突出科研素質(zhì)培養(yǎng)的“電路分析”教學(xué)改革

馮興田 馬文忠 趙仁德

摘? ? 要：“電路分析”課程教學(xué)改革以提升學(xué)生的科研素質(zhì)為目標(biāo)，從師資配備、課程內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、考試方法改進(jìn)等多個(gè)方面設(shè)計(jì)教學(xué)改革方案，并基于先進(jìn)工程教育模式，融合立體化教學(xué)、雙語(yǔ)教學(xué)，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方法上進(jìn)行了突破性的改革，通過在電氣信息類本研一體化班級(jí)中試點(diǎn)，促進(jìn)了學(xué)生科研素質(zhì)與創(chuàng)新能力的提升。

關(guān)鍵詞：科研素質(zhì);電路分析;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2019）12-0017-02

新工科建設(shè)背景下，面向國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)基礎(chǔ)寬厚、專業(yè)精深、綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強(qiáng)，能夠引領(lǐng)未來能源領(lǐng)域科技發(fā)展的高層次創(chuàng)新型人才[1-2]，迫在眉睫?！半娐贩治觥闭n程作為電氣信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，要夯實(shí)基礎(chǔ)、學(xué)好知識(shí)，也要在基礎(chǔ)中滲透綜合、創(chuàng)新、實(shí)踐能力等科研素質(zhì)的培養(yǎng)[3-4]。本課程結(jié)合慕課、翻轉(zhuǎn)課堂開展教學(xué)，融合討論、專題、答辯等多種教學(xué)模式，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、探究質(zhì)疑、總結(jié)匯報(bào)等科研素質(zhì)方面的能力。

一、教學(xué)改革方案

（一）師資配備強(qiáng)調(diào)科研經(jīng)歷

選配長(zhǎng)期從事“電路分析”課程教學(xué)、課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)豐富、具有科研經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行授課，充分利用“電路分析”省級(jí)精品課、學(xué)校重點(diǎn)課程和學(xué)校在線開放課程三大平臺(tái)，提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。為了提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的原則，將課上內(nèi)容有重點(diǎn)地與實(shí)際科研課題相結(jié)合，結(jié)合相關(guān)科研任務(wù)和教師的科研經(jīng)歷，講述典型電路在實(shí)際工程中應(yīng)用的案例，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)電路知識(shí)分析問題、解決問題的能力。

（二）教學(xué)內(nèi)容側(cè)重本研銜接

集中優(yōu)秀師資力量成立“電路分析”課程建設(shè)小組，以培養(yǎng)學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)的素質(zhì)和能力為目標(biāo)，以“電路分析”與后續(xù)課程的承啟關(guān)系為統(tǒng)領(lǐng)，以科研素質(zhì)所需知識(shí)儲(chǔ)備為抓手，以引導(dǎo)學(xué)生形成研究性學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力為核心，開展課程內(nèi)容體系建設(shè)，重點(diǎn)結(jié)合后續(xù)課程及研究生階段課程對(duì)本課程的內(nèi)容體系、章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行再梳理、再整合，實(shí)現(xiàn)本、研階段學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)的有機(jī)銜接，強(qiáng)化創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）教學(xué)方法融合產(chǎn)學(xué)研

教學(xué)實(shí)行小班授課，教師講解結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂開展教學(xué)，融合討論、專題、答辯等多種教學(xué)模式。將OBE（基于產(chǎn)出的教育模式）以及CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作）先進(jìn)工程教育模式引入本課程的教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)工程素質(zhì)培養(yǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。靈活采用基于項(xiàng)目、問題、案例的探究式、啟發(fā)式、討論式等多元化的教學(xué)方式方法，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。融合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、開放性實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及科技創(chuàng)新項(xiàng)目，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目形式

根據(jù)課堂學(xué)術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)需要，轉(zhuǎn)變以往單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，采用自主性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參照電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的形式，以小課題、小任務(wù)為牽引，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性。采用數(shù)字仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)。

