基于計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)踐案例的《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)改革

趙祥紅,陳霄峰

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100）

基于計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)踐案例的《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)改革

趙祥紅,陳霄峰

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100）

基于《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)踐案例的進(jìn)行課程改革，通過(guò)在課程教學(xué)中融入豐富的實(shí)際案例和進(jìn)行大量的仿真分析，使課程更加具體生動(dòng)，將部分繁冗的知識(shí)具體化，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了教學(xué)效果。

電路原理；實(shí)踐案例教學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真；教學(xué)改革

《電路原理及實(shí)驗(yàn)》是我院電子、自動(dòng)化、通信等電類專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門非常重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，掌握電路的基本理論、電路分析的基本方法和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的初步技能，為后續(xù)的課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)[1-3]?！半娐吩怼闭n程具有內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、計(jì)算繁雜、習(xí)題量大的特點(diǎn)。它的教學(xué)質(zhì)量將直接影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)水平、創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量及今后勝任工作的能力，是一門影響大，受益面廣，對(duì)電類各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵作用的課程。同時(shí)《電路原理及實(shí)驗(yàn)》工程應(yīng)用性課程，實(shí)踐應(yīng)用和電子設(shè)計(jì)能力是非常重要的，理論和實(shí)踐相輔相成，互為支撐。

我校的《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程一般是電類專業(yè)學(xué)生接觸的首門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，課堂教學(xué)偏重于對(duì)電路理論的講解及具體電路模型的分析，多有冗繁的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和電路演化，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識(shí)，覺(jué)得枯燥無(wú)味。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，現(xiàn)有的電路實(shí)驗(yàn)裝置大多是模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)與理論的聯(lián)系不夠緊密，很大程度上限制了學(xué)生的思維和實(shí)際動(dòng)手能力。最后，課后練習(xí)比較單一，目前主要還是采用筆頭練習(xí)為主，沒(méi)有與現(xiàn)代化的教學(xué)工具和理念相結(jié)合，同時(shí)也與日后的工作實(shí)踐脫軌。這些都導(dǎo)致學(xué)生覺(jué)得或者枯燥不想學(xué)，或者繁難學(xué)不好。在平時(shí)的教學(xué)反饋和交流中，同學(xué)們普遍對(duì)這門課感覺(jué)枯燥難懂，期待通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行輔助。

一、改革內(nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題

信息化時(shí)代，人才是關(guān)鍵。國(guó)家投入大量人力物力進(jìn)行信息化相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，例如物聯(lián)網(wǎng)等，迫切需要具有良好專業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐動(dòng)手能力的應(yīng)用型專業(yè)人才[2~5]。大學(xué)的課程建設(shè)也在不斷改革，加強(qiáng)理論和實(shí)踐的相互結(jié)合，相互促進(jìn)。結(jié)合我校提出的“三型”人才培養(yǎng)體系和目標(biāo)，以及《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程的知識(shí)體系，課程建設(shè)擬從計(jì)算機(jī)仿真的演示案例設(shè)計(jì)、實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)等方面對(duì)該課程進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)。化解難點(diǎn)，提高興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)踐能力。通過(guò)將典型電路和重難點(diǎn)電路進(jìn)行計(jì)算

機(jī)仿真演示和實(shí)物電路設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)課程目標(biāo)設(shè)置，布置課外的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)踐，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使得理論和實(shí)踐相互促進(jìn)提高，幫助學(xué)生掌握課程基本概念和基本分析方法，加強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用電路知識(shí)的能力，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)仿真的方法，分析和解決一些基本的工程實(shí)際問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，課程建設(shè)主要解決以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1.通過(guò)豐富的計(jì)算機(jī)仿真演示案例和實(shí)踐案例，增強(qiáng)課堂的豐富性和趣味性，增強(qiáng)對(duì)理論學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識(shí)，而典型實(shí)踐案例的選擇，典型電路的仿真演示設(shè)計(jì)將是本項(xiàng)目解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2.實(shí)驗(yàn)的部分加強(qiáng)計(jì)算機(jī)仿真和分析。

