崔曉

【摘? ? 要】電路原理實驗是電子信息類專業(yè)學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)階段最先接觸到的實驗課程，教師通過精心設(shè)計實驗項目和刻意引導(dǎo)，在培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)方面起著不可或缺的基礎(chǔ)性作用，體現(xiàn)在工程近似與折中觀念的實驗體驗、實驗測試方案的多樣性培養(yǎng)工程直覺能力、變通測試方法培養(yǎng)創(chuàng)新意識以及電路仿真培養(yǎng)工程安全意識。

【關(guān)鍵詞】工程素養(yǎng)? 電路原理? 實驗

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.108

與理科學(xué)生的“認識客觀世界”的培養(yǎng)目標相比，工科學(xué)生的職業(yè)發(fā)展決定著他們將要承擔(dān)“改造客觀世界”的任務(wù)，需要具備現(xiàn)場解決工程項目中的實際問題的能力。工程項目通常具有不確定性、非線性的特點，使得工程背景和現(xiàn)場條件的各不相同，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可循，這就需要培養(yǎng)的工科學(xué)生具備在復(fù)雜的實際問題中識別主要矛盾，化繁為簡地形成經(jīng)濟可行的解決方案，在工程實踐中不斷完善自己的知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗，形成良好的工程素養(yǎng)。

一、工程素養(yǎng)及其構(gòu)成要素

工程素養(yǎng)是從事工程技術(shù)工作的工程師們所具備的基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論、基本技能。它的主要內(nèi)容包括工程意識、工程知識、工程能力和工程倫理。調(diào)查表明，大學(xué)生的工程倫理水平最高，工程能力水平、工程知識的掌握程度也較高，工程意識最為薄弱。工程意識是工程人對工程造物活動的看法、態(tài)度和行為傾向，是他們對于自身社會角色及其價值、責(zé)任和理想的自我體驗和自覺反映。工程意識可以體現(xiàn)在創(chuàng)新意識、合作意識、安全意識、實踐意識、質(zhì)量意識等方面。意識是行動的導(dǎo)向，在學(xué)習(xí)中有了工程意識，才會主動參與到工程實踐中，以合格工程師的標準來嚴格要求自己。對于工科專業(yè)的學(xué)生而言，工程素養(yǎng)需要在大學(xué)階段的學(xué)習(xí)中初步形成，在工作崗位的實踐中進一步養(yǎng)成。

二、電路原理實驗課的地位與學(xué)生表現(xiàn)現(xiàn)狀

電路原理課程一般安排在大二的第一學(xué)期，是電類專業(yè)工科學(xué)生接觸電類工程概念與工程分析方法所學(xué)的第一門電類專業(yè)課，是電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，不僅要完成電路原理自身的教學(xué)內(nèi)容，還承載著培養(yǎng)興趣和奠定基礎(chǔ)的作用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定扎實的基礎(chǔ)。通過該門課程的學(xué)習(xí)，掌握一些基本的電路概念和定律等原理知識，理論學(xué)習(xí)內(nèi)容較多;更要了解不同電路理論的應(yīng)用條件和背景、電路模型的適用性及其對實際電路的影響，形成工程的概念和思維方法，如工程建模的方法、近似處理的方法、工程處理中的優(yōu)化與折中等。作為與其配套的實驗教學(xué)，電路原理實驗課是電子信息類專業(yè)重要的實踐環(huán)節(jié)，它在學(xué)生的理論知識與工程知識間起著橋梁作用，是培養(yǎng)電類專業(yè)學(xué)生學(xué)科技術(shù)素質(zhì)和工程素質(zhì)的基礎(chǔ)，也是他們終身發(fā)展的基礎(chǔ)，該課程的教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到電類畢業(yè)生未來的工作和發(fā)展。

