谷良田，李派霞，席紅霞，王 瑛

（北部灣大學，廣西 欽州 535011）

0 引言

遠程教學注重個性化和社會需求[1]。受新冠肺炎疫情的影響，“停課不停學”的需求進一步突出了遠程教育的重要性。本文基于“電路分析實驗”課程的特點，立足教學目標對學生能力的要求，重構(gòu)教學內(nèi)容，基于EDA軟件，對遠程開展“電路分析實驗”課進行了研究和實踐，并通過設(shè)計相應的考核辦法對教學效果進行了檢驗，結(jié)果達到教學要求，為遠程開展此類實驗課程提供一些借鑒。

1 課程特點及開展遠程教學的難點

1.1 “電路分析實驗”課程特點

“電路分析實驗”是一門基礎(chǔ)實驗課程，課程內(nèi)容主要是驗證歐姆定律、基爾霍夫定律、疊加原理、互易定理、戴維南定理、諾頓定理等基礎(chǔ)電學理論。在這些驗證實驗的基礎(chǔ)上可設(shè)計綜合、復雜的實驗項目，培養(yǎng)學生電學實驗操作習慣與思維，提高學生動手能力。這門課程一般安排在學習電路分析理論基礎(chǔ)之后、開設(shè)所有專業(yè)課之前，是一門專業(yè)基礎(chǔ)性的實踐課程。該階段的學生還未做過類似的實驗，對電學實驗的基本方法、操作規(guī)范、基本的儀器儀表使用等都不甚了解。因此，該實驗課程不僅對“電路分析”課程所涉及的重要理論進行驗證，還是引導學生電學實驗入門的重要課程，起到培養(yǎng)學生建立基本的電學實驗思維的作用。

1.2 電路分析實驗課遠程開展的難點

通常此類實驗在專門實驗室使用專用實驗設(shè)備開展。這種方式雖然能讓學生接觸到實驗設(shè)備鍛煉動手能力，但實驗設(shè)備面板上安裝了多個實驗項目所需的線路與元器件，單個實驗僅僅用到其中某些部分，再加上設(shè)備上許多電學標號是在理論課中沒有涉及的，這給初學者帶來很大困擾。另外，設(shè)備出廠時已設(shè)定實驗項目，可調(diào)整范圍小，且需要學生實地上課，不能靈活開展。

常見的具有電路仿真功能的軟件有Proteus、Multisim、Altium Designer等[2]，通過電路仿真軟件可以克服硬件條件的束縛，但僅通過仿真軟件無法替代上機操作實驗[3]。主要原因：大多仿真軟件為國外軟件，需要付費才能獲得使用授權(quán)許可；部分仿真軟件功能豐富，使用繁瑣，無法在有限的學習時間內(nèi)掌握；部分仿真軟件難以接近實際環(huán)境，學生獲得直觀感受的程度小。

2 解決方案及實施流程解析

在疫情時期，為了使學生既能在遠程熟練運用實驗理論，又能從實際操作中得到鍛煉，提升實驗動手能力，培養(yǎng)電學實驗思維，本文基于EDA軟件實現(xiàn)線上仿真。EDA軟件簡單易學，可線上定制印刷電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）；通過線上商城購買元器件，線下郵寄至學生手中；教師使用遠程視頻會議軟件指導學生完成線下實驗操作。遠程開展線上線下電路分析實驗課程的流程如圖1所示。

圖1 遠程開展線上線下電路分析實驗流程

2.1 線上仿真及設(shè)計電路PCB

教師線上注冊并創(chuàng)建EDA班級，將學生的賬號加入班級學習群，進行班級工程組管理，能隨時查看學生線上仿真實驗項目的進度。用EDA軟件進行仿真實驗流程如圖2所示，主要步驟：從仿真模式下的元件庫里選取仿真模型添加到編輯區(qū)，按實驗電路將已添加的仿真元件進行連接；在仿真電路中添加需要的仿真儀器儀表、激勵源；設(shè)置各元件、儀器儀表和激勵源的參數(shù)使其符合實驗條件，最后設(shè)置仿真軟件環(huán)境的參數(shù)即可運行仿真[4-5]。仿真運行后，觀察儀器儀表的現(xiàn)象并記錄相應數(shù)值，如果需要改變條件重復實驗，可通過改變元件參數(shù)或改變儀器儀表測試對象來實現(xiàn)。

圖2 仿真實驗流程

通過仿真實驗的電路可進行PCB設(shè)計。其設(shè)計主要流程如圖3所示，包括在元件庫中選取元件、在原理圖編輯窗口中設(shè)計電路原理圖、為每一個元件添加PCB封裝、將原理圖設(shè)計的電路信息導入到PCB設(shè)計編輯文件、在PCB文件中進行元件布局和布線、不斷優(yōu)化完成PCB設(shè)計等步驟。值得注意的是，設(shè)計PCB時需要考慮實驗操作的便捷性，如預留好各種接線端子；為了測量方便，還需要在必要的支路上留有短接和斷路端子；對于需要在實驗時更換的元件預留插座替代等。PCB設(shè)計完成后，教師對PCB設(shè)計文件進行審核，確保學生所設(shè)計的PCB工藝可實現(xiàn)、功能滿足實驗要求，然后再指導學生購買相應的元器件和工具。以上工作完成后學生即可開展線下實驗。

