再談“電路分析基礎(chǔ)”中的課程設(shè)計(jì)

鐘洪聲，汪 玲，崔紅玲

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

再談“電路分析基礎(chǔ)”中的課程設(shè)計(jì)

鐘洪聲，汪 玲，崔紅玲

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

電路分析基礎(chǔ)課程是電子信息類專業(yè)入門基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的理論性和專業(yè)實(shí)用性。面向大學(xué)低年級(jí)沒有工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，其課程設(shè)計(jì)是一個(gè)公認(rèn)的難點(diǎn)問題。為了加強(qiáng)學(xué)生工程技能的培養(yǎng)，在電路分析基礎(chǔ)課程中堅(jiān)持了課程設(shè)計(jì)計(jì)劃。該文介紹了兩個(gè)課程設(shè)計(jì)案例，其內(nèi)容緊密聯(lián)系課程理論教學(xué)，也是電子設(shè)計(jì)必要的入門訓(xùn)練內(nèi)容。實(shí)踐證明，在基礎(chǔ)課程中設(shè)置課程設(shè)計(jì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)動(dòng)手能力有重要價(jià)值，能夠?yàn)閷W(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和參加科技創(chuàng)新活動(dòng)奠定較好的基礎(chǔ)。

電路分析基礎(chǔ)；課程設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)；工程；創(chuàng)新

電路分析基礎(chǔ)課程是電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)入門課程，對(duì)該專業(yè)后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)起著重要的基礎(chǔ)作用。課程設(shè)計(jì)是圍繞教學(xué)內(nèi)容的電路設(shè)計(jì)實(shí)例，是培養(yǎng)工科學(xué)生工程素養(yǎng)的需要。

1 課程設(shè)計(jì)與本課程特點(diǎn)

在工科大學(xué)的專業(yè)課程中，一般會(huì)安排課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過短小經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力；而基礎(chǔ)的理論課程，比如數(shù)學(xué)，一般沒有課程設(shè)計(jì)；介于理論和專業(yè)之間的課程，其課程設(shè)計(jì)的安排就相對(duì)比較困難。

電路分析基礎(chǔ)課程的核心是介紹電路的各種分析方法、基本定理和基本概念。在滿足集總假設(shè)條件下，將電路模型簡化，工程概念淡化，更強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)分析和推理［1－3］。與專業(yè)課程相比，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的深度較淺。

電子信息類專業(yè)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性［4］，電路分析基礎(chǔ)課程中難免會(huì)出現(xiàn)理論與工程的接口問題，這些問題對(duì)于初學(xué)者來說容易導(dǎo)致理解的困惑?，F(xiàn)在的學(xué)生，很少有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于電路理論的理解受到局限，并產(chǎn)生一些誤區(qū)，導(dǎo)致常常出現(xiàn)“紙上談兵”情況。電路分析理論課程本身來自工程應(yīng)用，盡管已經(jīng)抽象出數(shù)學(xué)模型，但是仍然與工程實(shí)際有天然的聯(lián)系，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐訓(xùn)練是一種比較好的利于學(xué)生理解基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容的方式。

在理論基礎(chǔ)性較強(qiáng)的課程教學(xué)中安排課程設(shè)計(jì)，并不是一件容易的事情。在電子信息類專業(yè)課程體系頂層設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的訓(xùn)練一般安排在高年級(jí)后期集中實(shí)訓(xùn)，當(dāng)然這個(gè)設(shè)計(jì)也是正常的。然而在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，訓(xùn)練效果往往并不理想。究其原因，是因?yàn)閷W(xué)生的認(rèn)知理解是個(gè)漸變過程，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生躍變，工程訓(xùn)練同樣需要由淺入深的實(shí)踐過程。因此，早期的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，不在于項(xiàng)目的難度，而在于給學(xué)生真實(shí)的實(shí)踐接觸和基本的訓(xùn)練。電子科技大學(xué)電路分析課程組一直堅(jiān)持開展課程設(shè)計(jì)［5］，正是基于這樣的認(rèn)識(shí)。

2 課程設(shè)計(jì)案例

2.1 線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

電源，在電路設(shè)備中廣泛應(yīng)用，電路分析課程中，初期一般采用直流電源，學(xué)生對(duì)此理想元件比較熟悉；然而，學(xué)生并不了解實(shí)際電源的工作原理。為了讓學(xué)生理解電路實(shí)驗(yàn)，本課程的第1個(gè)課程設(shè)計(jì)是完成一個(gè)實(shí)用電源電路。任務(wù)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)線性穩(wěn)壓電源，主要的技術(shù)指標(biāo)：輸入220 V、50 Hz交流電，輸出5 V直流（DC）電壓，功率為5W。