1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案包括基本實(shí)驗(yàn)、一階二階電路、三相電路三大部分。具體包括萬用表、直流穩(wěn)壓電源的使用，線性、非線性、理想電壓源、實(shí)際電壓源伏安特性及其測(cè)試方法;對(duì)含兩個(gè)網(wǎng)孔的線性網(wǎng)絡(luò)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)線路，驗(yàn)證基爾霍夫定律;對(duì)復(fù)雜線性網(wǎng)絡(luò)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證疊加定理;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證戴維南定理;示波器、信號(hào)發(fā)生器、毫伏表等常用儀器的使用和波形測(cè)試方法;一階電路響應(yīng)波形的測(cè)試和分析;實(shí)驗(yàn)研究阻抗頻率特性曲線;測(cè)量和觀察RLC串聯(lián)電路諧振時(shí)的電壓電流關(guān)系;實(shí)驗(yàn)分析交流電路中電壓電流和功率之間的關(guān)系，以及并聯(lián)電容對(duì)提高功率因數(shù)的作用;自擬三相電路的連接和測(cè)試方案，驗(yàn)證三相電路中電壓電流的關(guān)系;應(yīng)用三表法、二表法測(cè)量三相電路的功率。每個(gè)內(nèi)容2學(xué)時(shí)，主要是通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，驗(yàn)證基本原理，缺少綜合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。

2.新實(shí)驗(yàn)方案由三個(gè)單元組成，分別是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、萊頓瓶放電實(shí)驗(yàn)、三相無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)5學(xué)時(shí)，主要包括MATLAB仿真軟件的介紹和應(yīng)用;基本儀器（萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器等）的實(shí)際應(yīng)用;基本原理的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（包括基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理等）。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)⒎抡婀ぞ叱醪饺腴T，對(duì)基本的儀器設(shè)備學(xué)會(huì)使用，能夠通過搭建仿真模型和實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證基本電路原理。該部分與傳統(tǒng)方案的基本實(shí)驗(yàn)比較，強(qiáng)調(diào)了仿真軟件的使用和建模仿真分析。

萊頓瓶放電實(shí)驗(yàn)在電路分析發(fā)展歷史上有重要的地位，湯姆遜據(jù)此寫出了經(jīng)典的論文，赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波。放電實(shí)驗(yàn)刺激，歷史故事豐富，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電路的興趣。結(jié)合微分方程的求解，讓學(xué)生體會(huì)拉氏變換的作用。感興趣的學(xué)生，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行赫茲的電磁波發(fā)現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)。萊頓瓶放電實(shí)驗(yàn)5學(xué)時(shí)，3學(xué)時(shí)由學(xué)生進(jìn)行演示匯報(bào)，2學(xué)時(shí)PPT匯報(bào)。內(nèi)容包括自行設(shè)計(jì)、制作萊頓瓶，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)的分析與研究;記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)波形，并結(jié)合所學(xué)電路知識(shí)給出理論解釋。

三相無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，包括構(gòu)建三相電路及其感性負(fù)載的仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái);檢測(cè)三相電路的有功和無功功率;計(jì)算電容參數(shù)，進(jìn)行無功補(bǔ)償分析;電容容量?jī)?yōu)化問題的探討，過補(bǔ)償會(huì)引起什么問題？電容投切的過渡過程研究，是否出現(xiàn)電流沖擊？在什么情況下沖擊最?。孔寣W(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，理解實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，以及在各種因素的作用下，尋找最優(yōu)的工程解。

通過比較可以看出，新方案在降低學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，以小項(xiàng)目的形式開展。無論是實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的內(nèi)容，還是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑约翱己藘?nèi)容和方式，都是圍繞學(xué)生的科研素質(zhì)培養(yǎng)開展的。

（五）考核引入工程思想

改革現(xiàn)有單一的期末統(tǒng)考的考試方法，采用期中、期末考試與平時(shí)考查相結(jié)合，平時(shí)考查采用課外作業(yè)、研討課及網(wǎng)上互動(dòng)等形式。借鑒國(guó)外的項(xiàng)目考查方式，考慮閉卷與開卷相結(jié)合，“一頁(yè)開卷”方式和大作業(yè)報(bào)告方式，突出科研項(xiàng)目和工程思維的考查。真正實(shí)現(xiàn)教考統(tǒng)一，學(xué)以致用，促進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)師生之間的交流互動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神，鍛煉學(xué)生終生學(xué)習(xí)的能力。

