彭文竹,王 敏,王 钦,杨 璐

(集美大学诚毅学院，福建 厦门 361021)

0 引言

电路分析基础实验是电子信息类专业的一门专业基础实践课程[1]，为适应集美大学诚毅学院电子信息实验教学示范中心和福建省本科高校重大教育教学改革项目对新工科自主创新人才培养的需求，从2018年开始，课程教学团队对该门课程进行了一系列的教学改革与实践，取得了一定的成效。经过三年来的实验课程教学实践，总结电路分析实验存在有以下问题：(a)实验课程教学模式及内容较为单一，实验以实验教师为主体，学生习惯在教师的指导下进行相关实验，自主学习、自主动手能力不够；(b)仪器设备及电路模型已经固定，学生只需进行简单连线，并完成相关表格测试，对元器件及电路不熟悉，缺少自主创新能力培养；(c)实验场所已经固定，学生只能在固定、有限时间内进行相关实验学习；(d)自主学习资源较少，实验内容较为基础，缺少设计性、综合性设计项目，难以进行自主创新能力的锻炼；(e)实验课时有限，工程应用综合能力项目设计需要较多的时间，仅限于课堂，没有充分利用学生课堂之外的时间进行综合能力的培养。

国内许多高校在电路分析实验教学中也存在相同不足，很多学者经过教学改革研究普遍采用仿真实验作为实验教学的有效补充[2-6]，该方法在一定程度上能够提高学生的实验分析能力，但较难从本质上改变学生的实验设计思维，较难实现学生的自主创新实验设计并适应新工科创新人才的培养。

图1 电路分析实验内容项目结构设计Fig.1 Structure Design of Circuit Analysis Experiment content

为此，我校进行一系列新型模式实验实践教学改革，采用翻转课堂教学模式，以学生自主学习、自主设计、搭线、测试为主要目的，在实验教学中引入口袋实验教学模块，结合超星学习通网络学习平台、雨课堂、实验教学预约系统，采用虚实结合的自主教学模式，有效锻炼学生动手能力、分析问题及解决问题能力。根据实验教学、学科竞赛及大学生创新创业训练项目要求，开展相应验证性、设计性及综合性实验实践项目，录制并提供相关实验视频等教学资源，学生根据任务要求自主完成实验预习、实验仿真测试、实物搭建、实物测试等过程。

本文总结多年来的实验实践教学经验，主要阐述电路分析自主实验教学方法以及基于NI myDAQ自主实验教学平台的实验过程，结合教学内容，详细介绍虚实结合自主实验教学平台的使用方法。

1 电路分析自主实验教学设计及创新实验平台构成

1.1 电路分析自主实验教学设计

1.1.1 实验教学内容设计

电路分析自主实验采用虚实结合、自主创新模式进行。所谓的 “虚”表示虚拟仿真教学软件和口袋虚拟仪器测试设备，“实”表示真实的电路器件；自主创新以学生为主、教师为辅，以课堂之外为主要学习时间场所，学生只要一台电脑和一套口袋实验设备便可以在宿舍、教室等任何地方进行实验创新实践。根据培养目标要求，制定如图1所示实验内容项目结构设计。

表1 电路分析实验课程教学内容及教学模式

1.1.2 自主实验教学与课程思政的有效融合

电路分析基础实验是面向我校电子信息、自动化、通信工程、物联网工程等工科类专业的基础实验课程，在课程实验中引入课程思政，落实思政教育，可以帮助学生树立社会主义核心价值观，在学生自主实验调试、故障分析过程中，培养其刻苦钻研的学习精神。电路分析自主实验以学生自主学习任课老师发布的实验教学视频、实验教学课件等资源为主，因此在实验教学视频实验讲授中融入课程思政元素，掌握实验课和思政教育之间的紧密关联，结合思政、人文及职业素养，加强新工科人才培养价值的作用。如在运算放大电路的线性实验中，需要使用到集成运放OP07芯片，因此可以向学生讲授国内外集成运算放大器的发展历程，并由此过渡到中美芯片之战事件，培养学生科技强国意识。

1.1.3 创新团队协作教学模式，树立学生环保意识

电路分析实验采用虚实结合、自主创新实验教学模式进行。课程实验项目内容采用层次化递进模式，在实验教学中引入新器件、新内容，构成以学科竞赛为依托，提升学生实践能力和创新意识，建立了多层次“虚实结合、多径发展”实验教学体系及教学资源。在实验中，基础验证性、设计性实验以学生个人完成相应实验任务，结合学科竞赛的综合设计性任务将根据竞赛要求2～3人为一小组，采用阶段性设计、调试方式，充分培养学生团队协作精神，增强学生合作意识。

