电路实验中“实验先于理论”教学改革与探索

电路原理是电子信息科学类专业学生先接触的学科技术基础课，不仅要让学生牢固掌握电路的基本理论知识和基本方法，还要培养学生的自主实践能力和创新能力。传统的实验教学模式一般是“教师先讲授理论，学生再进行实验”，缺少从实验测试到理论归递的逆向过程的实验内容和实验模式，而后者更有利于开发学生的自主探索兴趣和研究潜能。传统实验内容的设计也多为由理论指导实验，这样往往会造成学生学习主动性差、自主实验能力弱，不利于培养适应性强、具有创新意识和能力的高级电子电气工程技术人才。随着新的教育理论及系统论等被引入教学领域，通过改善教学系统的控制性已被证明是一条提高教学质量和学习效率的有效途径。
１　教学改革目标的设计
基于培养学生的实验动手能力、归纳总结能力、自主创新能力的教学改革目标，我校电路教研组近几年进行了一系列的改革和探索，形成了体系化、层次化、阶梯式的电路实验内容，并引入了“实验先于理论”的实验模式，使得学生在电路实验过程中，一方面可将电路理论课程中学到的定理和定律在实际电路物理系统中通过测量得到验证和展现；另一方面还可以直接通过测试数据和实验结果的分析，归纳总结出相应的电路特性及其理论。我校培养方案中，电路原理和电路实验是２门独立的课，并且在同一学期开设。
教学方法设计以“以学生为主体、教师为主导”为基本原则，并在教学中加以实践，如课堂中讲方法、引问题、重讨论，引导学生积极参与教学过程和讨论，增强教师和学生的互动。自主创新性实验教学要为学生思考、探索、发现和创新提供充分的自由空间，让学生在自主实践中提高自主学习、自主发现、自主总结归纳的能力，激发学生的创新意识和自我效能感。注重对学生的科研思维和基本技能的训练，注重从“有解”教育向“求解”教育的转变，培养学生的科研思维能力。
２　教学改革的方法和措施
２．１　层次化、阶梯式的电路实验内容改革
基于我校的培养方案和教学目标，我校电路实验教学改革确定了由浅到深、由基础到综合、由理论到创新的层次化、阶梯式的总体教学方案，将实验内容分成基础验证型、自主测试归纳型、综合设计型３个层次。
教学改革过程中尝试从实验原理演绎、实验测试结果归纳２种思想方法和设计理念来组织基础验证型和测试归纳型的实验内容，从有助于学生建立信号转换、传递、监控等系统的概念来组织综合设计型实验内容，以期构建传统方法和现代技术、硬件操作技能与软件仿真实验、数学分析与物理实证相互融合的电路实验教学体系，从而将电路实验由传统的单一验证原理和掌握操作技术性实验拓展为综合技能训练的实践。
基础验证型实验的任务是学生通过实验测量操作手段验证所学到的理论知识（从理论分析到实验验证）；自主测试归纳型实验的任务是学生通过实验测试以及对实验结果和数据分析，归纳总结出电路的定律、特性和功能（即从实验测试到理论归纳）；综合设计型实验的任务是学生依据电路功能的需求，设计并实现满足技术指标的电路（即从理论到实践、再从实践到理论的双向过程）。这种教学模式引导学生从基础实验人手，循序渐进，阶段式提高，既训练学生的基本实验技能，加深对基础理论的理解掌握，又培养学生的科学思维方法，开发学生自主研究探索的潜能。
根据教学大纲要求，精心选编了６个实验内容（见表１），可以先于学习电路理论相关知识进行的自主测试归纳型实验，注重实验现象的观察和实验数据的归纳分析，旨在培养从个别到一般的归纳推理能力，从而由“感性”上升到“理性”而获得相关理论知识。

表１　自主测试归纳型实验
这类实验先给出必要的预备知识，设计相应的测试内容，如在ＫＣＬ实验中设计表格（见表２），让学生根据测试数据总结出理论知识。

表２　测试电路中的电流测量值与规律总结
２．２　引入“实验先于理论”的实验模式
基础验证型实验的模式是学生先学相关电路理论后进行实验测量，重在学习基本测量方法和掌握实验技能并验证所学理论，加深对所学理论的感性认知，本质上是运用演绎法，即从一般到个别、普遍到特殊的推理，是认识的具体化过程。当学生有了一定基础实验技能之后，加入“自主测试归纳型”实验内容，不在实验前讲解原理，转而强调以学生为主体，学生在学习相应电路理论之前先进行实验测试和实验现象观察，然后从实验结果和测试数据中总结出相关的理论公式、电路特性或功能，从而获得新知识，即通过个别认识一般，这种方法实际上属于归纳法。例如学生在学习齐次定理之前，根据给出的电路原理图，多次测量某线性电路响应随激励变化的数据后填入表３，归纳齐次性在线性电路中的体现，从而发现“响应和激励成正比”的结论。此例就是应用了简单枚举归纳法，即根据某类事物对象的观察，发现这些对象都具有某种属性，而又没有遇到相反的情况，因此推导出该类事物都具有某种属性的一般性结论的推理方法。

表３　线性电路齐次性的测试
２．３　电路课堂教学形式翻转
对应自主测试归纳型实验的相关电路理论阶段，在教学方法上使用启发式、应用式教学法，让部分学生走上讲台，教师引导分析。学生为主体，倡导学生多动脑、勤思考、敢提问。鼓励学生结合实验现象发现问题、解决问题，增强学生用科学实验方法进行“探索求证”的能力。学生普遍反映对相关理论的理解更为深刻。这种教学方式让学生先进行实践实验，由实验现象找本质，再进行理论课堂的讲授和讨论，在课堂上突出知识点背景和难点思路，由一般到特殊的原则，循序渐进地引导学生掌握全部重难点。通过这种方式，学生的主观能动性提高了，被动思维逐步转变为主动思维，遇到实际问题时能去思考电路特点和所学知识的关联性。
２．４　打造开放的自主实验环境
为了保证学生有充足的实践机会，硬件上除了电信实验中心常规的电路实验室设备以外，引进了美国ＡＮＯＬＯＧ　ＤＩＳＣＯＶＥＲＹ便携式电路实验平台套件，整合了示波器、信号发生器和逻辑分析仪的功能，将名片大小的实验板卡发到每个学生的手上，装在口袋里可以随身携带、随时操作，可以让学生在课堂外分组开展实验，并建立了微信群，及时沟通与分享，为进行自主测试型实验的电路教学模式提供了很好的实验
环境。
３　结语
近几年教学改革实践证明，通过“自主测试归纳型实验”的教学模式改革，引导学生体验“实验先于理论”归纳法，并与基础测试型实验的演绎法进行比较，学生十分欢迎这种新型的科学研究方法，对培养学生的抽象思维能力和逻辑推理能力、开发学生的探索潜能成功有效。“自主测试归纳性”实验大大提升了实验的内涵，使学生由“要我学”实验，变为“我要学”实验。
通过自主性实验强化自主学习和自主创新能力。通过改革使学生在课前课后对实验倾注了极大的关注，教师随时根据实验中遇到的现象或问题，引导学生讨论和进一步思考，教学效果有了明显的提高。