基于PBL的电工电子综合实验改革

时间：2024-05-22

周静，侯世英，孙韬，张立群，李利

（重庆大学电气工程学院国家电工电子实验教学示范中心，重庆400044）

0 引言

传统的电工电子综合实验教学以实验项目为基础，学生按实验教材提供的实验方法、步骤，在老师的指导下完成指定的实验内容。实验的过程大多是应用必要的基本实验技能和理论知识实现某些简单的应用。这样的实验模式存在如下几个严重不足。

（1）开设的综合实验项目内容设置不合理，有的项目涉及的知识点单一，达不到综合训练的目的；有的实验环节难度偏大学生不能自主完成，从而导致不能锻炼学生综合应用所学知识的能力；而且，实验内容的设置缺乏趣味性，缺乏与工程实际的联系，不能有效激发学生的兴趣；

（2）实验中，学生处于“被动学习”状态，以书为参照，听从老师的指导进行实验，不利于学生创新能力培养；

（3）实验电路的设计及实验教材的编写等都不便于实验内容的扩充和拓展，不利于充分发挥学生的学习能动性。

因此，有必要以电工电子实验教学模式改革为契机对电工电子综合实验进行改革。

1 PBL教学法

PBL（Problem Based Learning）教学法是一种受到国际社会普遍认同的研究性教学模式，与传统的教学法有很大的不同，是一种以问题为核心，以解答问题为驱动力，以分组讨论、展示及相互交流为手段，以激发学生积极主动自学、培养学生创新性思维为主要目标的全新教学模式［1－2］。强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中强调的以教师讲授为主；设计真实性任务，将学习与问题挂钩，使学习者投入到问题中；鼓励自主探究，鼓励争论，鼓励对学习内容和过程的反思。PBL旨在使学习者建构起宽厚而灵活的知识基础，发展有效的问题解决技能，发展自主学习和终生学习的技能，成为有效的合作者，并培养学习的内部动机。由于PBL对培养学生解决问题的技能非常有效，因此它越来越多地受到人们的重视［3－5］。

2 基于PBL教学法的综合实验方案

将PBL教学法的理念引入电工电子综合实验教学，对教学模式进行改革。基于PBL教学法的非电类电工电子综合实验就是以解决从工程实际中提取的具体问题为基础，以模块化组织实验电路，以层层深入的方式组织实验内容，最终让学生在解决问题的过程中综合应用所学相关知识，达到培养学生独立自学能力、创新思维能力、资料组织能力以及创新能力的目的。基于PBL教学法的电工电子学实验改革涉及到以下几个方面的问题：基于PBL教学法的电工电子学实验项目设置、制定实验教学规程、建设配套教学资源、制定考核办法。

2.1 电工电子综合实验项目设置

基于PBL的实验教学首先要考虑“问题的设置”，即开发合适的综合实验项目。事实上，PBL中的“问题”分为两个层次［6］：教师提出“问题”是第一层次，即教师根据教学内容设定一定的问题；学生根据“问题”提问是第二层次，即学生在分析问题的基础上，提出自己所要研究的问题，并在教师的帮助下进行思考、分析和讨论。因此，基于PBL教学法的电工电子学综合实验项目的“第一层次问题”需要精心设置，必须从工程实际中选择适当的内容作为综合实验项目：实验项目来源于实际应用，能够激发学生的动机，鼓励他们去探索、学习；其次，该实验项目所涉及的内容与电工电子理论学科紧密联系：解决问题的基本知识可包括电路、模拟电子技术、数字电子技术以及继电器接触器控制等模块知识，能有效激发学生提出“第二层次问题”并最终解决问题。

2.2 制定实验教学规程

PBL教学的实施有一定的难度，PBL中 “问题”的第二个层次是在教师的鼓励和引导下由学生自己提出“问题”。学生提出的“问题”是非常具体的，是针对教师“问题”的细化，是在回答“问题”过程中要解决的“问题”，无论什么方式，学生自己进一步提出“问题”并解决问题的过程正是PBL教学理念的成功之处。因此，为了使实验教学确实可行，针对非电类学生专业面广、教学要求各不相同、学生基础参此不齐的实际情况，以模块化组织实验的开设，以便灵活地控制实验的难度，便于学生细化并具体化“问题”。

首先按实验项目所涉及的内容把实验分为若干模块，合理规划每个综合实验的基本模块，每个模块涉及的知识点相对单一，可以作为单个的基础实验开设，比如放大电路、A／D转换、译码驱动与数字显示等；同时也可根据不同的专业和不同难度要求，把几个不同的模块综合起来开设不同层次的综合实验项目，便于实验内容的深化与扩展，开设创新性实验。在实验教学中，第一阶段：学生根据具体任务细化 “问题”，这个过程就是认识理解各个基础电路模块的过程；第二阶段：学生根据所提 “问题”应用基本模块电路进一步完成综合实验的设计、调试和测试工作；第三阶段，要求学生对实验过程进行反思，探讨实验中遇到的问题及其解决方法，或者对电路进行改进和扩展等，进一步深化学习过程。

