實驗過程中不停補充，逐漸修改完善；實驗學習有個摸索的過程，學生剛開始錯誤比較多，所以老師剛開始課程講解時要特別仔細，以便減少學生后期的出錯概率，要重點注意中西方元器件符號的差異性、示波器的耦合方式、電壓、電流表的交直流、導線的跨接易錯點。

教師可以故意接錯線，通過具體的仿真出錯方式，告訴學生出錯的原因和可能的解決方法，以便學生碰到類似問題時自行解決。在使用Multisim進行電路仿真時，有時在原文件中仿真沒問題，但是復制粘貼到另一個文件后會出現(xiàn)仿真出錯；有時各單個模塊仿真沒問題，但組合起來就出錯。常見的錯誤提示有：①分析計算不成功，因為矩陣是奇異的（Analysis calculation was unsuccessful because the matrix is singular）；② 瞬態(tài)時間點計算未收斂，模擬被取消，有關更多信息，請參見收斂幫助文件（Transient time point calculation did not converge，Simulation canceled.See convergence help for more information）。對于第1個出現(xiàn)矩陣奇異的解決辦法，可從電路原理入手，看看設置的參數(shù)是否合理；精度要求是否太高；激勵是否合理等。仿真的電壓源都是理想電壓源，所以無需再放一堆去耦濾波電容，在有些關鍵路徑上的電容串一個小電阻對解決不收斂可能有奇效。第2個不收斂的錯誤可從以下幾方面進行解決：首先檢查電路連接是否正確；有沒有漏連接、元器件孤懸的地方，如GND、信號線之類的。其次，耐心等待。一些在單獨仿真時很快出結(jié)果的電路模塊，與其他電路模塊合并時，仿真需要計算的數(shù)據(jù)變大，仿真速度變慢，輸出波形的速度也變慢，所以等長一些時間也許就可以輸出波形了。此外，還可嘗試通過修改仿真參數(shù)解決，如按照以下步驟：菜單-＞仿真（simulate）-＞ Analyses and simulation（H）-＞interactive simulation，修改“結(jié)束時間”（End time）為合適的時間，將“最大步長時間”（Maximum time step）修改得更小，初始步長設置更小。注意，初始步長要小于最大值，同時，將仿真步長設得更短后，仿真的速度也會相應變得更慢。

2.4 構建內(nèi)容與考核方式多元化的在線實驗課程教學體系

將新的教育教學模式融入實驗教學中，以學生為中心，突破傳統(tǒng)的教學空間，擴展教學模式和教學手段，進行教學資源整合、拓展和優(yōu)化，構建內(nèi)容與考核方式多元法的在線實驗課程教學體系［11-12］。

目前我校電工電子實驗，根據(jù)難易程度，可以分為基礎實驗模塊與綜合性設計實驗模塊。針對在線實驗，學生容易作弊的缺陷以及為了培養(yǎng)學生運用知識的綜合能力和創(chuàng)新意識，發(fā)揮主觀能動性，可以適當減少基礎性實驗，增設研究探索型設計實驗。研究探索型設計實驗要求學生根據(jù)擬定的實驗要求，完成資料查閱、實驗方案篩選、器件選擇、電路仿真調(diào)試、設計報告提交等全部功能，能夠極大增強學生的積極性，提高學生實驗內(nèi)容的深度和廣度、實驗的質(zhì)量、效率和靈活性［13-14］。為了提高學生的參與度與積極性，可以將研究探索型設計實驗的考核分值提高到20%。

實驗考試采用在線自主綜合實驗的形式，人手1題，內(nèi)容不一，難度比平時實驗要求稍高，在規(guī)定的時間內(nèi)完成?？荚嚂r，學生開啟手機騰訊會議作為監(jiān)控，在電腦上進行仿真模擬考試，在規(guī)定的時間完成后，再將仿真實驗圖和相關實驗結(jié)果的電子版?zhèn)鞯嚼蠋熰]箱，由于時間緊，題目不一，基本杜絕了作弊的可能性。因為騰訊會議可以記錄考試過程，仿真實驗也更具可復現(xiàn)性，因此，老師更能仔細考查學生的綜合能力［15-16］，包括：① 學生的動手能力和獨立思考的能力。是否能夠自主地進行實驗？是否能夠正確地使用有關儀器和設備；是否能獨立思考解決實驗中出現(xiàn)的一些簡單的問題和小故障。② 學生設計實驗的能力。實驗原理圖是否設計正確；實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)的表格是否恰當。③ 實驗是否成功；數(shù)據(jù)是否合理。

通過增設研究探索型實驗（20%）與綜合性實驗考查（40%），結(jié)合平時的實驗報告和實驗過程（40%），基本上能夠全面評估與考查一個學生真實的實驗水平和綜合實驗能力，給學生一個全面客觀的評價。

3 結(jié) 語

電工與電子技術實驗采用網(wǎng)上在線實驗方式，具有授排課方便、安全、節(jié)約成本、不存在接觸不良的問題。實驗結(jié)果和波形更穩(wěn)定、接線更規(guī)整、易于檢查、可以進行破壞性實驗的優(yōu)點。實踐表明，通過選擇合適的仿真與教學軟件，事先調(diào)整教學內(nèi)容、做好難點的準備工作，做好示范性演示工作和建立易錯知識庫，選擇合適的教學方式，增設探究性實驗，構建實驗內(nèi)容與考核方式多元法的實驗課程教學體系，可以較好地完成電工與電子技術實驗課程的線上教學工作，相關研究與實踐為電工學實驗的教學改革提供了可以借鑒的思路。