電類專業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的數(shù)理知識偏重于培養(yǎng)在理想條件下的解題能力，具備較強的理科思維，在電路原理課程中表現(xiàn)為比較注重解題方法，認為會做題就達到了學(xué)科要求，實驗只是無關(guān)緊要的。對實驗認識的偏頗導(dǎo)致一些學(xué)生在實驗課程中表現(xiàn)不夠理想，如：1.態(tài)度上不夠重視，做實驗時應(yīng)付了事;2.實驗技能不強，對常用儀器如電流表、示波器掌握不熟練;3.理論應(yīng)用能力欠缺，不能熟練應(yīng)用所學(xué)理論解決實驗問題。這些表現(xiàn)反映學(xué)生的工程意識薄弱，需要專業(yè)教師正確的引導(dǎo)和刻意強調(diào)。

三、電路原理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的策略

作為獨立設(shè)置的實驗課，除了本身具有的理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生的合作精神之外，經(jīng)過教師精心設(shè)計的實驗項目和有意識的引導(dǎo)，在提升學(xué)生的工程觀念、工程能力和工程意識方面，將有著不可替代的作用。

（一）工程近似與工程折中的觀念

RLC串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)測量，教材中給出的品質(zhì)因數(shù)定義是諧振時電感感抗（或電容容抗）與電阻R的比值。在實驗室測量時需考慮便捷度，通常是諧振時電感（或電容）的電壓與電阻電壓的比值。從理論定義到實驗測定，反映出理論與實踐的區(qū)別：1.表現(xiàn)在測試方法上;2.理論值與實際值的差別。按照實驗步驟，采用諧振時電感與電容電壓值相等的方法測出諧振頻率，根據(jù)標稱的元器件電阻和電感數(shù)值（電容值），由定義式計算品質(zhì)因數(shù)，與測定品質(zhì)因數(shù)相對比，測定值比理論值小，存在不小的誤差，此時學(xué)生會產(chǎn)生疑惑。教師可以提醒學(xué)生，公式適用的是理想元件，計算時只考慮了電阻的阻值，而測試時電感、信號源的阻值都是實際存在的，實際材料與理想材料有差別，元器件實物本身與元器件數(shù)學(xué)模型不同，正是這些隱蔽電阻的阻值導(dǎo)致了測量值與理論值的差異。

元器件的物理模型是對元器件的抽象，根據(jù)使用條件，抓住主要的本質(zhì)特征，忽略非本質(zhì)的次要因素。不可避免存在的工程誤差就是在工程操作中確?；拘阅苤笜说那疤嵯拢龀龅囊环N折中，這種誤差的存在具有合理性。模型表征元器件從嚴謹、周密、完美的理論思維向近似、受限、實用的工程思維的轉(zhuǎn)變。工程設(shè)計時應(yīng)當(dāng)預(yù)見到誤差的存在，并在參數(shù)上留出冗余，以確保項目整體的質(zhì)量。

（二）測試方案多樣性培養(yǎng)工程直覺能力

戴維南定理是電路原理實驗中非常重要的內(nèi)容之一，它是將任意有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效為電壓源與電阻的串聯(lián)形式，電壓源電壓就是該一端口的開路電壓，電阻是一端口的無源等效電阻。實驗室中戴維南定理的測量方法有多種，可以讓不同分組的學(xué)生選用不同的測量方案，自選測試器材，通過實驗?zāi)艿玫綆缀跸嗤慕Y(jié)果。在工程實踐中，一個任務(wù)的完成往往會有多種方案，這些方案之間并不是簡單的孰優(yōu)孰劣的差別，而是實現(xiàn)條件的不同。工程教育就是要培養(yǎng)學(xué)生具備工程直覺能力，在工程現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境中，能夠在眾多的解決方案中快速找出兼顧質(zhì)量和成本的最佳方案處理工程問題，實現(xiàn)工程目標。

