“電路原理”系統(tǒng)化教學改革與研究

樊金榮 李薇

摘 要：本文對我校自動化專業(yè)基礎必修課程“電路原理”的教學改革進行研究和探討。針對傳統(tǒng)電路教學信息量大，知識點分散，偏重理論，脫離實際工程的教學模式，提出從系統(tǒng)化角度來調(diào)整課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)、建立課程之間的聯(lián)系。將各種工程軟件引入教學，使學生從枯燥的計算中解脫出來。同時，把市場上流行的元器件引入教學分析中，培養(yǎng)訓練學生工程設計的能力。最后提出對考核指標和步驟的改革措施。近幾年的實踐表明，從系統(tǒng)的角度來改革教學內(nèi)容、教學手段和考核方法取得了較好的教學效果。

關(guān)鍵詞：電路原理；系統(tǒng)化；工程軟件；教學改革

中圖分類號：G642.0 ？ 文獻標識碼：A？？文章編號：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

Reform and Research on Systematic Teaching for Circuit Theory Course

FAN Jin-rong

（ South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China ）

Abstract： This paper explores the teaching reform practice of Circuit Theory course for the students in Automation. The traditional teaching mode is divorced from the practical engineering application. On the systematic point of view， the reform details are elaborated， including teaching contents， structure， approaches， methods and evaluation index. Better teaching effect has been achieved after many practices in recent years.

Keywords： Circuit Theory； systematic； teaching reform

0 引言

“電路原理”課程是自動化專業(yè)的第一門專業(yè)課程。近三十年來，傳統(tǒng)教學和相關(guān)的經(jīng)典教材[1，2]都是將上個世紀已經(jīng)成熟完備的經(jīng)典理論體系作為教學重點，對理想化的元器件構(gòu)建精美的電路進行計算。其內(nèi)容也停留在線性電阻、電容和電感元件電路分析和理論計算。市面流行的場效應管，光耦器件都不涉及。這種脫離現(xiàn)實，枯燥的教學無法使培養(yǎng)學生的工程意識，更不利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)。在高?！笆濉币?guī)劃 “少學時”培養(yǎng)方案要求下，如何在有限學時內(nèi)讓學生理解掌握該課程分析方法，如何安排該課程的知識點，使之符合學生的認知規(guī)律？如何處理課程與后續(xù)專業(yè)課程的聯(lián)系？筆者通過多年的教學實踐改革經(jīng)驗，提出系統(tǒng)化的角度來改革“電路原理”的教學內(nèi)容、教學手段和課程考核方法。

1 系統(tǒng)化的教學內(nèi)容改革

作為大一新生，其思維模式停留在中學物理中的歐姆定律。我們首先從系統(tǒng)的角度對“電路原理”課程以歐姆定律為出發(fā)點，整理成表1，使學生從系統(tǒng)的整體性來把握課程的學習內(nèi)容及與該專業(yè)后續(xù)課程的聯(lián)系。表1中可以看出，自動化專業(yè)課程內(nèi)容看似繁雜，包羅萬象，從分立元件到簡單系統(tǒng)再到復雜系統(tǒng)。但從系統(tǒng)的角度來看，學習的過程是不斷地抽象與化簡，建立統(tǒng)一的系統(tǒng)模型。將日常生活中熟悉的系統(tǒng)如空調(diào)，動漫游戲引入，引起學生的探知欲望，激發(fā)學習興趣，也消除了畏難情緒。

表1 系統(tǒng)化“電路原理”教學思路

階段

教學內(nèi)容及延伸

物理抽象

課程名稱

1

電壓電流基本測量

歐姆定律

大學物理

2

集總參數(shù)元件

KCL、KVL

電路原理

3

放大器

門電路、組合邏輯電路

數(shù)字電子技術(shù)

4

濾波器

模擬電路

模擬電子技術(shù)

5

模擬系統(tǒng)（變壓器、調(diào)節(jié)器、RF放大、電源、繼電器等等）

指令系統(tǒng)、程序語言、軟件系統(tǒng)

