基爾霍夫定律驗證實驗的自主設計*

◆陳媛媛

0 前言

電路原理課程是高校電氣類、自動化類和電子信息類專業(yè)重要的工程基礎課[1]。而基爾霍夫定律是集中電路中的基本電路定律，分為基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律[2]。除了課堂教學的理論講解之外，通過對實驗原理的設計性實驗，可以加深學生對重要定理基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律的理解，鍛煉學生自主搭接電路的能力，熟悉各種測量儀器的使用，培養(yǎng)學生對實驗數(shù)據的分析處理能力，同時理清直流電路和交流電路基爾霍夫定律形式的區(qū)別。本文主要介紹基爾霍夫定律驗證實驗自主設計的教學設計和操作考核方法。

1 實驗內容和教學設計

實驗內容 基爾霍夫定律驗證實驗的主要內容是利用實驗室提供的實驗器材，合理設計實驗方案，實現(xiàn)基爾霍夫定律的驗證。因為基爾霍夫定律不僅在直流電路中成立，在交流電路中也一樣成立[3]，所以實驗方案可以分為直流電路和交流電路兩部分。直流電路部分可以設計由兩個直流電源和若干電阻組成的直流電路（要求電路支路數(shù)目達到三條或三條以上，結點數(shù)目達到兩個或兩個以上），測量各支路的電流和電壓，驗證基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。交流電路部分則設計由一個交流電源和若干電阻、電容組成的交流電路（要求電路支路數(shù)目達到三條或三條以上，結點數(shù)目達到兩個或兩個以上），測量各支路的電流和電壓，驗證基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。實驗室中的電感元件的參數(shù)模型通常更為復雜，不是太合適使用。

當然，作為設計性實驗，可以給學有余力的學生增加一些擴展性的實驗內容。例如：在直流電路部分，作為擴展可以將電路中的一個電阻替換成白熾燈泡，再次測量各支路的電流和電壓，驗證基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律；在交流電路部分，作為擴展可以將電路中的一個電阻或電容替換成日光燈管，觀察日光燈管是否表現(xiàn)為感性負載，再次測量各支路的電流和電壓，驗證基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。

教學設計 整個實驗的教學設計可以分成實驗預習、課前講解、實驗操作、課后總結幾個步驟進行。

1）實驗預習。本實驗是一個設計性實驗，需要學生自主選擇合適的實驗元器件。學生首先需要學習了解實驗室中常用元器件的性能，比如：根據電阻的額定功率，設計中保證電阻的電壓、電流值在合適的范圍內；電容要選擇合適耐壓的電容；使用白熾燈作為電阻負載時，根據白熾燈功率的不同，注意白熾燈泡的工作電流范圍；電流較小時，白熾燈發(fā)亮現(xiàn)象不明顯；白熾燈冷態(tài)電阻比較小，工作時，白熾燈發(fā)熱，燈絲電阻隨著溫度的升高而增大，表現(xiàn)為非線性電阻特性；學習日光燈管的工作原理，感性負載的日光燈管額定工作電壓要保證220 V。教師將實驗室各種元器件做成PPT介紹，供學生挑選。

學習Multisim仿真軟件，通過Multisim仿真的教學視頻學習軟件基本功能，讓學生自行練習軟件使用。根據所選擇的實驗室元器件，自行設計搭接電路并進行相關電路的仿真。獲得電路仿真實驗的數(shù)據，為實物操作實驗中將取得的實驗數(shù)據做好預估。

2）課前講解。課前講解元器件使用注意事項、測量儀器的使用方法、實驗安全注意事項等。交流電路使用的時候要注意用電安全。實驗室電源是三相交流電路，取其中一相作為交流電源。

3）實驗操作。學生單人單組自主實驗。學生選擇合適參數(shù)的固定元器件，可調元件調整好元器件參數(shù)，進行實際電路的搭接，用測量儀表測量相應的電壓電流值，最后通過實驗數(shù)據驗證基爾霍夫定律。學生在實驗中遇到問題可以查閱預習課件PPT元器件參數(shù)介紹，對比仿真實驗數(shù)據尋找問題錯誤點，尋求教師的幫助和指導。

4）課后總結。匯總實驗數(shù)據，整理實驗表格并進行計算。交流電路中繪制相量圖驗證基爾霍夫定律關系。和仿真實驗的結果也進行對照，分析差異原因。對實驗過程中發(fā)生的問題總結原因和解決方法。

2 教學實施

實驗要求 實驗涉及“基爾霍夫定律”“儀器儀表的使用”“Multisim仿真軟件的使用”等相關知識和方法。通過對常用元器件和儀器儀表的使用，促進學生將電路理論與工程實踐相結合。該實驗有助于提升學生分析設計電路的能力，激發(fā)學生探索學習的興趣。實驗預習時，要求學生學習基爾霍夫定律的理論知識，根據實驗室提供的器材，合理設計實驗電路。利用Multisim仿真軟件對設計電路進行仿真調試，確定最終實驗電路。在實驗室進行實物的實驗操作時，由教師講解實驗器材的使用方法和實驗操作的注意事項，學生按照設計電路進行電路連接，測量電路參數(shù)，記錄實驗數(shù)據，實驗過程中有疑問或異常情況可以詢問教師求助。實驗結束后，學生整理實驗數(shù)據，進行實驗總結，撰寫實驗報告。

