電路原理課程教學(xué)改革探索

吳國慶+張燕君+朱奇光+王偉 齊躍峰+畢衛(wèi)紅

[摘 要] 針對當(dāng)前專業(yè)基礎(chǔ)課《電路原理》教學(xué)所面臨的諸多問題，結(jié)合國內(nèi)外先進教學(xué)理念，提出了適合本?！峨娐吩怼氛n程的教學(xué)改革措施，從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法改進以及實踐環(huán)節(jié)等方面進行研究，形成了一套系統(tǒng)的教學(xué)模式，并給出了相應(yīng)的案例，通過學(xué)生與教師之間及時的教學(xué)反饋與評價，達到較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 電路原理；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；實踐教學(xué)

[中圖分類號] G642.4[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1005-4634（2015）04-0066-06

0 引言

針對目前各高校在教學(xué)中存在的諸多問題，教學(xué)改革勢在必行。以工程技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)的高等院校，針對不同工程類專業(yè)，制定了諸如創(chuàng)新型人才、卓越工程師等培養(yǎng)計劃，通過CDIO工程實踐、“產(chǎn)學(xué)研”互動等人才培養(yǎng)模式的促進，人才培養(yǎng)質(zhì)量大大提高。

《電路原理》作為電氣信息類的第一門專業(yè)基礎(chǔ)工程類課程，在為后續(xù)課程（如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路、信號與系統(tǒng)等）提供必要的基礎(chǔ)概念的同時，也著力培養(yǎng)學(xué)生對電類學(xué)科的專業(yè)興趣、工科的思維方式以及分析實際電路的能力。高等院校對電類專業(yè)基礎(chǔ)主干課程的重視程度一直很高，在學(xué)校大范圍精簡主干課程學(xué)時的前提下，《電路原理》課程的學(xué)時僅有一次微調(diào)?！峨娐吩怼返慕虒W(xué)質(zhì)量對學(xué)生的培養(yǎng)以及未來的就業(yè)方向起到了至關(guān)重要的作用。

本文將教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法改變以及實踐環(huán)節(jié)的大量引入納入到燕山大學(xué)《電路原理》課程的教學(xué)改革中，給出了具體的實施過程。通過這種個案分析，探索了這些改革措施在《電路原理》課程教學(xué)過程中的應(yīng)用效果，提升了專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為工程類專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)改革提出了一套科學(xué)、可行的解決方案。

1 《電路原理》課程現(xiàn)狀

與熱門專業(yè)課程改革相比，《電路原理》課程的改革卻相對落后，主要原因在于《電路原理》課程講授的主要分析方法和由此構(gòu)成的經(jīng)典電路理論完善于20世紀(jì)中葉，迄今為止沒有發(fā)生重大變革。國內(nèi)最著名的、各大高校用到最多的高等教育出版社邱關(guān)源先生編著的《電路》已經(jīng)有30多年，到現(xiàn)在為止還沿用?！峨娐吩怼氛n程講授的基本電路模型、基本定律、基本分析方法、基本定理均較以前沒有發(fā)生過改變，以“分析理想電路模型”為主體的電路理論的基本框架沒有改變，這就使得《電路原理》這門課程教學(xué)改革之路異常艱難。

《電路原理》課程作為燕山大學(xué)本科電氣信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課，涉及專業(yè)面廣，包括電子、通信、計算機、自動化、電氣、測控等電子電氣類專業(yè)約1200人。課程內(nèi)容理論知識點多、學(xué)習(xí)難度高。近些年，其它電氣類專業(yè)課程改革如火如荼，相比之下《電路原理》的講授方式除了改成多媒體教學(xué)外，和30多年前講授的內(nèi)容基本不變，學(xué)生反響效果一般。因此，原有的授課方式很難適應(yīng)當(dāng)前人才培養(yǎng)的需求，目前主要存在以下問題。

1）學(xué)時減少，教學(xué)內(nèi)容不變，需要提高有效學(xué)時的合理分配。隨著高校對學(xué)生知識面拓寬和專業(yè)知識加深的要求，實踐課程學(xué)時增加，理論基礎(chǔ)課程總學(xué)時日益減少，產(chǎn)生了知識量增加而學(xué)時分配卻減少的矛盾。在有限的學(xué)時里完成教學(xué)內(nèi)容，需要認(rèn)真分析目前傳授的內(nèi)容與專業(yè)需要是否匹配，通過在主要內(nèi)容上合理的分配學(xué)時，加深學(xué)生對主要知識點的把握。