匯編語言、C語言、Matlab、操作系統(tǒng)

6

各類應用控制系統(tǒng)（鼠標、烤面包機、聲吶系統(tǒng)、空調(diào)、電玩、太空艙等等）

電信號轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集，反饋，識別

信號與系統(tǒng)分析、控制理論、模式識別等等

“電路原理”是自動化專業(yè)課程系統(tǒng)的一個元素，從系統(tǒng)化角度來講，元素之間是相互聯(lián)系的相互左右，不是孤立的?，F(xiàn)有經(jīng)典教材中，由于學時限制，往往沒有給出課程內(nèi)容之間的聯(lián)系。如“數(shù)字電子技術(shù)”中簡單門電路，往往是一個符號。在教學中，可以用一個簡單電壓源Vs，電阻R和一個開關(guān)K來構(gòu)成圖1所示簡單電路來闡述非門（反相器）工作原理。從而引導學生建立“模擬信號”與“數(shù)字信號”的物理含義，將后續(xù)專業(yè)課程與基礎課程聯(lián)系起來。當然，進一步作電路開關(guān)元件的并聯(lián)，可以建立圖2所示的或非門電路。這樣在課堂上五分鐘的內(nèi)容延伸與講解，學生容易理解基本電路的作用。進一步提出思考，如何設計與非門電路？學生在問題驅(qū)動下，立刻舉一反三，激發(fā)興趣，課堂也活躍起來。此時再引入“模擬電子技術(shù)”課程中的二極管元件，調(diào)整圖1中電源大小，通過仿真軟件觀察輸出結(jié)果，引導學生建立真值表。在此基礎上，進一步引入MOSFET元件，替換圖1中的開關(guān)，布置練習作業(yè)讓學生課外查找資料來認識MOSFET元件特性。這樣的教學內(nèi)容改革，不但使學生很快意識到不同元器件來實現(xiàn)同樣功能電路的設計理念，而且架構(gòu)了本課程與后續(xù)課程聯(lián)系紐帶，將分散的知識點構(gòu)成整體性系統(tǒng)，便于理解與掌握。同時將專業(yè)后續(xù)課程在這里提及，使學生對專業(yè)課程設置有系統(tǒng)化認識和了解。

圖1 非門電路

圖2 或非門電路

“電路原理”本身概念比較多，知識點分散，從系統(tǒng)化角度，將授課內(nèi)容劃分為直流電阻電路、動態(tài)電路的時域分析和正弦穩(wěn)態(tài)電路三大塊。直流電阻電路中在集總參數(shù)約束下給出電路理論中的基石：元件的VCR和基爾霍夫定律（KCL和KVL）。參照實際電力系統(tǒng)網(wǎng)絡，每個節(jié)點電壓是各電力設備的額定電壓來確定的，系統(tǒng)中瞬息萬變的電流才是我們要分析和控制的變量，電力系統(tǒng)的最嚴重的故障就是短路故障。顯然僅有VCR和基爾霍夫定律不能快速準確地獲取各支路電流，對系統(tǒng)進行監(jiān)控或分析。各種分析計算方法，如網(wǎng)孔法、回路電流法、節(jié)點電壓法就是為了提高計算速度而整理的方法。作為電氣工程師，只需要快速列寫標準化的矩陣方程，計算的工作由各類軟件來實現(xiàn)。此時將MATLAB語言[3]引入到電路計算分析中，一方面可以讓學生掌握這門控制科學仿真設計中不可或缺的工具，另一方面使學生養(yǎng)成規(guī)范地列寫矩陣方程的習慣，為后續(xù)專業(yè)課程如“信號與系統(tǒng)分析”、“自動控制原理”奠定工具的基礎。電力網(wǎng)絡瞬息萬變，某一支路參數(shù)的突然變化都需要重新列寫整個系統(tǒng)的方程，這顯然不能滿足電網(wǎng)監(jiān)控中快速性的要求。于是電路等效變換，戴維南定理（諾頓定理）及時“出現(xiàn)”來解決這個問題。為了讓學生更好地掌握“等效”和“化簡”這兩個始終貫穿電路理論教學的概念，我們調(diào)整了經(jīng)典教材中的授課次序，將第三大塊正弦電路分析提前到這里。相量分析將正弦交流變量轉(zhuǎn)換成相量后，第一塊中的定律、分析計算工具和方法都在這里再次應用，僅僅在描述符號上有差別（矢量符號代替標量符號）。這樣的內(nèi)容調(diào)整，學生鞏固復習前面的知識。特別是對稱三相正弦電路的學習，應用相量分析，將電壓（或電流）正弦時域表達式變換到相量表達式，將對稱三相電路變換到單相電路，用戴維南等效化簡電路到電源、內(nèi)阻抗和負載阻抗的串聯(lián)?！盎啞钡姆治鏊悸吩谶@些過程中不斷地展現(xiàn)，讓學生不斷領悟到表1中所示的思路：從系統(tǒng)的角度，我們的各種設計與發(fā)明創(chuàng)造都是在化簡系統(tǒng)。如同面對一輛小車，盡管內(nèi)部電路錯綜復雜，但對駕駛員而言，僅需控制油門、剎車和方向盤。將動態(tài)電路放在最后講授，此時同時進行的高等數(shù)學中的微分方程求解正好作為計算工具來應用。大學物理中電磁學理論學習也正好結(jié)束，這個時候用來分析耦合、充放電、變壓器原理，正好理論與實際應用相結(jié)合，學生很好掌握。

