電路實驗中“實驗先于理論”教學改革與探索

更新時間：2018-08-02 點擊次數：2926

電路原理是電子信息科學類專業學生先接觸的學科技術基礎課，不僅要讓學生牢固掌握電路的基本理論知識和基本方法，還要培養學生的自主實踐能力和創新能力。傳統的實驗教學模式一般是“教師先講授理論，學生再進行實驗”，缺少從實驗測試到理論歸遞的逆向過程的實驗內容和實驗模式，而后者更有利于開發學生的自主探索興趣和研究潛能。傳統實驗內容的設計也多為由理論指導實驗，這樣往往會造成學生學習主動性差、自主實驗能力弱，不利于培養適應性強、具有創新意識和能力的電子電氣工程技術人才。隨著新的教育理論及系統論等被引入教學領域，通過改善教學系統的控制性已被證明是一條提高教學質量和學習效率的有效途徑。
１　教學改革目標的設計
基于培養學生的實驗動手能力、歸納總結能力、自主創新能力的教學改革目標，我校電路教研組近幾年進行了一系列的改革和探索，形成了體系化、層次化、階梯式的電路實驗內容，并引入了“實驗先于理論”的實驗模式，使得學生在電路實驗過程中，一方面可將電路理論課程中學到的定理和定律在實際電路物理系統中通過測量得到驗證和展現；另一方面還可以直接通過測試數據和實驗結果的分析，歸納總結出相應的電路特性及其理論。我校培養方案中，電路原理和電路實驗是２門獨立的課，并且在同一學期開設。
教學方法設計以“以學生為主體、教師為主導”為基本原則，并在教學中加以實踐，如課堂中講方法、引問題、重討論，引導學生積極參與教學過程和討論，增強教師和學生的互動。自主創新性實驗教學要為學生思考、探索、發現和創新提供充分的自由空間，讓學生在自主實踐中提高自主學習、自主發現、自主總結歸納的能力，激發學生的創新意識和自我效能感。注重對學生的科研思維和基本技能的訓練，注重從“有解”教育向“求解”教育的轉變，培養學生的科研思維能力。
２　教學改革的方法和措施
２．１　層次化、階梯式的電路實驗內容改革
基于我校的培養方案和教學目標，我校電路實驗教學改革確定了由淺到深、由基礎到綜合、由理論到創新的層次化、階梯式的總體教學方案，將實驗內容分成基礎驗證型、自主測試歸納型、綜合設計型３個層次。
教學改革過程中嘗試從實驗原理演繹、實驗測試結果歸納２種思想方法和設計理念來組織基礎驗證型和測試歸納型的實驗內容，從有助于學生建立信號轉換、傳遞、監控等系統的概念來組織綜合設計型實驗內容，以期構建傳統方法和現代技術、硬件操作技能與軟件仿真實驗、數學分析與物理實證相互融合的電路實驗教學體系，從而將電路實驗由傳統的單一驗證原理和掌握操作技術性實驗拓展為綜合技能訓練的實踐。
基礎驗證型實驗的任務是學生通過實驗測量操作手段驗證所學到的理論知識（從理論分析到實驗驗證）；自主測試歸納型實驗的任務是學生通過實驗測試以及對實驗結果和數據分析，歸納總結出電路的定律、特性和功能（即從實驗測試到理論歸納）；綜合設計型實驗的任務是學生依據電路功能的需求，設計并實現滿足技術指標的電路（即從理論到實踐、再從實踐到理論的雙向過程）。這種教學模式引導學生從基礎實驗人手，循序漸進，階段式提高，既訓練學生的基本實驗技能，加深對基礎理論的理解掌握，又培養學生的科學思維方法，開發學生自主研究探索的潛能。
根據教學大綱要求，精心選編了６個實驗內容（見表１），可以先于學習電路理論相關知識進行的自主測試歸納型實驗，注重實驗現象的觀察和實驗數據的歸納分析，旨在培養從個別到一般的歸納推理能力，從而由“感性”上升到“理性”而獲得相關理論知識。

表１　自主測試歸納型實驗
這類實驗先給出必要的預備知識，設計相應的測試內容，如在ＫＣＬ實驗中設計表格（見表２），讓學生根據測試數據總結出理論知識。

表２　測試電路中的電流測量值與規律總結
２．２　引入“實驗先于理論”的實驗模式
基礎驗證型實驗的模式是學生先學相關電路理論后進行實驗測量，重在學習基本測量方法和掌握實驗技能并驗證所學理論，加深對所學理論的感性認知，本質上是運用演繹法，即從一般到個別、普遍到特殊的推理，是認識的具體化過程。當學生有了一定基礎實驗技能之后，加入“自主測試歸納型”實驗內容，不在實驗前講解原理，轉而強調以學生為主體，學生在學習相應電路理論之前先進行實驗測試和實驗現象觀察，然后從實驗結果和測試數據中總結出相關的理論公式、電路特性或功能，從而獲得新知識，即通過個別認識一般，這種方法實際上屬于歸納法。例如學生在學習齊次定理之前，根據給出的電路原理圖，多次測量某線性電路響應隨激勵變化的數據后填入表３，歸納齊次性在線性電路中的體現，從而發現“響應和激勵成正比”的結論。此例就是應用了簡單枚舉歸納法，即根據某類事物對象的觀察，發現這些對象都具有某種屬性，而又沒有遇到相反的情況，因此推導出該類事物都具有某種屬性的一般性結論的推理方法。

表３　線性電路齊次性的測試
２．３　電路課堂教學形式翻轉
對應自主測試歸納型實驗的相關電路理論階段，在教學方法上使用啟發式、應用式教學法，讓部分學生走上講臺，教師引導分析。學生為主體，倡導學生多動腦、勤思考、敢提問。鼓勵學生結合實驗現象發現問題、解決問題，增強學生用科學實驗方法進行“探索求證”的能力。學生普遍反映對相關理論的理解更為深刻。這種教學方式讓學生先進行實踐實驗，由實驗現象找本質，再進行理論課堂的講授和討論，在課堂上突出知識點背景和難點思路，由一般到特殊的原則，循序漸進地引導學生掌握全部重難點。通過這種方式，學生的主觀能動性提高了，被動思維逐步轉變為主動思維，遇到實際問題時能去思考電路特點和所學知識的關聯性。
２．４　打造開放的自主實驗環境
為了保證學生有充足的實踐機會，硬件上除了電信實驗中心常規的電路實驗室設備以外，引進了美國ＡＮＯＬＯＧ　ＤＩＳＣＯＶＥＲＹ便攜式電路實驗平臺套件，整合了示波器、信號發生器和邏輯分析儀的功能，將名片大小的實驗板卡發到每個學生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶、隨時操作，可以讓學生在課堂外分組開展實驗，并建立了微信群，及時溝通與分享，為進行自主測試型實驗的電路教學模式提供了很好的實驗
環境。
３　結語
近幾年教學改革實踐證明，通過“自主測試歸納型實驗”的教學模式改革，引導學生體驗“實驗先于理論”歸納法，并與基礎測試型實驗的演繹法進行比較，學生十分歡迎這種新型的科學研究方法，對培養學生的抽象思維能力和邏輯推理能力、開發學生的探索潛能成功有效。“自主測試歸納性”實驗大大提升了實驗的內涵，使學生由“要我學”實驗，變為“我要學”實驗。
通過自主性實驗強化自主學習和自主創新能力。通過改革使學生在課前課后對實驗傾注了極大的關注，教師隨時根據實驗中遇到的現象或問題，引導學生討論和進一步思考，教學效果有了明顯的提高。