2）多媒體的利用率太高，學(xué)生很少做筆記，導(dǎo)致消化理解課上內(nèi)容的能力下降。隨著多媒體技術(shù)引入課堂教學(xué)，大大的提高了教師講課內(nèi)容的容量，也節(jié)省了在黑板上書寫帶來的時間浪費，但學(xué)生的接受能力是有限度的，課堂上又很少人做筆記，就算做了筆記，也很難跟上進度，因此產(chǎn)生了學(xué)生接受知識的能力與大幅提高課堂容量之間的矛盾。并且，學(xué)生課后很少復(fù)習(xí)答疑，導(dǎo)致理解課堂上內(nèi)容的能力下降，如此惡性循環(huán)，大大降低了學(xué)生對這門課的興趣。

3）以前死記硬背式的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)不適合《電路原理》課程的學(xué)習(xí)。由于《電路原理》是一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，所以內(nèi)容里很多都是大幅的理論、公式、模型，這些都需要一定時間的記憶，但大量的記憶會引起學(xué)生的反感，學(xué)生只會為了通過這門課程而學(xué)習(xí)，從而失去對這門課程的興趣，這與學(xué)校開這門課的初衷相悖。

4）理論知識與實踐的脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生對《電路原理》課程的興趣降低。隨著高校對于工程類專業(yè)的重視，特別是以培養(yǎng)工程類人才為目標(biāo)的高校，會大力開展工程類課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)工作，而傳統(tǒng)的《電路原理》課程主要以理論講解為主，除了幾個典型的實驗外，很少有實踐內(nèi)容與課堂上所講的理論相匹配。而工科類大學(xué)生一般對實踐環(huán)節(jié)比較感興趣，這就產(chǎn)生了理論內(nèi)容過多而實踐環(huán)節(jié)缺失的矛盾，進而導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生還是停留在理論習(xí)題的掌握上，而真正到了應(yīng)用相關(guān)理論去解決實際問題時又手足無措。

針對以上問題，本文從教學(xué)內(nèi)容上做出了一定的調(diào)整，提出了適合本校《電路原理》課程的教學(xué)內(nèi)容改革；從教學(xué)方法上提出了類比式和互動式教學(xué)理念提高學(xué)生記憶理論知識的能力和學(xué)習(xí)的積極性；通過具體實驗、模擬仿真以及課程設(shè)計的綜合應(yīng)用鍛煉學(xué)生的實際動手能力。在整個教學(xué)過程中，強調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，以社會對學(xué)生的要求為主旨，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、分析問題和解決問題的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

教師在教學(xué)過程中應(yīng)盡可能的使學(xué)生在有限的課堂時間內(nèi)掌握《電路原理》的教學(xué)內(nèi)容，注重該課程與后續(xù)專業(yè)課程（如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)、自動控制原理等）之間的聯(lián)系。精選出與后續(xù)課程緊密關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，刪減那些目前應(yīng)用性不強的內(nèi)容。例如講解基本電路元件的外部特性時，可以引入金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），因為該器件在當(dāng)今集成電路領(lǐng)域應(yīng)用的比較多，很有代表性，也很容易引起學(xué)生的興趣；講解電阻電路的電橋平衡問題時，可以引入傳感器技術(shù)里橋路輸出的電壓靈敏度、線性度以及負載特性等；講解疊加定理時，可以引入信號與系統(tǒng)中的信號的可加性；講解動態(tài)電路復(fù)頻域分析中網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念時，可以引入自動控制原理的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)等。另外對于《電路原理》課程中含有運算放大器和非線性電阻的章節(jié)，雖然這些章節(jié)內(nèi)容在后續(xù)模擬電子技術(shù)課程中會作為精講內(nèi)容，但是為了讓學(xué)生盡早對目前集成電路領(lǐng)域中常用器件有更清楚的認(rèn)識，考慮把這兩部分內(nèi)容作為學(xué)生自學(xué)章節(jié)，教師提出學(xué)習(xí)要求，學(xué)生利用課余時間通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)信息平臺給出自己對該部分內(nèi)容的理解，并形成報告，教師根據(jù)每個學(xué)生完成報告的情況給出相應(yīng)的指導(dǎo)，并將這段學(xué)習(xí)經(jīng)歷作為平時成績計入總評。這樣，不僅解決了相應(yīng)課程之間教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)問題，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，讓學(xué)生知道了學(xué)習(xí)該門課程的價值所在。同時，也要對一些內(nèi)容做一定的刪減，例如電阻電路的一般分析中的圖論知識點、支路電流法求解、特勒根定理、互易定理、對偶原理以及卷積積分等內(nèi)容，它們對后續(xù)課程無影響，占用很多學(xué)時，并且都是偏理論的內(nèi)容，學(xué)生掌握比較困難，且目前實際電路中應(yīng)用很少，可以考慮刪掉或者給學(xué)生簡單解釋，學(xué)生大概理解即可，不用深入討論。

