實(shí)作考核在電類基礎(chǔ)課程中的重要性研究

李玲，周波，艾娉婷

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連，116018）

0 引言

《電路分析基礎(chǔ)》、《模擬電路》和《數(shù)字電路》三門(mén)課程并稱為電類基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)該類課程的目的是為了讓學(xué)員掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法[1]，培養(yǎng)學(xué)員運(yùn)用電類基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，為后續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制、雷達(dá)原理等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，為未來(lái)發(fā)展儲(chǔ)備電類方面的基本知識(shí)和技能。

課程考核是檢驗(yàn)學(xué)員對(duì)課程內(nèi)容理解和掌握情況的重要手段，學(xué)員在校所學(xué)的每一門(mén)課程都設(shè)定有考核評(píng)價(jià)方式。為了更加及時(shí)、全面、客觀地評(píng)價(jià)學(xué)員在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)習(xí)效果，近年來(lái)，我院的電類基礎(chǔ)課程加大了過(guò)程性考核成績(jī)比例。目前三門(mén)課程的考核方式均是形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合，各占比50%，形成性考核包括平時(shí)作業(yè)、期中考試和實(shí)作考核，終結(jié)性考核采取閉卷考試方式[2]?；陔婎惢A(chǔ)課程理論與實(shí)際聯(lián)系緊密這一課程特點(diǎn)，為促進(jìn)學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手實(shí)踐能力，三門(mén)課程的教學(xué)小組經(jīng)過(guò)多次討論，設(shè)定形成性考核中的實(shí)作考核占比20%，并且針對(duì)各自的課程特點(diǎn)，采用了多樣化的實(shí)作考核形式。如《電路分析基礎(chǔ)》理論性較其他兩門(mén)課程更強(qiáng)一些，所以實(shí)作考核方式主要是讓學(xué)員在實(shí)驗(yàn)室連接和測(cè)量電路，對(duì)理論所講的定理和方法進(jìn)行驗(yàn)證；《模擬電路》在三門(mén)課程中工程性最強(qiáng)，更加強(qiáng)調(diào)近似的思想，設(shè)計(jì)電路需要綜合考慮各方面指標(biāo)性能的影響，并且穩(wěn)定性較差，所以實(shí)作考核方式主張用EWB或Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)理論所實(shí)現(xiàn)的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證；《數(shù)字電路》課程內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)的功能電路也比較多，所以實(shí)作考核方式采用讓學(xué)員根據(jù)理論所學(xué)內(nèi)容，自己搭建可完成某些功能的實(shí)際電路?，F(xiàn)以《電路分析基礎(chǔ)》課程中第四章“正弦穩(wěn)態(tài)電路分析”為例說(shuō)明實(shí)作考核的重要作用。

1 理論教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 理論基礎(chǔ)

《電路分析基礎(chǔ)》主要是分析直流電阻電路、一階動(dòng)態(tài)電路以及正弦穩(wěn)態(tài)電路這三類典型電路的電壓、電流和功率。所謂正弦穩(wěn)態(tài)電路是指，激勵(lì)和響應(yīng)均為同頻率正弦波的電路[3]。學(xué)會(huì)分析該類電路是分析非正弦穩(wěn)態(tài)電路的基礎(chǔ)。

該類電路的分析依據(jù)仍然是電路的兩種約束關(guān)系，即元件約束和拓?fù)浼s束。由于在該類電路中，激勵(lì)和響應(yīng)的頻率一致，為了分析和計(jì)算方便，引入正弦量對(duì)應(yīng)的相量形式，相應(yīng)地，兩種約束也轉(zhuǎn)化為相量形式，如表1和表2所示。

表1 兩種約束的相量形式

在對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行求解時(shí)，需首先將電路圖的時(shí)域模型轉(zhuǎn)化為相量模型，即各元件特性參數(shù)用其對(duì)應(yīng)的阻抗來(lái)表征，各電壓、電流均以相量形式出現(xiàn)；然后運(yùn)用解直流電阻電路中的各種方法進(jìn)行分析和計(jì)算。這種借助于相量求解正弦穩(wěn)態(tài)電路的方法稱為相量解析法[3]。

在正弦穩(wěn)態(tài)電路中，電路元件除電阻和電源之外，還有電容和電感，因此功率的分類有多種。

（1）有功功率：P=UIc osφ，即電路中電阻元件消耗的功率。

（2）無(wú)功功率：Q=UIs inφ，即電路中電容或電感與電源進(jìn)行能量交換的規(guī)模。

（3）視在功率：S=UI，即電路中用電設(shè)備的最大容量，也即為保證電路正常工作，供電設(shè)備需提供的能量。

1.2 重難點(diǎn)問(wèn)題

《電路分析基礎(chǔ)》課程中電路花樣多、概念定理多、分析方法多，并且是學(xué)員入校以來(lái)接觸的首門(mén)工程類基礎(chǔ)課，歷來(lái)都是學(xué)員學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。而“正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析”一章的學(xué)習(xí)不僅需要學(xué)員熟練掌握直流電阻電路中定理和方法，還需要對(duì)高等數(shù)學(xué)中復(fù)數(shù)的運(yùn)算有比較好的基礎(chǔ)，所以更是本門(mén)課程的難點(diǎn)。在本章內(nèi)容的理論學(xué)習(xí)中，學(xué)員對(duì)基爾霍夫定律的相量形式掌握不好，容易將相量之和與有效值之和混淆；對(duì)有功功率及功率因數(shù)的意義理解不透徹，不明白提高功率因數(shù)的實(shí)質(zhì)及如何提高功率因數(shù)。圍繞這兩大方面的問(wèn)題，在實(shí)作考核中設(shè)置針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幫助學(xué)員理解和掌握。