實施進程 該實驗安排在交流相量法和正弦穩(wěn)態(tài)電路分析學習完之后。此階段學生已經掌握了電路定理在直流電路和交流電路中的表示形式，對電路元件、測量儀器的使用已經有所了解，可以自行設計搭接電路。學習了Multisim仿真軟件，可以對設計電路進行仿真調試，從而確定最終實驗電路。為保證學生能夠在實驗室內完成實物實驗任務，在進實驗室前，學生需要進行實驗預習。除了復習基爾霍夫定律的理論內容，學生對于自己所設計的電路需要應用電路理論分析方法進行理論值計算，同時利用Multisim仿真軟件得到設計電路的仿真實驗數(shù)據，從而對實驗結果做到心中有數(shù)。由于是設計性實驗，學生設計電路表現(xiàn)多樣化。但因為實物實驗基于實驗室的電工電子的實驗平臺操作，直流電路部分實驗大多數(shù)學生還是選擇實驗掛箱上的現(xiàn)成模塊電路。但擴展電路部分，如何接入白熾燈泡電路，燈泡電流值的調節(jié)，仍然有不少學生遇到問題；燈泡電阻的變化，燈泡亮度問題，是學生的常見疑問點。

交流電路部分，推薦學生使用少量電阻和電容來搭接電路，避免電路計算過于復雜。注意電壓電流相量間的角度關系，電容電壓電流相量角度的90°關系。由于交流儀表測量的只是電壓電流的有效值，驗證基爾霍夫定律需要結合元件特性確定電壓電流方向角度，因此，學生需要能夠正確理解定理的交流形式，實驗數(shù)據處理時一定要畫好相量圖。有的學生沒有注意相量的角度問題，就會對實驗數(shù)據疑惑不解?；窘涣麟娐返姆抡嫒鐖D1所示。在交流擴展實驗部分，接入日光燈管需要保證燈管的工作電壓220 V，設計電壓不合理則燈管無法點亮，這也是導致一部分學生實驗不成功的原因。

圖1 交流電路仿真

總體上，通過這樣的設計實驗，學生對基爾霍夫定律有了更深刻的理解，特別是直流電路和交流電路的對比，使得對電路特性的認識更透徹。學有余力的學生也能夠搭接出更為復雜的電路，對實驗中的不同問題可以自己進行分析，教學中體現(xiàn)了一定的差異性。

3 考核要求與方法

考核方法 合適的考核方式可以激勵學生的學習熱情，督促學生更好地完成學習任務。課程分數(shù)始終是學生非常在意的事情，因此，實驗成績的評定也是教學中的一項重要考量因素。實驗成績中，設計預習報告、實驗操作和實驗報告占比分別為30%、50%和20%。做實驗前要檢查預習報告，有預習報告才能進入實驗室做實物實驗。這是因為對于設計性實驗，預習是不可或缺的重要環(huán)節(jié)，不做預習，實驗難以實現(xiàn)預定的教學目標。實驗操作是整個實驗中最重要的環(huán)節(jié)，基本實驗內容要求全體學生必須完成。擴展內容也建議學生完成。如只做基本實驗內容，實驗成績可設定封頂值，比如最高封頂70分。實驗過程中要獨立完成實驗電路搭接和數(shù)據測試，教師現(xiàn)場觀察學生操作情況，檢查實驗電路并給出實驗操作分數(shù)。實驗報告是總結歸納，教師在實驗結束后根據學生上交的實驗報告給出分數(shù)。

實驗報告要求 實驗報告首先要簡單敘述實驗目的、實驗原理，以實驗室現(xiàn)有實驗元件、測量儀器和實驗平臺為基礎，設計實驗方案以完成實驗任務；根據理論推導計算，合適地選擇電路元件參數(shù)，保證電路元件正常工作。實驗預習報告中要明確設計電路圖、電路元件參數(shù)值，列好自擬的實驗數(shù)據測試表格；附上設計電路的Multisim仿真電路圖，并給出仿真電路測試結果和電壓電流的理論計算結果。進入實驗室后搭接實物電路，并使用電壓電流表測試實驗數(shù)據，將實驗數(shù)據記錄在實驗表格中。做完實驗離開實驗室后，對記錄的實驗數(shù)據進行分析處理，對直流電路直接用計算式驗證基爾霍夫定律，對交流電路需要畫出相應的相量圖驗證基爾霍夫定律。另外，對實驗過程中遇到的問題需要加以分析總結。

4 小結

基爾霍夫定律驗證實驗是電路原理課程中的傳統(tǒng)實驗項目。將固定的驗證性實驗變?yōu)樽灾髟O計性實驗，增加了學生的自主性，方便不同層次的學生自由發(fā)揮，激發(fā)學生的學習積極性。仿真實驗與實物實驗虛實結合，有效引導拓展實驗內容的廣度和深度，保證設計性實驗教學的進行。通過直流電路和交流電路的對照實驗，加深學生對直流電路和交流電路特性的理解，能夠幫助學生更好地掌握基爾霍夫定律。