2 系統(tǒng)化教學手段改革

教學內(nèi)容的擴充，傳統(tǒng)的手工繪制電路原理圖形，用計算器來計算電壓電流參數(shù)耗時費力的學習方式也必須進行相應的改革。作為教輔工具我們引入PSpice AD Student分析軟件[4]，來幫助學生理解和監(jiān)控電路系統(tǒng)工作運行情況。在課堂上進行例題講解中，先讓學生以2～3人小組的形式討論問題的思路，所要用到的定理、方法。計算的過程及結(jié)果直接用軟件仿真完成，既節(jié)省了繁雜計算的時間，也能清晰地展現(xiàn)電路中各參數(shù)之間的關(guān)系。特別是受控源器件，抽象的數(shù)學表達式學生很難準確理解變量之間的控制關(guān)系。PSpice軟件采用導線將某一支路電流或某一節(jié)點電壓連接到需要控制的支路或節(jié)點上，學生直觀清晰地理解了“受控”的真正含義。這虛擬儀器上的接線，也“映射”到學生在實際實驗中，指導實驗中正確串聯(lián)電流控制量和并聯(lián)電壓控制量。同時PSpice軟件能夠提供靈敏度、可靠性分析，這是實際工程中不可或缺的，通過使用軟件讓學生建立了適當?shù)墓こ袒拍睢?/p>

提到Matlab作為強大的數(shù)值運算工具在自動化后續(xù)專業(yè)課程中得到廣泛的應用。在“電路原理”教學中，利用Matlab強大的計算功能，可以把學生從繁雜的手工計算中解脫出來。在動態(tài)電路分析和實驗中，利用Matlab可得到精確解和相應的波形曲線，可視化圖形讓學生理解時間常數(shù)，衰減度等工程概念。相比于C語言，Matlab是一門接近科學計算的語言，編程十分容易，學生可以方便地利用M編寫通用函數(shù)，建立工程模塊化概念。同時，也在實驗中引導應用Matlab中的Simulink功能構(gòu)建電路模型，改變元器件參數(shù)，變換激勵的幅度、頻率和初始相位等參數(shù)，對不同響應進行分析與比較。這樣通過使用Matlab工具，采用兩種方式來對電路系統(tǒng)建模和仿真，讓學生在分析比較中理解電路分析的方法，掌握相應的原理。