学生自主实验时需采用面包板进行电路搭建，实验电路会使用到较多的电阻、电容、二极管、稳压管、集成芯片及面包板导线等实验元件。每次实验结束学生需对能够二次实验使用的元器件进行回收按类存放，对于电阻、面包板导线等较难二次实验利用的元器件，将采用统一回收，无法使用的将根据垃圾分类要求进行统一投放，能够使用的届时作为学生焊接实训课程中焊接练习使用器材，杜绝元器件随意丢弃及浪费现象，做好元器件循环使用工作，树立节约环保意识。

1.1.4 自主实验流程设计

学生进行电路分析实验采用开放式创新教学方法，根据实验教师发布任务要求，以自主实验完成项目的设计、仿真、实物搭建、调试和故障分析等过程，并根据自主预习情况预约开放实验室，到教室中和同学、老师进行最后的结果论证、答疑及设计讨论，最后完成项目实验的整个过程。通过学生的自主开放式学习，采用翻转课堂教学方法，虚实结合，改变传统实验模式，将实验自主权交予学生，以有效锻炼学生分析问题、解决问题的能力，并提高其创新设计能力。具体实验流程如图2所示。

图2 电路分析自主实验流程设计Fig.2 Design of Flow for Independent Circuit Analysis Experiment

1.2 电路分析自主实验教学创新平台构成

电路分析口袋实验平台的软硬件主要由计算机、NI myDAQ虚拟仪器、配套面包板、实验相关开放元器件等组成，结合学习通网络学习平台、实验教学预约平台构成完整的教学平台。NI myDAQ数据采集设备，包含数字万用表、示波器、函数发生器、波特图分析仪、任意波形发生器、动态信号分析仪(快速傅里叶变换)、数字输入和数字输出等8个基于计算机的通用实验室仪器[7-8]。NI myDAQ结合面包板模块可以实现在传统课堂外进行基础理论验证、专业原理仿真和综合设计项目开发，用于电子电路实验等课程教学和课外创新实践。如图3所示为我校电路分析自主创新实验实践教学平台构成示意图。

图3 电路分析自主实验创新教学平台结构Fig.3 Structure Diagram of Independent Circuit Analysis Experiment Teaching Platform

电路分析口袋实验平台中使用的NI myDAQ虚拟仪器设备包含有±15V电源、+5V电源、模拟信号输入输出I/O等信号，通过螺栓端子将信号引出。为方便学生实验接线，采用配套面包板，通过接口转换，将NI myDAQ信号转换至面包板，学生可直接通过面包板上的信号进行接线测试。NI myDAQ转换至面包板上具体信号接口示意图如图4所示。

图4 NI myDAQ信号转换至面包板接口示意图Fig.4 Schematic Diagram of NI MyDAQ Signal Conversion to Bread Board

2 电路分析自主创新口袋实验平台应用

电路分析口袋实验平台的应用需要结合计算机、虚拟仪器模块、配套面包板及相应元器件等软硬件设备，还需要有相应层次的实验设计项目，不能仅限于验证性实验测试。为锻炼学生自主创新设计能力，结合电子信息类学科竞赛及大学生创新创业项目要求，设计制定相应递进式实验教学设计项目计划。

现以电路分析综合设计项目“航海模拟器实验室室内温度检测电路的实现”为例，全面阐述该口袋实验平台的具体应用。该实验项目，教师通过雨课堂和超星学习通平台发布具体设计任务要求及相关学习资源，学生根据教师指导，查阅相关资料，自主完成相关任务电路设计、仿真、实物验证、调试及故障排除等过程。

2.1 实验任务背景及设计要求

我校航海模拟器实验室拥有国内第一家360度视景的航海模拟器，该模拟器在运行时需保持实验室室内温度相对恒定，因此需安装温度检测系统对所设定的温度进行监测控制。本次电路分析设计项目以此为任务背景，通过运算放大器组成的基准电压电桥电路实现对航海模拟器实验室室内温度的检测[9-10]。

实验室室内温度的检测一般采用热敏电阻进行，但为了实验方便，学生可采用电位器模拟温度变化所引起的热敏电阻阻值的变化。本设计任务要求如下：

(a)采用3种不同颜色发光二极管指示温度情况，分别代表实验室室内温度正常、温度过低和温度过高情况。

(b)模拟热敏电阻的电位器阻值小于222Ω时，表示室内温度过高，此时红色发光二极管点亮；当模拟热敏电阻的电位器大于837Ω时，表示温度过低，蓝色二极管亮，绿色二极管熄灭；其他为温度正常情况，绿色二极管点亮。允许电位器阻值、运放基准电压值误差在±5%之内。