二、教學(xué)改革措施

（一）強(qiáng)化科研理論方法

電路理論是在物理學(xué)中電磁學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并形成了一整套完整的經(jīng)典分析方法，這些方法同時(shí)也是近代電路分析方法的基礎(chǔ)，因此教學(xué)中要求學(xué)生必須牢固掌握。具體授課中以分析簡(jiǎn)單電路為主，突出基本概念，力圖避免繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算;另外，隨著電路理論的發(fā)展和進(jìn)步，教學(xué)中適當(dāng)增加現(xiàn)代電路的分析方法及手段，如非線性電路的分析、矩陣分析方法、網(wǎng)絡(luò)分析方法等，其主要特征是計(jì)算機(jī)輔助分析的應(yīng)用，介紹它們?cè)趯?shí)際科研項(xiàng)目中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論在科研中的必要性和重要性，提升學(xué)生的興趣和探索精神。加強(qiáng)兩方面的理論結(jié)合教學(xué)，既滿足了電路課程發(fā)展的要求，也為學(xué)生學(xué)好后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)。

（二）立體化教學(xué)引入科研仿真與實(shí)踐平臺(tái)

建立立體化的教學(xué)體系：充分利用翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等新的教學(xué)方法和手段，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)和分析問題、解決問題能力;理論課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容互相配合、互相融合，徹底解決目前存在的理論授課和實(shí)驗(yàn)授課分別進(jìn)行、相互割裂的問題;強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)虛擬分析與理論、實(shí)驗(yàn)分析的有機(jī)結(jié)合，將后續(xù)課程學(xué)習(xí)和將來科研創(chuàng)新研究需要掌握的MATLAB引入電路分析教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生后續(xù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化科研仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用;充分利用“電路分析”的學(xué)校在線開放課程平臺(tái)，配備完善的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，方便學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和自學(xué)，成為學(xué)生與教師之間交流的平臺(tái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自覺性，實(shí)現(xiàn)多層次、多方面、多角度的立體化教學(xué)體系。

（三）雙語(yǔ)教學(xué)突出學(xué)術(shù)思想

為進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生能力，課程組采用雙語(yǔ)教學(xué)方法。首先根據(jù)外文原版資料編寫了?！笆濉币?guī)劃教材《電路》（雙語(yǔ)版）作為雙語(yǔ)教學(xué)專用教材，制作了電路分析多媒體雙語(yǔ)課件，平時(shí)授課中的習(xí)題、作業(yè)采用英文形式給出題目，理論課程期末考試采用英文試卷，提高學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)學(xué)習(xí)意識(shí)，豐富學(xué)生的專業(yè)詞匯儲(chǔ)備，為將來的英語(yǔ)文獻(xiàn)閱讀及學(xué)術(shù)研究打下基礎(chǔ)，并適當(dāng)?shù)亟榻B進(jìn)行科學(xué)研究必須經(jīng)歷大量英文文獻(xiàn)閱讀的經(jīng)歷，給學(xué)生足夠的思想準(zhǔn)備。經(jīng)過4屆學(xué)生的試行，目前已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果。

“電路分析”課程的教學(xué)改革以培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)為突破口，制定了相應(yīng)的教學(xué)方案，靈活采用多種教學(xué)模式和方法，特別是在實(shí)驗(yàn)部分的設(shè)置上，突出了學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。教學(xué)改革實(shí)踐在校級(jí)教改項(xiàng)目的資助下，在電氣信息類本研一體化班級(jí)進(jìn)行試點(diǎn)，取得了較好的效果。

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收稿日期：2019-03-14

作者簡(jiǎn)介：馮興田（1978—），男，山東東營(yíng)人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院副教授，主要從事電氣工程研究。

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)（華東）教學(xué)改革項(xiàng)目“基于柔性培養(yǎng)的電氣工程卓越計(jì)劃和教育認(rèn)證專業(yè)實(shí)踐體系構(gòu)建與實(shí)施”（JY-B201883）