課程中提前介紹了變壓器（理想變壓器）、二極管、電容等元件，有理論基礎(chǔ)讓學(xué)生搭建基本電路。當(dāng)然，理想的元件與工程上的元件是有區(qū)別的，也可以通過這個(gè)設(shè)計(jì)讓學(xué)生加深工程實(shí)際認(rèn)識(shí)。

該電源電路設(shè)計(jì)原理簡單，可以由一個(gè)工頻變壓器（220 V／7 V）、全橋整流電路、電容濾波器、三端線性穩(wěn)壓器7805、輸出電容等幾個(gè)部分構(gòu)成。由于是針對(duì)初學(xué)者，不要求具體掌握線性三端穩(wěn)壓器7805的內(nèi)部工作原理，只要求了解其性能和技術(shù)指標(biāo)，能夠知道如何應(yīng)用，其余部分都在教科書中能找到對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。

該電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要設(shè)計(jì)印制板。但工頻變壓器使用220 V高壓，存在安全問題，因此需要特別提醒學(xué)生注意安全。由于電流較大，也不宜采用面包板，需要在簡易的線路板上焊接安裝電路。要求學(xué)生自己動(dòng)手，完成焊接、安裝工藝，完成簡單的測試，外接電阻負(fù)載（由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一準(zhǔn)備大功率負(fù)載電阻）。

實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題并解決問題，這是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的必然過程。訓(xùn)練學(xué)生自己解決問題，正是實(shí)驗(yàn)的重要目的之一。

本案例在實(shí)際操作中出現(xiàn)的主要問題是帶載能力不足?？蛰d時(shí)穩(wěn)壓輸出5 V電壓，一般沒有問題；一旦加載，輸出電壓會(huì)大幅度下降，而引起下降的原因眾多，需要學(xué)生自己逐一排查。在排查的過程中能夠自己解決問題，會(huì)給學(xué)生帶來設(shè)計(jì)制作的滿足感。

另外，初學(xué)者在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)大量意想不到的低級(jí)錯(cuò)誤。如對(duì)于電阻沒有功率概念，連接負(fù)載5Ω，其功率至少需要大于5 W；但是實(shí)際應(yīng)用中，不少同學(xué)會(huì)隨意找個(gè)0.25 W的電阻接上，反復(fù)被燒掉，這才體會(huì)到實(shí)際元件與理想元件概念的差別。

2.2 方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

課程在介紹了運(yùn)算放大器之后，安排了一個(gè)課程設(shè)計(jì)，即利用運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的波形產(chǎn)生電路。該課程設(shè)計(jì)正好可以利用前面制作的穩(wěn)壓電源。

單個(gè)運(yùn)算放大器，利用其高增益的特性，設(shè)置一個(gè)比較電壓值，根據(jù)這個(gè)預(yù)設(shè)值，輸出電壓會(huì)翻轉(zhuǎn)。在不同的區(qū)間，利用RC一階電路的充放電特性，電壓指數(shù)上升或者下降，圍繞預(yù)設(shè)值形成振蕩，輸出方波信號(hào)。

其中RC一階電路與課程中的一階電路概念相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)對(duì)課程中知識(shí)點(diǎn)的理解。如改變RC電路的時(shí)間常數(shù)，可以控制輸出方波的工作頻率。

本案例電路也很簡單，很適合初學(xué)者。在實(shí)際制作中，可以直接在面包板上完成，也可以在簡易的電路板上焊接安裝。

由于本電路所需元件少，都是常見元件，可以在計(jì)算機(jī)仿真庫中找到具體型號(hào)，因此，本文要求學(xué)生先利用計(jì)算機(jī)仿真。這也是一個(gè)有價(jià)值的訓(xùn)練。由于Multisim軟件中，設(shè)置了各種虛擬儀器儀表，仿真與實(shí)驗(yàn)測試顯示一致，先完成仿真，對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)元件參數(shù)的選擇，具有重要的意義。

實(shí)驗(yàn)中，要求利用示波器觀察輸出波形，借此也訓(xùn)練了同學(xué)們實(shí)際操作示波器的技能。

本案例在實(shí)際操作中出現(xiàn)的主要問題是電路不起振，沒有波形輸出。初學(xué)者不太熟悉運(yùn)放參數(shù)，一般不會(huì)主動(dòng)分析原理，但是通過反復(fù)調(diào)整元件參數(shù)，也會(huì)得到正常輸出波形。這個(gè)現(xiàn)象正好可以留給學(xué)生思考的空間。