(c)需根据此设计要求，采用运算放大器组成的基准电压电桥电路原理进行项目设计、参数估算，并进行仿真模拟，最后在口袋实验平台中搭建实物电路，进行相应要求测试。

2.2 项目设计分析

本设计项目为温度检测判断电路，判断温度过高、温度正常及温度过低三种情况，并根据温度情况，点亮对应指示灯。题目设计中要求采用运放基准电压电桥电路原理进行设计，基准电压电路比较器原理图如图5所示。

图5 基准电压比较电路原理Fig.5 Schematic Diagram of Reference Voltage Comparison Circuit

图6 航海模拟器实验室室内温度检测电路设计框Fig.6 Design Diagram of Temperature Detection Circuit in the Laboratory of Marine Simulator

根据设计分析，该温度检测电路包含有温度正常、温度过高和温度过低三种情况，因此，可画出该电路的设计框图如图6所示。其中实验室室内温度基准检测电路采用三个集成运放，构成对应的温度正常、温度过高和温度过低检测电路对室内温度情况进行判断；温度处理电路可采用555基准电路，并结合温度指示电路对前面温度检测结果进行判断，并给出相应处理。

2.3 项目设计仿真

项目通过Multisim14软件进行仿真测试，采用Multisim中的NI myDAQ design模板进行仿真测试，测试时使用NI myDAQ仪器进行测试，以便后续学生在进行实物连接时对相应测试接口及仪器更加熟悉。Multisim仿真时，基准电压检测电路采用UA741芯片，处理电路采用三极管2N222A和555基准电路。具体电路完整仿真图如图7所示，对电路中基准电路外围电阻进行调整测试，以符合设计要求。图中为当实验室室内温度过低时情况，此时蓝色发光二极管指示灯常亮。表2所示为确定电路参数后，所测量电路数据，根据测量数据情况，所仿真设计电路符合设计要求。

图7 航海模拟器实验室室内温度检测电路整体仿真Fig.7 Temperature Detection Circuit Simulation in the Laboratory of Marine Simulator

2.4 项目设计实物搭建与调试

项目经过分析、设计、仿真调试等过程后，学生可通过实验室分发的NI myDAQ口袋实验平台、配套面包板及实验室开放元器件进行实物自主搭建、测试和故障排除。

本设计中电压基准电路共有三个，采用LM324三运放芯片基准电压电路进行实验电路进行连接测试更为简便。如果采用OP07运放进行实验电路搭建时，由于NI myDAQ所提供电源为用计算机提供，其驱动能力较弱，无法同时驱动三片芯片同时工作，可采用三端稳压芯片7815和7915实现电源信号[10]。通过调节电位器模拟实验室室内热敏电阻变化所引起的电阻值变化情况。采用口袋实验平台搭建整体电路实物图如图8所示。图9所示为用NI myDAQ测量LM324运放基准电压数值示意图。同时测量在温度过高、温度正常和温度过低三种情况下，对应电位器临界电阻数值，具体测量结果如表3所示。

图8 温度检测电路口袋实验平台电路搭建实物图Fig.8 Physical Diagram of Temperature Detection Circuit by the Pocket Experiment Platform

表2 仿真电路参数测试表

(a)UA-基准电压 (b)UB+基准电压 (c)UC+基准电压

表3 口袋实验平台实物电路参数测试表

通过口袋实验平台对航海模拟器温度检测电路进行实物连接测量，电路功能和仿真结果、设计要求一致，能够有效检测实验室室内温度过高、温度正常和温度过低三种情况，并进行相应提示。参数测量因为碳膜电阻、电位器等本身存在误差，因此所测量的运放基准电压、三种温度状态改变对应电位器指示数值和理论要求会存在一定误差，但误差均在允许范围之内，测量结果符合设计要求。

3 结语

本文阐述一种基于口袋实验平台的电路分析自主实验教学方法，通过该平台，学生不再受限于实验室、特定实验设备进行实验设计。实验时学生通过超星学习通网络平台进行实验项目任务领取、预习和理论分析；通过Multisim仿真平台中的NI myDAQ设计模板进行仿真电路连接、测试验证；通过使用口袋实验实物平台，能够自主进行电路接线综合设计，更加有效的熟悉各种实验器件、接线方法、测试方法、故障分析等过程。

以航海模拟器实验室室内温度检测电路设计为实验案例，分析学生如何实现自主实验学习、设计以及口袋实验平台使用的一系列过程。该口袋实验平台已在集美大学诚毅学院2018-2020级电子信息类专业实验教学中进行了实践，实验任课教师在课程开始前将该平台模块分发到学生手中，并开放虚拟仪器电子电路创新综合实验室，学生可自助领取相关实验器件，实现电路分析实验的自主开放式教学。通过实践教学论证，该平台在电路分析自主实验教学中能够提高学生自主分析、创新和动手实践能力，学生实验水平和动手能力大幅提高，实验教学效果良好。