3 教學(xué)方法改革

教學(xué)方法的選擇應(yīng)該與該課程的性質(zhì)和內(nèi)容相對應(yīng)，《電路原理》課程里的理論部分有很多相似的原理、性質(zhì)、模型，如果將它們進行類比分析會省去很多記憶的時間，采用聯(lián)想記憶會大大提高學(xué)生對知識點理解的程度；而互動教學(xué)通過創(chuàng)設(shè)積極有效的師生之間、學(xué)生之間的互動情景，將知識內(nèi)容融入教學(xué)互動過程中，加深學(xué)生對知識的理解、提高學(xué)習(xí)的積極性，促進學(xué)生能力和素養(yǎng)的提升[1]。

3.1 類比教學(xué)法

所謂類比，就是由兩個對象某些相同或相似的性質(zhì)，推斷它們在其他性質(zhì)上也有可能相同或相似的一種推理形式。類比式教學(xué)方法是利用課程內(nèi)容相對或相似進行的一種由此及彼的教學(xué)方法。對于電阻和電導(dǎo)元件進行類比教學(xué)，由歐姆定律類比開始，推導(dǎo)出開短路關(guān)系、電阻電路一般分析法中的回路電流法和節(jié)點電壓法方程的關(guān)系以及電阻之間的等效變換，并且指出兩種方法的區(qū)別如回路電流法中互電阻可正可負，而節(jié)點電壓法中互電導(dǎo)只能為負。對于電容和電感元件進行類比教學(xué)，由電壓電流的瞬時值關(guān)系類比開始，推導(dǎo)出兩種元件相量法中的相量、有效值、相位關(guān)系；動態(tài)電路的復(fù)頻域分析時，電容、電感的運算電路模型都是其與電壓源串聯(lián)或者和電流源并聯(lián)等效，區(qū)別在于附加電壓源的大小和方向不同。以上類比性如表1、表2所示，這樣兩類元件特性、電路模型關(guān)系等一目了然，學(xué)生對比記憶會印象深刻，教學(xué)效果也很顯著。

3.2 互動教學(xué)法

《電路原理》課程要想收到比較好的教學(xué)效果，還需教師改變傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式，在教學(xué)過程中應(yīng)時刻關(guān)注學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體這一概念，要經(jīng)常注意與學(xué)生的互動交流。教師可以通過精心設(shè)計與本節(jié)內(nèi)容相關(guān)的問題進行問題互動，也可以進行角色互換，鼓勵學(xué)生大膽走上講臺，做一些具體知識點如等效電阻求解小竅門、正弦穩(wěn)態(tài)電路的相量圖法求解等小講座，使學(xué)生得到表達能力上的鍛煉。以上這些難點內(nèi)容如果枯燥的進行講解，學(xué)生可能會難以理解，就算課堂上聽明白了，課下也會很快忘記。相反的，如果能通過查資料主動去鉆研這些內(nèi)容，并且在講臺上自己能說清楚，讓其他人明白理解，自身就會有成就感，就會更加愿意去主動學(xué)習(xí)了。同時，過程中學(xué)生也會養(yǎng)成查資料的好習(xí)慣，時刻關(guān)注著名學(xué)校在該課程上的講授方法以及內(nèi)容闡述，對于該門課也會更加有興趣。并且，學(xué)生也能體驗到教師工作背后的辛苦，會更加尊重教師的勞動，反省自己的行為，從而達到德育教育和能力教育雙重培養(yǎng)的目的[2]。

4 實踐環(huán)節(jié)改革

美國高校的《電路原理》課程已經(jīng)基本實現(xiàn)與工程實踐的緊密結(jié)合[3]，而我國高校在這方面還很欠缺，基本上還停留在理論講解階段，與實際接觸較少。所以會經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生通過四年的大學(xué)學(xué)習(xí)進入社會后很難很快地融入到具體的工作中去，必須通過大量的實踐鍛煉才可以上手。本文主要從以下三方面進行實踐環(huán)節(jié)的改革與探索。