2.3 实验教学资源准备

为了能使PBL实验达到预期的教学效果，必须进行大量的实验教学资源建设，为学生营造“自主探索、自主学习、自主创新”的学习环境，使学生遇到问题时，能找到解决问题的途径和方法。

首先，制作实验室的详细介绍，包括实验室位置、开设实验项目、安全用电等基本知识；第二，制作必要的实验课件，详细介绍直流稳压电源、数字万用表、晶体管毫伏表、函数信号发生器、双踪示波器等基本实验仪器设备的使用方法，在制作课件时，合理规划脚本文件，以事例为范，每种仪器的每一个操作步骤都拍摄相应的照片说明，使课件直观易懂，供学生自学或参考；第三，根据PBL实验教学模式的精神，合理组织实验内容，编写新的实验教材。教材即要体现一定的引导性，又要给学生留下足够的思考空间，同时，要详细地给出各种实验箱、实验台的使用说明、给出相关电子元器件的说明，给出扩展实验和设计实验所需要的必要资料，使学生自主实验时有资料可查。第四，充分利用网络等现代教育手段拓宽学习渠道，把所有的教学资源均放在网络上供学生下载，并在网络上设立留言板，学生可以通过留言的方式和老师进行交流。

2.4 制定合理的考核办法

考核是检查学生学习效果的手段，也是督促学生自主学习的动力对学生综合能力的评定是否客观合理，将影响学生做实验的积极性，而且对实验教学质量有较大的影响。因此必须制定与“PBL”教学相适应的考核方式，形成激励学生自主学习的有效机制。考核着重考察以下三个方面：第一，学生获得的知识和技能；第二，学生在实验中的参与状态（包括实验前的准备、实验中的讨论、动手能力、协作精神等）；第三，学生在实验后的总结和反思。

3 项目实例

以温度测量、显示与控制系统的设计与实现为案例，初步探索基于PBL的综合实验开展。项目以小组为单位，一般3人一组进行。

该测控系统基本框图如图1所示。

图1 温度测量、显示与控制系统框图

该实验项目的“第一层次”问题来源于实际应用，包括了电路、模拟电子技术、数字电子技术以及继电器接触器控制等相关知识的应用，具有较强的综合性，对非电类学生来说也有一定的难度。为了能有效激发学生提出“第二层次问题”并解决问题，首先细化问题，按模块化的思想对实验项目进行“解剖”，每个模块涉及一个“第二层次问题”，可以作为单个的基础实验开设；同时也可把几个不同的模块综合起来开设不同层次的综合实验项目，比如以上系统就可以分别开设温度测量显示实验、温度测量控制实验、温度测量显示与控制实验等。其次，合理的设计单元模块，对要求不高的模块可以由老师指导完成；对重点要求掌握的知识点，则尽量由学生自主探索完成，即这些“第二层次问题”对学生来说是可以经过探索提出并加以解决的，同时，对不同专业不同程度的学生可以由指导教师灵活掌握综合实验的难度。

以构建温度测量控制系统为例，系统工作原理为：给系统预设工作温度为T0，通过温度检测装置测量系统实际温度为T1，若实际温度超过了设定值（T1＞T0），则控制电路发出信号，使继电器动作，断开加热环节，停止加热；当温度检查装置检测到系统温度低于设定值时（T1＜T0），控制电路发出信号，接通继电器，使系统通电加热，如此周而复始，使系统温度维持在设定值附近。首先通过细化问题，引导学生提出第二层次问题，并通过第二层次问题的解决完成单元模块的设计。第一个问题是“怎样实现温度的测量？”，这个问题的解答包含了温度传感器选用，测温电路设计等环节，引导学生充分讨论，了解热电偶、热敏电阻以及PN结等常用温度传感器的特性及基本应用，选择合适的传感器并设计测温电路，比如采用热敏电阻的测温电桥电路。第二个问题是“测量的电信号很弱，如何放大？”，这个问题主要涉及到集成运算放大器的特性及应用，可以采用单运放构成的同相比例放大电路或者是多运放构成的精密小信号放大电路等。第三个问题是“如何实现温度的比较？”，这个问题包含了利用基准电路进行温度预设控制和利用比较器实现温度的比较，当测量值高于预设值则输出高电平，反之输出低电平。最后“根据比较结果，如何驱动执行机构去实现相应的控制？”，这个问题的实质是如何控制继电器的接通和断开，这就驱使学生去了解继电器的工作原理并设计其驱动电路。

通过以上的细化与探讨，仅仅实现了单个模块的功能；进一步需要把各个模块综合起来，设计整体的电路，例如图2所示。然后，还需要对电路进行整体调试，以完成系统的功能。整体电路的设计与调试过程是非常重要的过程，是深入讨论与反思的过程，考察的是学生的综合能力与协作能力。在这个过程中，出现问题甚至是错误都是正常的，鼓励学生小组自由讨论，反复探索，必要时指导教师适当参与问题的讨论，引导学生正确解决问题。

图2 温度检测控制实验电路

最后，小组提交实验报告，总结实验所得。在整个实验过程中学生理解最为深刻的环节恰恰是犯错误的环节，而且通过反复地讨论和实验，学生对相关知识掌握得更为深入，应用也更加灵活自如。