圖3 PCB設(shè)計流程

2.2 線下實驗操作指導

實驗項目的原理圖和PCB設(shè)計完成后，發(fā)送至PCB工廠進行樣板加工。經(jīng)過線上仿真實驗和PCB設(shè)計，學生已具備一定的知識儲備，線下較易裝接PCB實驗電路。教師確認學生都獲得PCB、相關(guān)元器件及必要的焊接、測量工具后，遠程指導學生裝接實驗電路板。遠程指導包括以下幾個步驟：

1）以群直播或其他會議視頻方式指導全體學生檢查元器件和工具，熟悉必要的裝接工藝和知識。

2）指導學生裝接電路。

3）指導學生進行電路板關(guān)鍵測試點測試，以確定裝接質(zhì)量；針對個別未能完成任務的學生進一步指導。

4）指導學生遠程開展線下電路分析實驗項目操作，觀察學生操作步驟和過程，引導學生注意對比理論、仿真、實操的區(qū)別和聯(lián)系。

5）針對具體實驗項目進行舉一反三訓練，著重培養(yǎng)學生知識遷移和運用能力。在教學實施過程中，引導學生將知識遷移到實際應用的例子，例如練習“電路中電位”這一實驗時，與測量家用三孔插座的火線、零線、地線電位進行類比。遠程指導線下使用PCB實體開展實驗時，通過遠程視頻軟件展示實驗室設(shè)備對應的功能模塊，分析實驗電路元件在PCB板和設(shè)備上的表示形式以及對應關(guān)系，介紹兩種形式實驗的等價處理方法。如圖4所示為“電路中電位”實驗所用PCB與實驗室設(shè)備功能模塊的對比。

圖4 “電路中電位”實驗電路對比

6）批閱學生實驗報告，重點關(guān)注學生對實驗結(jié)果的分析。

3 教學效果檢驗與分析

3.1 教學效果檢驗設(shè)計

本文通過對照法進行教學效果檢驗。將歷屆在實驗室設(shè)備上完成電路分析實驗學習和上機考核的學生作為對照組，遠程線上線下開展電路分析實驗的學生作為實驗組。因疫情原因，實驗組學生僅能接受遠程線上線下實驗課程，即本文檢驗的自變量為開展實驗形式，其取值為“接受實驗室設(shè)備上完成電路分析實驗學習”和“接受遠程線上線下完成電路分析實驗學習”這兩種情況。

對照組考核采取抽取題庫題目進行上機操作的形式，題庫中的實驗項目為與已學實驗項目難度相似的實驗。因疫情好轉(zhuǎn)，實驗組學生回到學校后僅需1個小時的實驗室適應和檢查時間，在沒有用實驗設(shè)備開展具體實驗項目練習的前提下，按照對照組考核方式和要求進行考核。采取與對照組統(tǒng)一標準進行考核評分，對比兩組學生考核成績即可反應兩種方式的教學效果。實驗組雖然線上仿真可進行多種實驗，但在線下自行練習時因?qū)嶒灣杀镜南拗?，不能配備示波器、函?shù)信號源、功率因數(shù)表等設(shè)備，因此考核避開了少部分需要此類設(shè)備的考題。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)可比性，僅挑選抽中與實驗組考題類似的學生數(shù)據(jù)作為參照。

3.2 檢驗結(jié)果與分析

經(jīng)篩選往屆3個年級11個班中307名學生的實驗項目，考核題目符合對照要求,將其數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，同時對本次實施遠程教學模式的所有學生（共86人）的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。整理出實驗組和對照組的數(shù)據(jù)，學生考核成績分布如圖5所示。

經(jīng)統(tǒng)計分析，實驗組學生成績的方差為211.08，總體標準偏差為14.44；對照組學生成績的方差為230.15，總體標準偏差為15.15。根據(jù)圖5可知，兩者分布規(guī)律相似。因此，遠程線上線下電路分析實驗的教學效果接近在實驗室訓練的教學效果。

4 結(jié)語

本文根據(jù)“電路分析實驗”課程的特點，利用EDA作為核心軟件工具，遠程開展線上線下實驗教學，解決了疫情期間學生不能到校使用實驗設(shè)備開展電路分析實驗的問題。這種實驗教學方式具有不需要建設(shè)實驗室、不受地域約束、靈活、學生易于上手且便于掌握實驗原理等優(yōu)點；但實驗平均成本高,受成本限制無法開展一些需要費用較高儀器（如示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、功率因數(shù)表等）的實驗項目。因此，這種方式并不能完全取代在實驗室集中開展實驗，它可作為一種輔助手段對電路分析實驗教學進行補充，也可為“電路分析實驗”課程重構(gòu)、線上線下課程改革等帶來新的思考。