當然，適合于“電路原理”教學的軟件還有許多，如Multisim，Proteus等等。作為學習工具，在教學中，我們將這些工具介紹給學生，讓他們根據(jù)自己的喜好自由選用。這些工具代替?zhèn)鹘y(tǒng)筆和計算器等文具，學生很容易理解，完全利用課外時間就可以掌握使用。從大一就開始學習使用這些必不可少的工程軟件，培養(yǎng)了學生工程設計的理念。這樣從系統(tǒng)整體角度，把各類軟件自然融合到“電路原理”的學習中，不用另設軟件學習相關(guān)課程，實現(xiàn)了“有需求就學，邊學邊用”的教學模式。

3 系統(tǒng)化改革課程考核

傳統(tǒng)單一的期末閉卷考試讓很多學生平時不用功，到考試周臨時抱佛腳，甚至死記硬背公式來應對。我們將課程考核按多形式多階段進行改革，具體措施如下。

（1）形式多樣化。課堂實例講解分析中，我們只給出思路和步驟，模型建立，參數(shù)計算和數(shù)據(jù)分析由學生課外自己完成整理。每個學生抽查10次，記錄為練習成績。5次實驗前，先布置預習任務，學生用軟件建模仿真，記錄預習成績。如果沒有完成，要補充完成后方允許進入實驗室。實驗完成后，記錄過程，比較結(jié)果，分析數(shù)據(jù)，以報告形式規(guī)范書寫整理成冊，記錄為實驗成績。還有2次課程小設計任務，分別在直流部分完成和動態(tài)響應部分完成后。要求給出設計思路、分析原理、設計電路原理圖、仿真結(jié)果，撰寫設計報告。這樣處理，既讓學生帶著問題來學習仿真軟件的使用，也訓練了學生撰寫規(guī)范的工程文檔的能力。另外根據(jù)前文劃分的三大塊內(nèi)容，每部分完成后，設置45分鐘的開卷單元小測試。最后是學期末的閉卷考試。

（2）調(diào)整成績合成比例。系統(tǒng)化學習的過程，是一個分階段，有反饋的過程。在上面分階段進行的考核中，學生通過測試來檢查自己掌握的程度。教師也通過測試反饋及時把握學生的學習狀態(tài)，調(diào)整授課的進度與重點。把以往重視結(jié)果的單一期末考試轉(zhuǎn)化為重視過程的考核形式。綜合成績的合成也調(diào)整為平時成績占60%，期末考試占40%.其中平時成績?yōu)樯衔乃谐龅木毩暢煽?、實驗成績、課程小設計、單元小測試，各部分在平時成績中的權(quán)重比例為25%。另外，期末考試的重點在動態(tài)電路的時域分析和正弦穩(wěn)態(tài)電路。因為在直流部分中的定理和方法在轉(zhuǎn)換形式后應用在這動態(tài)和穩(wěn)態(tài)電路中。這樣對學生而言，分階段有步驟掌握知識點，思路清晰，也減輕了期末集中復習考試的壓力和焦慮。

4 結(jié)語

本文分析傳統(tǒng)電路教學中存在的問題，從教學內(nèi)容、教學手段和考核形式提出了電路教學改革。目前我們將此方法應用于“電路原理”教學中，學生消除了畏難情緒，課程不及格率下降了。更重要的是，學生對專業(yè)課程體系有了明確的認識與理解，提高了對專業(yè)課程學習的積極性。

參考文獻：

[1] 邱關(guān)源， 羅先覺主編. 電路（第5版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006年6月

[2] 于歆杰， 朱桂萍， 陸文娟. 電路原理[M]. 合肥： 中國科學技術(shù)大學出版社， 2008年3 月

[3] Cleve B.Moler著.張志涌等譯. MATLAB數(shù)值計算（2013修訂版）[M]. 北京： 北京航天航空大學出版社， 2015年1月

[4] 章濤，盧曉光，李海.電路分析基礎課程引入仿真實驗平臺應用實踐[J]. 實驗室科學， 2015年04期：59-61.