以工程场景创新“三电”课程教学形态：联结课堂、仿真与实验

韩 芳，徐 刚，封居强

1 教学形态改革背景

“三电”课程是指工科电类专业的重要基础课程，包括：“电路分析”“模拟电子技术”“数字电子技术”，“三电”课程的学习效果直接关系到后续专业课程的学习［1］.该课程教学存在以下两个问题：①理论与实验各自构建学习体系，在空间和时间上是割裂的.理论课强调理论体系、模型计算，欠缺物理概念和工程设计；实验课偏重对底层元器件、基本电路模型的性能验证，缺少应用性分析［2］；②“三电”课程与自动化专业后续专业课如“信号与系统”“传感器与检测技术”“自动控制原理”等有一定的交叉冗余［3］，但课程组织体系有着“至底而上”的特点，课程与课程之间的联系薄弱，面向后续专业课程的模块化、系统化的集成与设计不足［4］.

受疫情影响，教师需要调整教学方式，转变教学理念，借助多媒体信息技术开展网上信息化教学实践活动，空间的跨越带动了课堂单向信息传递向双向信息交互的转变，教师和学生对线上教学的认知度和认可度逐渐提高［5］.观念变革是形态变革的前提，体验了线上知识互动优势的教师和学生更加注重课堂的情景化互动体验，变革课堂形态的需求尤为迫切.工科课堂教学的形态变革本质上是从教学观念到学习方式的变革，联结课堂、仿真、实验能够提高课堂教学的有效性，促进学生专业认知的结构化、系统化.

2 跨平台实践项目体系的建设

美国国家仪器（NI）公司开发的跨学科实验教学平台ELVISⅢ将仪器和嵌入式设计与网络驱动的体验相结合，集成了常用的仪器仪表，如：示波器、函数及任意波形发生器、数据生成器、数字万用表、可调电源、波特分析仪、电流电压分析仪等［6］，以及可用于搭建实验电路的原型板.结合Measurements Live测量平台可实现交互式在线仪器控制功能，用户在任何地点、任何时间可通过Web浏览器访问和使用ELVISⅢ上的仪器进行在线测量.Multisim Live是一种工业标准的在线电路仿真环境，通过运行线上仿真电路，实时反馈仿真结果.LabVIEW是标准的数据采集和仪器控制开发软件，基于仪器系统测试平台实现信号的处理、分析和控制［4］.

跨平台实践项目体系的核心就是通过Multisim Live仿真平台、Measurements Live测量平台、NI ELVIS III原型电路设计平台以及LabVIEW测试开发和验证平台，融合“三电”课程的课堂教学和实践活动，将分散的课程实验内容贯通，体现电子电路实践内容的连贯性.

学生掌握“三电”课程的基本实验后，与后续的“传感器电路”“检测系统”“虚拟仪器”等课程的实践内容系统地整合，开展以信号的演算、处理、变换、控制为目的的项目实践，如测控电路，包括放大电路、调制解调电路、信号运算电路、信号转换与控制电路、数字逻辑控制电路［7］等；传感器电路如信号调理电路，包括相敏检波电路、I/V转换电路、移相器、细分辨相电路等；计算机数据采集系统常用电路包括采样/保持、A/D转换、接口电路等.

由浅入深、逐层递进构建跨平台实践项目体系，以工程的观点和视角看待理论课程与实验课程以及实践环节.实践环节从单纯按照课程内容分工向按照能力培养的协同促进转变，确保学生接触到从简单电路到高级应用系统的广泛课题，深入掌握电子电路的应用领域、应用方法，其构建思路如图1所示.

图1 跨平台实践项目体系的构建

3 典型案例示范

3.1 Multisim Live在线仿真

Multisim Live仿真平台基于浏览器工作，无需安装软件，在手机、平板、PC电脑等多终端访问https：//www.multisim.com/，即可设计修改电路并运行仿真.在学习三极管的静态工作点对波形失真的影响［8］这个知识点时，教师在课前即搭建好仿真电路并共享给学生，课中采用图解法分析电路，进行实时仿真实验，在仿真电路上设置不同的基极偏置电压VBB改变静态工作点，可以观察到电路产生两种失真波形：饱和失真和截止失真，见图2.仿真波形与理论的对比分析能够加深学生对典型电路的直观认识.另外，布置课后练习，要求学生在此电路上修改参数，观察并验证Vin、VCC、Rc、β等参数对三极管工作特性的影响，呈现全面的知识图景.