2 實(shí)作考核內(nèi)容

2.1 驗(yàn)證三角形相量關(guān)系

測(cè)量圖1所示電路電阻兩端電壓和電容兩端電壓，改變電容值，重復(fù)測(cè)六組。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證電壓三角形關(guān)系[4]，即

圖1 基本正弦穩(wěn)態(tài)電路

測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證，C取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的各組測(cè)量數(shù)據(jù)均不滿足，但滿足，即三者構(gòu)成一個(gè)直角三角形，斜邊為電壓U。對(duì)于此電路，電阻和電容上電流相同，阻抗角相差90°，所以兩元件上的電壓相位相差90°，且電容電壓超前電阻電壓90°，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又驗(yàn)證了兩元件電壓的有效值之間的關(guān)系為，這就說(shuō)明，驗(yàn)證了基爾霍夫電壓定律的相量形式。

表2 基本正弦穩(wěn)態(tài)電路測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 日光燈電路的研究與測(cè)量

測(cè)量圖2所示日光燈電路的端口電壓、有功功率、功率因數(shù)及各支路電流，改變電容值，重復(fù)測(cè)六組[4]。分析測(cè)量數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論。

圖2 日光燈電路

測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示，從表中數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論：

表3 日光燈電路測(cè)量數(shù)據(jù)

（1）C取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的各組數(shù)據(jù)均不滿足IL+IC=I，說(shuō)明在正弦交流電路中，流入某一結(jié)點(diǎn)的電流有效值之和不等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流有效值之和，側(cè)面說(shuō)明了在正弦穩(wěn)態(tài)電路中，基爾霍夫電流定律的相量形式應(yīng)該為

（2）C取不同值時(shí)，測(cè)量到的有功功率P和流過(guò)日光燈電流IL基本不變，且各組數(shù)據(jù)均滿足P≈UIλ，這首先驗(yàn)證了有功功率計(jì)算式的正確性，同時(shí)也說(shuō)明電路中有功功率與電容無(wú)關(guān)，僅與日光燈電路的等效電阻有關(guān)，而日光燈兩端的電壓不變，所以流過(guò)日光燈的電流IL不變，則日光燈等效電阻消耗的功率不變。

（3）隨著C值的增加，日光燈的功率因數(shù)也提高，但是當(dāng)C值增加到一定程度時(shí)，功率因數(shù)不升反降。這是因?yàn)槿展鉄魹楦行载?fù)載，并聯(lián)電容可抵消感性，進(jìn)而提高電路的功率因數(shù)，但是當(dāng)并聯(lián)的電容值過(guò)大時(shí)，電路又變?yōu)槿菪裕孰S著容性的增加，功率因數(shù)會(huì)越來(lái)越低[3]。

3 教學(xué)實(shí)踐效果

筆者所在教學(xué)小組在2019級(jí)學(xué)員的教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了理論講授和實(shí)驗(yàn)考核的一致性，任課教員既承擔(dān)理論教學(xué)，又擔(dān)任實(shí)驗(yàn)教員，可以更直觀地評(píng)價(jià)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

正弦穩(wěn)態(tài)電路的內(nèi)容較為抽象，理論學(xué)習(xí)之后，通過(guò)做相關(guān)的考核實(shí)驗(yàn)，明顯加深了學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的理解，如通過(guò)實(shí)驗(yàn)1中電壓的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)2中電流的測(cè)量，學(xué)員牢固掌握了基爾霍夫定律的相量形式，很少再出現(xiàn)有效值直接相加的情況；通過(guò)實(shí)驗(yàn)2中功率及功率因數(shù)的測(cè)量，學(xué)員深刻理解了有功功率的意義，對(duì)提高功率因數(shù)的實(shí)質(zhì)豁然開(kāi)朗。

在實(shí)作考核中，為了得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，需要學(xué)員提前熟悉理論內(nèi)容，有時(shí)還需查閱實(shí)際電路的相關(guān)知識(shí)，如實(shí)驗(yàn)2中日光燈電路的連接，如不了解日光燈的原理，很容易接錯(cuò)電路，從而燒壞保險(xiǎn)絲或日光燈管，致使實(shí)驗(yàn)失敗。所以實(shí)作考核的設(shè)置調(diào)動(dòng)了學(xué)員對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣，提高了他們的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)對(duì)于理實(shí)結(jié)合的動(dòng)手實(shí)踐能力也有極大的促進(jìn)作用[5]。

另外，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量之間會(huì)存在一定誤差，但誤差都在10%以內(nèi)，學(xué)員可以直接體會(huì)到理論與實(shí)際的差別，工程意識(shí)感明顯增強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電類基礎(chǔ)課程中的定律、定理和分析方法是分析一切復(fù)雜電路的基礎(chǔ)，也是該類課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，圍繞如何能讓學(xué)員深入理解和掌握這些內(nèi)容，結(jié)合課程工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在課程考核方式中合理的加入實(shí)作考核環(huán)節(jié)，并且加大實(shí)作考核的比例具有重要作用。經(jīng)過(guò)對(duì)三門(mén)課程兩輪的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，加入實(shí)作考核環(huán)節(jié)后，學(xué)員對(duì)理論所學(xué)知識(shí)更加認(rèn)可，學(xué)習(xí)積極性明顯提高，自主學(xué)習(xí)能力顯著提升，工程思維和工程意識(shí)都得到增強(qiáng)，較好地完成了課程教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)員的綜合素質(zhì)。