4.1 電路模擬仿真環(huán)節(jié)

計算機輔助教學(xué)軟件Multisim是專門用于電路仿真和設(shè)計的工具軟件，它能夠自動建立電路的KCL、KVL以及VCR方程，并將計算結(jié)果進行處理，用圖形和動畫形式展現(xiàn)出來，這將使教學(xué)內(nèi)容更加形象、生動，有助于學(xué)生理解和掌握。Multisim具有較好的人機交互界面，易學(xué)易用；豐富齊全和可擴充的元器件庫，包括基本元件（電阻、電容、電感、電源等）、半導(dǎo)體器件（二極管、三極管等）、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件；豐富的測試儀器如萬用表、信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、邏輯分析儀瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等；能提供交直流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、零、極點分析、傳遞函數(shù)分析等。并且調(diào)試所得結(jié)果電路可以和Tango、Protel和Orcad等印制電路設(shè)計軟件共享，生成印制電路，自動排出印制電路版，是一種非常好的仿真軟件[4]。模擬仿真的過程還可以搬上多媒體屏幕，與《電路原理》課件有機結(jié)合，提高學(xué)生的興趣。

對于所要講解的內(nèi)容，教師可以提前給學(xué)生布置相應(yīng)的仿真作業(yè)，當(dāng)然，這些仿真作業(yè)要具有一定的代表性，且每個學(xué)生都要獨立完成，并給出相應(yīng)的結(jié)果分析以及可能會出現(xiàn)的問題，教師可以通過答辯的方式對每個學(xué)生的掌握程度進行評判，并作為平時成績的考量。通過這些仿真作業(yè)的獨立完成，學(xué)生能更加理解電路原理的精髓，對知識點有系統(tǒng)清楚地認(rèn)識，對于陌生的電路能通過仿真以及自己的分析得到準(zhǔn)確的判斷，這對于提高學(xué)生對電路原理的認(rèn)識大有裨益。

例如講解含有受控源的等效電阻的求解時，會遇到負電阻的概念，學(xué)生很難理解，這時通過Multisim仿真模擬后，萬用表能測量到具體的數(shù)值30，但萬用表無法反映正負極性，如圖1（a）所示，所以通過外加電源法很容易仿真得到負電阻的結(jié)果，如圖1（b）所示，這很真切的體現(xiàn)了負電阻電路的特點，教師對于什么樣的電路等效電阻會是負電阻的情況加以補充，再結(jié)合負阻抗變換器概念的引入，學(xué)生們對負電阻的理解也會尤其深刻了。

例如講解一階RC電路的充放電時，學(xué)生對于動態(tài)電路的時域分析很難理解，體會不到電容電壓隨時間變化的規(guī)律是什么樣的，這時可以通過Multisim進行仿真模擬，隨著開關(guān)J2將12V電壓源的接入與短路，如圖2（a）所示，示波器實時顯示電容兩端電壓，波形如圖2（b）所示，這時可以清楚地看到充放電過程變化引起的電容電壓按照指數(shù)規(guī)律變化。改變圖2（a）中的電路元件參數(shù)，圖2（b）又會發(fā)生什么變化，最終通過仿真找出圖形變化與參數(shù)變化的關(guān)系，與一階RC電路的經(jīng)典法求解得到的結(jié)果相比較，找出相同點和區(qū)別，這種可視化的設(shè)計能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高教學(xué)的效率和學(xué)生學(xué)習(xí)《電路原理》的積極性。

4.2 電路實驗環(huán)節(jié)