图2 三极管工作特性仿真电路与仿真波形

3.2 Measurements Live在线测量

模拟电子线路的难点是电子元器件具有很强的参数离散性，单纯的仿真无法完全模拟电子线路的实际运行状况，测试和定量分析电路的静态和动态工作状况通常需要借助测量仪器在实验室完成［9］.Measurements Live在线测量可以实现课堂上远程观察与操控实验室中的电路，营造“线上线下”融合的教学环境.

以基级分压式共射放大器的测试为例，课前教师在实验室ELVISⅢ的原型板上搭建好电路并选择Network的连接方式，ELVIS会自动生成远程ID号.在课堂上，教师不需要携带实验设备和安装客户端软件，在计算机上远程访问https：//measurementslive.ni.com/，输入ID号即可接入ELVIS，获得控制权后即可进行实验操作并获取实测数据，见图3.外接一个IP摄像头还可以实时拍摄实验现象，利用Multisim Live和Measurements Live之间的数据传递功能，可对比分析仿真和实测信号，了解实际电路与仿真信号电路的差异，深入掌握电路的工作特性.

图3 基级分压式共射放大电路的搭建与测试

学生可在课后使用老师告知的ID号通过移动终端直接调用仪器，在线观测和控制真实的实验对象，打破了空间、时间的局限性，拓展实验资源的辐射范围，充分调动了学生的自主学习兴趣.虚拟仿真和设备的远程调试作为前期铺垫，学生在实验室操作时会更熟练，实验效率大幅提高.

3.3 工程背景实验

应用型人才培养的一个重要环节是面向复杂工程问题［10］，深入分析工程原理，综合多方面的技术与工程因素，建立合适的抽象模型，并在建模过程中体现出设计性、创造性，以一个典型的温度测控场景为例，温度是一个连续模拟信号，温度采集原理电路中的传感器采用负温度系数（NTC）热敏电阻.首先在ELVIS III原型板上搭建温度采集电路，见图3，上位机通过模拟输入口AI0读取热敏电阻两端的电压值VAI0，分压公式如式（1）所示.

基于LabVIEW开发环境计算热敏电阻的阻值RT，再调用阻值温度转换子VI，将阻值换算成温度.应用NPN晶体管热效应实现温度控制，用胶带将热敏电阻和晶体管套在一起，以便晶体管的热量传递到热敏电阻，当温度测量值低于温度设定点时，模拟输出端口AO0输出5 V电压使晶体管导通，晶体管电流热效应导致其温度升高，并传导于热敏电阻，热敏电阻阻值下降，当温度高于设定点时，AO0则输出0 V电压，晶体管截止，停止加热，如此实现温度的控制.电路原理图、接线图以及LabVIEW程序框图设计见图4，系统前面板设计与运行效果见图5.

图4 基于晶体管的热效应的开/关型温度控制器设计

图5 系统前面板与运行效果

“基于晶体管的热效应的开/关型温度控制器设计”包含多个相互关联的子问题：非线性电阻、分压电路、晶体管开关特性、反馈控制、传感器技术、虚拟仪器技术等，完全体现了检测电路通过信号的处理、变换最终达到控制执行机构动作的目的，具有较高的综合性，达到了课程内容交叉融合的效果.

4 总结

本文提出的跨平台、虚实结合“三电”实验平台应用于自动化专业的实践教学环节，实施一年来，教师依托该平台进行了创新实践环节的内容开发与形式改革，支持后续专业课程的教学，取得了一定效果，见表1.学生在工程背景的实践项目中恰当地理解了电路在信号检测、处理、变换、控制等各个环节发挥的作用，锻炼了学生的电路设计分析能力以及工程应用能力.从授课后学生反馈的意见来看，学生对于学习过程的自我满意程度和对指导教师的评价都有较大提高.大部分学生认为，逐层递进式的工程实践项目可以提高学生学习的主动性和积极性，提升学生对专业知识的理解和应用能力，并且希望在教学中能加入更多的工程背景项目.

表1 跨平台实践项目对自动化专业课程的支持

ELVIS以及LabVIEW的丰富扩展性为富有余力的学生提供进一步扩展与创新设计的空间，从而进行综合性、创新型的系统设计.学生们积极参与到学科竞赛与创新创业项目等课外科技活动中，取得较好成绩，在西门子杯中国智能制造挑战赛、智能车竞赛、大学生电子设计竞赛等赛事中屡获佳绩，2020年，获得国家级奖励1项、省级奖励4项，学生主持国家级大学生创新创业项目2项、省级创新创业项目5项、校级创新项目3项，这说明工程场景下的“三电”课程教学形态改革为学生电子设计专业能力和工程素质的培养提供了创新平台和内容支持.