3.設(shè)計(jì)好課后的計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)踐，以及建立目標(biāo)式的實(shí)踐教學(xué)機(jī)制。

二、實(shí)施方案和計(jì)劃

根據(jù)本學(xué)校的特點(diǎn)和與教學(xué)實(shí)際，采取如下的實(shí)施方案和實(shí)施方法。

（一）形象深入的計(jì)算機(jī)仿真演示和實(shí)踐案例的建設(shè)。計(jì)算機(jī)仿真演示和實(shí)踐案例的建設(shè)是《電路原理及實(shí)驗(yàn)》課程建設(shè)的重要部分,也是積極推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)仿真演示結(jié)合課程的目標(biāo)和知識(shí)體系，由淺入深，從簡(jiǎn)單的單元電路到功能性的電路模塊，從基本的電路定律到復(fù)雜的電路推導(dǎo)，講授具體的章節(jié)的時(shí)候，結(jié)合理論推導(dǎo)演算，作為課堂演示的實(shí)例，促進(jìn)理論知識(shí)的理解，也提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，比如電感電容的交流直流分析，基爾霍夫定律，戴維南定理，正弦交流電的計(jì)算，三相交流電的計(jì)算，暫態(tài)電路的分析等。實(shí)踐案例則側(cè)重于選擇與課程結(jié)合緊密、趣味性和實(shí)用性較強(qiáng)的綜合性電路的分析說(shuō)明，比如日光燈電路，穩(wěn)壓電源，手機(jī)充電器電路，手電筒電路，收音機(jī)調(diào)頻電路等。實(shí)踐案例可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行案例分析討論，以全面展示應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的基本解決過(guò)程，也可以作為學(xué)生課后實(shí)踐的素材，有效地促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。如圖1中對(duì)手機(jī)充電電路的簡(jiǎn)化和Protues電路仿真，雖然電路與實(shí)際的充電電路差別非常大，但是通過(guò)這種生動(dòng)的案例和仿真的結(jié)果，可以讓同學(xué)很好的理解所學(xué)知識(shí)的實(shí)際意義。（a）實(shí)際手機(jī)的簡(jiǎn)化充電電路（b）仿真電路

圖1 實(shí)際手機(jī)的充電電路簡(jiǎn)化和仿真

再有，結(jié)合交流電以及三相交流電的教學(xué)，在考慮到安全的問(wèn)題之后，設(shè)計(jì)了低壓家居電路的實(shí)踐，要求學(xué)生按照家居實(shí)際，模擬簡(jiǎn)單的家居電路布線。電路設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但是通過(guò)這次實(shí)踐，家庭的真實(shí)布線和用電情況展示給每個(gè)同學(xué)，同學(xué)在完成這個(gè)實(shí)踐后，普遍感覺(jué)對(duì)家庭的布線和用電實(shí)際有了更多的認(rèn)識(shí)，覺(jué)得既沒(méi)有想象中的簡(jiǎn)單，也沒(méi)有多么復(fù)雜。圖2是實(shí)際做出的簡(jiǎn)單低壓家居電路。

圖2 簡(jiǎn)單低壓家居電路

（二）實(shí)驗(yàn)部分與計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)合。調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)與理論的聯(lián)系更加緊密，同時(shí)將現(xiàn)有的模塊化電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合，拓展學(xué)生的思維，提高實(shí)際動(dòng)手能力。例如對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓法的仿真，變壓器電路的仿真，正弦交流電電路的各節(jié)點(diǎn)波形的仿真，瞬態(tài)電路的過(guò)程仿真等。使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)用實(shí)物做實(shí)驗(yàn)分析前，能先從仿真分析中

理解電路的基本情況，得到一定的理性認(rèn)識(shí)，再進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠更加高效的理解，深刻的加深感性和理性認(rèn)識(shí)。