（三）變通思維培養(yǎng)工程創(chuàng)新意識

創(chuàng)新意識的培養(yǎng)包含在創(chuàng)造性的解決實驗中遇到的問題、靈活處理實驗過程中具體問題的能力。在電路原理實驗中，電流與電壓的測量方法不同，電流的測量需要將被測電路斷開因而會顯得比較麻煩，但電流測量是不可避免的。固定電路的實驗設(shè)備配有測電流的專用線，其原則是通過專用線斷開內(nèi)部電路，而后在斷開處通過電流表連接起來。隨著實驗耗損的增加，專用線可能出現(xiàn)故障導(dǎo)致實驗無法測量。此時，引導(dǎo)學(xué)生自己動手，采取將測試電路兩端斷開的方法，使原來的電路變成必須經(jīng)過電流表的通路，以此達到測量被測支路的電流的目的。

這種通過變通思維解決問題的能力，近可以遷移到在做電路實驗時遇到器件故障時，學(xué)生首先想到的不是放棄，而是積極尋求替代方案以完成實驗任務(wù);遠則可變成一種內(nèi)在的精神，在學(xué)習(xí)和工作中遇到困難和問題，能夠迎難而上，主動尋找解決問題的方法和思路，直至攻克難關(guān)。工程的實際問題總是存在著不確定性和不可預(yù)知性，學(xué)生實驗中也會遇到新穎的問題，善于利用這樣的機會培養(yǎng)學(xué)生隨機應(yīng)變的能力，比實驗結(jié)果本身更具有意義。

（四）仿真實驗培養(yǎng)工程安全意識

在工程實踐中，安全可靠性關(guān)乎工程設(shè)備的安全和人身安全，工程師們應(yīng)當(dāng)具備安全無小事的意識，不做無謂的嘗試。隨著信息技術(shù)與課程教學(xué)的融合，在電路原理實驗中引入計算機仿真以完成電路設(shè)計、功能驗證等工作，為真實實驗提供依據(jù)。在電路實驗中，當(dāng)無法確信實驗是否安全無誤時，可以通過仿真觀察實驗結(jié)果，定性或者定量分析不同結(jié)果的產(chǎn)生原因，合理設(shè)定實驗內(nèi)容，以確保實物實驗取得成功。

三相交流星形連接方式有兩種，即帶中線的三相四線制和不帶中線的三相三線制。對于三相四線制，由于中線的存在，負載無論是均衡的或是不均衡的，其工作方式不受影響，都可以正常工作;三相三線制在均衡負載時正常工作，當(dāng)負載不均衡時將發(fā)生負載中性點偏移，造成三相負載的電壓不對稱，其結(jié)果是負載輕的由于相電壓過高被毀，負載重的由于相電壓過低不能正常工作。一些教師在教學(xué)中只安排做三相四線制的所有實驗，對于三相三線制只做均衡負載，非均衡負載則不做實驗，直接告訴學(xué)生實驗結(jié)果，以達到保護實驗設(shè)備的目的。

在實驗室安排這個實驗時，由于是強電，為避免燒壞實驗設(shè)備同時保護學(xué)生，要求學(xué)生先通過Multisim仿真觀察結(jié)果，而后在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，降低源端電壓，再在實驗室實驗。將非均衡負載的仿真與實際電路相結(jié)合，借助于虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點，既完成所有的實驗，也達到培養(yǎng)學(xué)生的安全意識的目的。

四、結(jié)束語

作為電路原理課程的重要實踐環(huán)節(jié)，電路原理實驗是學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)階段最先接觸到的實踐性課程，在該課程的教學(xué)中有意識的培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、能力和意識，有助于他們在后續(xù)的專業(yè)課程中重視實踐，掌握扎實的專業(yè)知識，具備良好的專業(yè)素養(yǎng)，為將來成為優(yōu)秀的工程師奠定基礎(chǔ)。【基金項目：鄭州師范學(xué)院本科教學(xué)改革研究項目（重點）：應(yīng)用轉(zhuǎn)型背景下的師范院校非師專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究（編號：JXGG-20842）。】

參考文獻

[1]王章豹.大工程時代的卓越工程師培養(yǎng)[M].上?？萍冀逃霭嫔纾?017.

[2]周玲.上海高校學(xué)生工程素養(yǎng)調(diào)查報告[J].高等工程教育研究.2016（5）：106-111.