引言
目前大部分高等院校都在施行新工科人才培养方案，我校电信类专业都在积极进行专业工程认证和一流专业建设，努力为国家培养更高质量的电子信息类人才。作为教师，如何从大一学生开始就激发他们的专业兴趣、重视学生的素质培养是教学工作中需要贯彻的主要内容，也是指导教师教学改革的方向。由于《电路原理》是电信类学生在大一下学期接触的第一门硬件专业基础课，因此，从该课程开始，着眼人才培养目标，对实验内容和实验形式进行改善，有意识地创造机会给学生提供动手、动脑机会，培养实践能力、工程思维能力、创新能力和自主学习能力。下面结合实验《一阶RC电路参数测试与应用探讨》进行详细阐述。
1. 实验背景
《电路原理》作为一门工程类专业基础课，特点是理论偏多，对初学者而言抽象难懂，因此需要在实践环节下功夫。根据一阶RC电路的特点，适当增加实验的多样性，挖掘知识的相关性，从而调动起学生的积极性。在该实验之前已做了四个实验，分别是：（1）元器件伏安特性测试（2）叠加原理（3）戴维南定理（4）受控源研究。这四个实验都是验证性实验，知识点单一，学生只是照着实验指导书和老师讲解步骤按部就班的进行验证，没有自主性，普遍反映兴趣不高。以前的“一阶RC”实验也是主要侧重“参数测试”部分，也是以验证相关知识点为主。
由于实验（1）已经学习了二极管的伏安特性，实验（4）接触了集成运算放大器的特点，因此在RC一阶电路中引入了二极管和运放，通过该实验建立知识链接，促进和后续课程知识点的融会贯通，引导学生设计可以完成一定功能的实用电路。但考虑到对大一学生而言，这是难度较大的要求，因此整个实验分为基础和拓展两部分。基础部分仍然包含了原来实验的基本要求，拓展部分允许同学通过查阅资料，自己确定设计的电路，引导学生从不同角度理解该电路在实际场合的多种应用。此外，除了训练学生的基本实验技能外，重点培养学生主动发现问题后，通过查阅资料、学用结合、借助EDA设计实用电路等手段解决，培养学生的综合能力和创新意识。
此外，为了引导学生跟随知识点逐层递进、主动思考的设计思路，针对大一学生电路知识储备少、缺乏设计电路经验、实验操作技能尚需加强等问题，在教学设计中，重点考虑到教师引导的作用。既要鼓励学生通过查阅资料自学，也要教师及时指导；既鼓励学生个人独立设计，也允许学生之间相互学习；既要让学生有所压力，也要保护他们的积极性。
2．设计实施
2.1 实验内容与实施阶段
整个实验过程分为三个实施阶段：第一阶段对教师而言是集中讲解，利用ppt从实用的角度集中讲解二极管的单向导电性、集成运放工作在非线性区组成电压比较器等知识，为后面的电路设计打基础；对学生来说，需要阅读实验指导资料，明确任务和评价打分机制，并结合教师讲解，查阅资料，构思设计内容，师生主要在微信学习群交流、沟通。第二阶段是在实验室集中进行实验基础部分，教师现场指导，完成检查实验数据、签字等环节；对实验拓展部分，学生先利用课余时间进行multisim仿真，统计需要连接成实物的，集中在实验室利用实验箱或面包板等方式实现。第三阶段包括学生完成整个实验后，形成详细地的实验报告；教师根据评分规则进行打分，并将优秀作品进行展示。
2.2利用软件仿真 开拓设计思路
原来的实验要求只是在电路实验箱上选择方波信号源和R、C 参数组成一阶电路，用双踪示波器分别观察激励信号源和电容电压的变化规律，测求时间常数，和理论值对比，并描绘电路输入电压和电容电压的波形。新实验增加了用multisim软件选择正弦波信号源和R、C 参数组成一阶电路,用示波器仿真分别观察不同合闸角时激励信号源和电容电压的变化规律。让学生明确一下推导过程，思考正弦交流量的换路过渡过程和直流电路有什么不同。
假设RC串联，外施激励为正弦电压