（三）課后練習(xí)與實(shí)踐。結(jié)合學(xué)校的“三型”人才培養(yǎng)目標(biāo)和體系，加強(qiáng)課外練習(xí)和實(shí)踐，將筆頭演算練習(xí)與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)踐結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)和日后工作應(yīng)用的接軌。布置作業(yè)量不用大，習(xí)題的選題上適當(dāng)選一些小型的、有趣的、實(shí)用的電路系統(tǒng)，對(duì)于這些作業(yè)要求學(xué)生用計(jì)算機(jī)仿真和筆頭計(jì)算來(lái)做，并進(jìn)行對(duì)比分析，甚至學(xué)有余力的同學(xué)可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，既復(fù)習(xí)了基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還能了解課程理論的具體應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。例如讓學(xué)生將變壓器電路理論計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)際電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明理論模型，仿真模型以及實(shí)際電路的聯(lián)系與不同，會(huì)生動(dòng)的讓學(xué)生理解理論知識(shí)，掌握實(shí)踐方法。因此，設(shè)計(jì)與課程緊密相關(guān)的課后練習(xí)與實(shí)踐，由淺入深的讓學(xué)生更好的掌握理論知識(shí)的同時(shí)，也掌握了計(jì)算機(jī)工具解決實(shí)際問(wèn)題的方法。另外，我們積極引導(dǎo)和選拔學(xué)生參加相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽，并提供專門的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，配有理論功底扎實(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)教師。這樣，各種實(shí)踐帶來(lái)的成就感與課程教學(xué)產(chǎn)生了有益的良性互動(dòng)，對(duì)教學(xué)活動(dòng)是一個(gè)很好的促進(jìn)。

4）課程考核方式的探索。與學(xué)生的溝通交流的結(jié)果顯示，對(duì)于一次考試決定課程的全部成績(jī)，已經(jīng)越來(lái)越不被學(xué)生理解和接受。更多的學(xué)生表示，應(yīng)該加強(qiáng)理論成績(jī)與實(shí)踐成績(jī)的平衡，加強(qiáng)考試和平時(shí)成績(jī)的平衡，更好的反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和應(yīng)用能力。因此，結(jié)合學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)體系改革目標(biāo)，本課題將探索更好的綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的方式，采用平時(shí)成績(jī)，課程設(shè)計(jì)成績(jī)和考試成績(jī)相結(jié)合，逐步調(diào)整平時(shí)與考試，課堂與課外，理論與實(shí)踐的比例。同時(shí)也通過(guò)考核方式的調(diào)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生更好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，課堂與課外學(xué)習(xí)相結(jié)合，理論與實(shí)踐將結(jié)合。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì)課程進(jìn)行仿真和實(shí)踐案例方面的改進(jìn)，在多個(gè)年級(jí)的教學(xué)實(shí)際中取得了一定的效果。在與同學(xué)的溝通反饋中，很多同學(xué)表示部分章節(jié)的學(xué)習(xí)更具體，課堂上更加有真實(shí)感，特別是部分枯燥的理論與實(shí)際的案例結(jié)合后，提高了學(xué)習(xí)的興趣。當(dāng)然，也有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步改進(jìn)，如仿真的結(jié)果若能結(jié)合動(dòng)畫和視頻等展示方式，則更有真實(shí)的效果和感受，還有案例需要更加豐富和真實(shí)，這些都有待我們進(jìn)一步進(jìn)行完善。

[1]邱關(guān)源,羅先覺(jué).電路[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]周茜,徐亞寧.《電路分析基礎(chǔ)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與實(shí)踐[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(4):113-116.

[3]于歆杰.麻省理工學(xué)院教育教學(xué)考察報(bào)告——基本情況篇[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（4）.

[4]李鳳蓮,張雪英,史健芳.電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)方法探究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,(S1).

[5]金波.電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2)：114-115.

（責(zé)任編輯：卓如）

G642.0

A

2016－06－11

趙祥紅(1981-)，男，湖北天門人，碩士，研究方向：腦機(jī)接口和低功耗設(shè)計(jì)。E-mail:zxh@nit.net.cn.

寧波理工學(xué)院課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（20100545842）；寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A610213）

1671－802X(2016)05－0037－03