3 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐思考

從2006年開始，課程組就在電路分析基礎(chǔ)課程中安排了課程設(shè)計(jì)計(jì)劃，并按平時(shí)成績的方式計(jì)入學(xué)生的總成績。

由于電路分析基礎(chǔ)課程理論性強(qiáng)，安排課程設(shè)計(jì)有一定難度；不同教師在執(zhí)行過程中，理解和認(rèn)識(shí)不同，因此，執(zhí)行力度也有所不同。課程設(shè)計(jì)必然要利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如果采用統(tǒng)一的安排，勢(shì)必增加工作量。近年來，學(xué)校面向所有學(xué)生開放了一些公用實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自行借助這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成任務(wù)。本文的兩個(gè)案例，電路簡單，對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件的要求比較低，元件成本也低，能夠保證學(xué)生自主完成設(shè)計(jì)制作。

由于本課程設(shè)計(jì)的堅(jiān)持，為大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生（電子科技大學(xué)電路分析基礎(chǔ)課安排在大一下學(xué)期）提供了實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，盡管比較簡單，但是學(xué)生開始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)動(dòng)手環(huán)節(jié)的時(shí)間幾乎提前了一年。早期的訓(xùn)練，為后續(xù)的專業(yè)實(shí)踐課程奠定了比較好的基礎(chǔ)。為此，課程組也專門討論，既然在專業(yè)課程中，已經(jīng)設(shè)置了課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，本課程是電子技術(shù)入門課程，為什么也要設(shè)置課程設(shè)計(jì)內(nèi)容呢？本文作者認(rèn)為不能小看這個(gè)提前，對(duì)于入學(xué)第一年的學(xué)生，其興趣和激情相對(duì)較高，能夠盡早接觸到工程實(shí)踐，還是很有價(jià)值的。一些學(xué)生在畢業(yè)后回顧電路分析基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)時(shí)，也表示這是他們從業(yè)生涯很好的啟蒙教育課程。

而課程組堅(jiān)持在電路分析基礎(chǔ)課程中安排課程設(shè)計(jì)，也是從另一個(gè)角度思考：現(xiàn)在的學(xué)生從小學(xué)到高中，缺少工程訓(xùn)練，也很少進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)模式幾乎就是聽課、做作業(yè)。在課程之中嵌入設(shè)計(jì)性動(dòng)手制作項(xiàng)目，也是換一種學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生感覺新奇，激發(fā)其內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣。

在專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置中，題目往往比較難，要求完成較具體的任務(wù)，如果沒有前期的基礎(chǔ)培訓(xùn)，往往造成學(xué)生的適應(yīng)周期過長；拿到課題任務(wù)時(shí)常常感到無從下手，造成較大的挫折感，從而影響學(xué)習(xí)的積極性。實(shí)踐訓(xùn)練是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，本文作者認(rèn)為早期的訓(xùn)練還是很有價(jià)值的。盡管訓(xùn)練的都是簡單的電路題目，但正是有這種基礎(chǔ)訓(xùn)練，給學(xué)生提供了合適的實(shí)踐機(jī)會(huì)，也為后續(xù)課程實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

4 課程設(shè)計(jì)管理模式

本課程堅(jiān)持課程設(shè)計(jì)，明確寫入教學(xué)大綱，但是沒有寫明設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，具體執(zhí)行方式由各任課教師掌握，不搞一刀切。本課程每年學(xué)習(xí)的學(xué)生人數(shù)在3 000人以上，授課教師近40人，來自不同的學(xué)院，課程設(shè)計(jì)部分沒有具體要求設(shè)計(jì)內(nèi)容，給任課教師更大的選擇空間，有利于教師的個(gè)性發(fā)揮。

在課程設(shè)計(jì)的執(zhí)行過程中，不少教師選擇過不同的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目；而經(jīng)過多年的運(yùn)行實(shí)踐，任課教師還是認(rèn)為選擇這兩個(gè)實(shí)際案例比較好，既訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手能力，又對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求不高，元件成本不高，同時(shí)與課程內(nèi)容又密切關(guān)聯(lián)。

學(xué)生方面，部分學(xué)生積極性很高，會(huì)主動(dòng)積極完成任務(wù)，并自己增加設(shè)計(jì)內(nèi)容；但也有學(xué)生還是習(xí)慣讀書、做題和考試的學(xué)習(xí)方式，認(rèn)為課程設(shè)計(jì)對(duì)考試分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)不大，投入的時(shí)間和精力不足。