为接通电路时外施电压的初相角，又称为接入相位角或合闸角。接通后电路方程为：
，解得
，其中
。当合闸角
时，第二项等于0，换路后不发生过渡过程，直接进入稳定状态。
例1：取正弦波信号频率为3Hz，幅值为20V， R=10k，C=10uF时，可计算出电容电压特解的初相位
，代入数据得
，当合闸角
时，换路后不发生过渡过程，直接进入稳定状态。如图1所示。
图1 利用multisim10.0仿真例1波形图
2.3提倡学以致用 鼓励联系实际
由于RC电路在工程中的应用很多，如实现延时、滤波、移相、波形变换、过压保护、稳压、振荡等，所以在拓展实验中，教师需要进行逐层引导，如：RC串联电路会实现电容C通过不同的时间常数充电或放电，在实验（1）中，已经了解了二极管的单相导电性，若要改变或控制电容C的充放电时间和路经，可以怎么实现？
教师通过软件仿真介绍稳压电源的整流、滤波环节，让学生体会二极管单向导电性的应用，以及电容在充放电过程中实现的“滤波”作用。整流二极管和RC串联支路相结合，改变电容的充、放电路经，实现直流脉动电压滤波的仿真电路如图2（a）所示，若没有电容，输入电压是正弦波,在正弦波的正半周期,二极管导通,此时负载上电压等于电源电压, 在正弦波的负半周期,二极管截止，此时负载上电压等于0V，交流电整流为脉动直流电。
加入电容后，如图2（b）所示，二极管导通时，电阻很小，电容被快速充电，电容上电压随着电源电压变化，电容电压上升到最大值时，由于二极管的单向导电性，电容上的电荷只能通过负载电阻放电，此时放电时间常数很大，电容缓慢放电，到电源电压的下一周期时，再次被充电，周而复始，使得负载电压波动明显减小了，这就是利用电容实现滤波。
(a) 未加电容时 （b）加入电容时
图2稳压电源整流部分仿真电路及波形
RC电路和集成运放的结合，教师可给出方波振荡器的电路进行思路引导，如图3（a）所示，加入二极管后变成占空比可调的矩形波振荡器。有的学生在此基础上，自己设计了实用的延时关灯或开灯电路、双色灯闪烁电路等，表现出浓厚的兴趣。
（a）方波振荡电路 （b）矩形波振荡电路
图3 二极管、运放结合RC支路应用举例
3．考核要求
考核原则是注重过程考察，允许试错失败。实验成绩的给定不只看实验结果，更重视过程和态度，鼓励创新，允许失败，报告中分析清楚失败原因也是收获。学生在完成基本的操作任务后，教师要根据拓展任务中设计方案的合理性、实用性、创新性及完成创新电路的个数和总体难度等综合打分。拓展部分占总成绩的30%，这既保证了大部分同学的实验成绩，也让不同水平的学生经历不同层次的训练，有些学生经过坚持和努力终有所收获，这对他们而言受益颇多。
4．结论
本实验从形式上是“半开放型实验”，既不同于之前单一的“验证型”实验，也不是纯粹的“任务驱动型”实验，这有利于不同层次的学生需求。整个实验的目标是“学用结合”，不论是基础部分的微/积分电路，还是拓展部分的RC串联电路和二极管、运放的综合应用，都有对应的实用电路和应用场合，让学生体会到电路知识和生活的紧密相关，这对于进一步学习专业知识具有重要意义。
参考文献
[1] 李新国,陈瑶.线上线下结合的“电路实验”教学改革与创新[J].湖南第一师范学院学报.2020(4):97-100
[2] 谢丽萍,孝大宇,齐林. 基于虚拟仿真技术的电路原理实验教学改革研究[J].中国教育信息化. 2018(22):67-69
[3] 陈瞳. Multisim虚拟仿真实验在电路教学中的应用[J].电子测试.2021,468(15):127-128+80219-221.
通信作者：李文（1971-），女，山东德州人，汉，博士，北京工商大学，副教授，研究方向为嵌入式与电子技术应用。