《電路原理》不僅有理論部分，還包括重要的實驗內(nèi)容。教研組開設(shè)了直流電路的測量、疊加原理的驗證、戴維南定理的驗證、交流參數(shù)測定、互感電路測量、三相電路、功率因數(shù)提高以及一階RC電路的響應(yīng)八個實驗。每個實驗都包含實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗設(shè)備、實驗內(nèi)容、實驗注意事項、預(yù)習(xí)思考題和實驗報告。教師在理論知識點的講解過程中穿插上一節(jié)的仿真模擬后，如果再通過相關(guān)的實驗內(nèi)容加以體會，學(xué)生就可以加深對該電路內(nèi)容的理解，提高動手能力以及學(xué)習(xí)興趣。例如實驗“疊加原理的驗證”，因為該實驗涉及到每個獨立電源單獨作用電路，需要對每個電源進行置零操作，而電壓源置零需要短路，電流源置零需要開路，通過電源部分開、短路的接法鍛煉了學(xué)生電源操作部分的動手能力，在后續(xù)課程以及實驗中也可以更加深刻的理解該知識點。并且該環(huán)節(jié)可以同4.1節(jié)的仿真內(nèi)容相聯(lián)系，學(xué)生在實驗前可以通過先仿真再實驗找出實驗中可能會出現(xiàn)的問題，然后再根據(jù)實驗中的參數(shù)將重新仿真得到的結(jié)果與之前相比較，通過以上的相似點和不同點總結(jié)該電路的性質(zhì)，給出該電路最終的結(jié)果分析，這樣對于典型的電路就會有一個清楚深刻的認(rèn)識。

4.3 課程設(shè)計環(huán)節(jié)

在學(xué)生具備理論分析、電路軟件仿真和基本動手能力基礎(chǔ)上，為了進一步加深學(xué)生對實際電路的理解和掌握，將電路課程設(shè)計引入到《電路原理》課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。教師設(shè)計一些簡單的題目或引導(dǎo)設(shè)計方向，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料，自主選題，設(shè)計方案，采用Multisim、Proteus等仿真軟件對方案進行模擬仿真，驗證設(shè)計的方案是否可行，制作硬件調(diào)試系統(tǒng)，在調(diào)試過程中學(xué)生通過查閱資料對硬件進行反復(fù)修改調(diào)試，并不斷改進系統(tǒng)。教師在這期間給予適當(dāng)指導(dǎo)，通過一系列的鍛煉和培養(yǎng)，學(xué)生提高了自己的實際動手能力，為后期更深一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。例如在講解直流電壓源時，可讓學(xué)生自行設(shè)計直流電壓源，要求提供±12V和±5V的直流電壓。圖3是學(xué)生設(shè)計出的電路原理圖以及相應(yīng)的實物圖，其中直流電壓源包含變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等功能，這些內(nèi)容雖然是后續(xù)模擬電子技術(shù)里面講授的內(nèi)容，但現(xiàn)在通過學(xué)生的自己動手操作，可以直觀的感受到直流電壓是如何產(chǎn)生的，學(xué)生真切的體會到了具體電路的設(shè)計過程，提高了學(xué)習(xí)積極性。

5 學(xué)習(xí)過程的反饋與評價

《電路原理》課程的教學(xué)改革方法各高校有所不同，但出發(fā)點都集中在學(xué)生這一主體身上，因此在教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，一定要引入必要的反饋機制去了解、掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的動態(tài)，包括積極性、興趣點（理論分析還是實踐驗證環(huán)節(jié)）等等，并且教師要針對學(xué)生的狀態(tài)對每一階段的教學(xué)狀況做出合理的評價，學(xué)校在每個學(xué)期的中期也會讓學(xué)生通過調(diào)查問卷方式對教師以及這門課程做出評價，比如學(xué)生最感興趣的知識點、最不感興趣的知識點、最難的知識點、能聽懂課堂講授內(nèi)容的百分比、仿真對學(xué)習(xí)是否有幫助及課堂演示實驗對教學(xué)是否有幫助、課程設(shè)計最難的是什么等等[5]。這些評價都為以后該門課程教師的教學(xué)工作指明了方向。

6 結(jié)束語

本文通過對燕山大學(xué)《電路原理》課程內(nèi)容特點以及教學(xué)現(xiàn)狀進行分析，總結(jié)了當(dāng)前該課程教學(xué)中存在的問題，提出了適合本?！峨娐吩怼氛n程的教學(xué)內(nèi)容改革方法；從教學(xué)方法上提出了類比式和互動式教學(xué)理念提高學(xué)生記憶理論知識能力和學(xué)習(xí)的積極性；通過模擬仿真、具體實驗驗證以及課程設(shè)計的綜合應(yīng)用鍛煉學(xué)生的實際動手能力。未來的《電路原理》教學(xué)中可以嘗試以小班形式采用PLB（ProjectBasedLearning）或CDIO（ConceiveDesignImplementOperation）模式授課。盡可能的接近真實工程項目的設(shè)計、分析、研制和展示過程，以促進學(xué)生對《電路原理》課程各知識點的深入理解，為國家和社會培養(yǎng)有真本領(lǐng)的人才。

參考文獻

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