管理方面，課程設(shè)計(jì)會(huì)帶來教學(xué)成本的增加，不僅是教師增加了教學(xué)指導(dǎo)工作量，實(shí)驗(yàn)工具和元器件也產(chǎn)生了一定費(fèi)用。近年來，學(xué)校教育經(jīng)費(fèi)增加了，統(tǒng)一為全校所有工科學(xué)生免費(fèi)發(fā)放一套工具及實(shí)驗(yàn)用元器件，為學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)提供了很大的方便。

考核方面，目前學(xué)校管理部門在認(rèn)識(shí)上也逐步轉(zhuǎn)變，工程實(shí)踐在課程中所占的比重也在逐步提高，平時(shí)成績、包括課程設(shè)計(jì)的比重開始有所體現(xiàn)。當(dāng)然，電路分析基礎(chǔ)是一門基礎(chǔ)性強(qiáng)的課程，學(xué)校重視，將之列入規(guī)范建設(shè)范圍；教師的自主權(quán)相對(duì)較少，改革的強(qiáng)度還有待提高。

5 麻省理工學(xué)院電路課程帶來的認(rèn)識(shí)

電子技術(shù)的進(jìn)步，反過來不斷促使教學(xué)內(nèi)容和方式的改革。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的核心課程電路與電子學(xué)（Circuits and Electronics，課程編號(hào)6.002），2006年開始整合了電路分析基礎(chǔ)、模擬電路和數(shù)字電路的核心內(nèi)容，并安排了4個(gè)課程設(shè)計(jì)。其中，3個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，1個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)具有比較高的難度，要求學(xué)生設(shè)計(jì)制作一個(gè)音頻信號(hào)回放系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過本文的課程設(shè)計(jì)要求。

課程開設(shè)實(shí)驗(yàn)課題或者作業(yè)，學(xué)生按預(yù)約時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立完成，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師簽字認(rèn)可。實(shí)驗(yàn)室采用開放模式，沒有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求講解，也沒有專門的測試設(shè)備應(yīng)用講解。學(xué)生能夠在沒有監(jiān)督的情況下，主動(dòng)完成各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)。如果沒有完成，則無法獲得該課程學(xué)分。

課程組也期望逐步改革現(xiàn)行教學(xué)模式，逐步提高課程設(shè)計(jì)水平和效率。目前已經(jīng)引入MIT教材和部分教學(xué)方式；但其教材中不少的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容被直接淘汰，也讓課程組感覺不太適應(yīng)；如經(jīng)典的網(wǎng)孔分析法、變壓器等知識(shí)都被排除在教學(xué)內(nèi)容之外，大量的集成電路內(nèi)容被引入到教材內(nèi)容中。因此，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際現(xiàn)狀，還需要選擇合適的內(nèi)容進(jìn)行取舍。

6 結(jié)束語

課程設(shè)計(jì)在國外大學(xué)里是工科專業(yè)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)［6－7］。隨著硬件條件，特別是開放實(shí)驗(yàn)室的推行，國內(nèi)工科大學(xué)的教學(xué)中，也開始越來越多地使用課程設(shè)計(jì)［8－13］。課程組始終堅(jiān)持在理論教學(xué)的同時(shí)執(zhí)行課程設(shè)計(jì)計(jì)劃及各種形式的實(shí)踐教學(xué)改革［14－16］，取得了比較明顯的教學(xué)效果，持續(xù)不斷地提升了學(xué)生的工程實(shí)踐興趣。在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，我校連續(xù)6屆（2005—2015年）獲得好成績，國家獎(jiǎng)（一二等）總數(shù)4屆排名第一，每屆都保持前3名。在其他形式電子設(shè)計(jì)比賽中，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，也取得了優(yōu)異成績。

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Introduction on Projects in Fundamentals Circuit Analysis

ZHONG Hongsheng，WANG Ling，CUIHongling
（College of Electronic and Engineering，University of Electrical Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The fundamental of circuitanalysis is the basic course of electronic engineering，which has strong theoretical and pro fessional practicality.The freshmen have no engineering experience，which is an acknowledged difficulty.In order to strengthen the cul tivation of students’engineering training skills，the curriculum design plan was adhered to in the basic circuitanalysis.Two classic ca ses are introduced in this paper，the contents ofwhich are closely related to the course theories and the fundamentals training cases in electronic design.It has been proved by practicing that the projects ofbasic guide courses are the very importantvalue to cultivate the e lectronic design ability of the students.Itwill be laid a good foundation of other courses learning and technology innovation activity.

fundamentals of circuit analysis；projects design；experiment；engineering；innovation

TM13；G642.423

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.003

2017－03－16；修改日期：2017－04－15

鐘洪聲（1961－），男，碩士，教授，主要從事電子信息技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。