樊金榮 李薇

摘 要：本文對我校自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)必修課程“電路原理”的教學(xué)改革進(jìn)行研究和探討。針對傳統(tǒng)電路教學(xué)信息量大，知識點(diǎn)分散，偏重理論，脫離實(shí)際工程的教學(xué)模式，提出從系統(tǒng)化角度來調(diào)整課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)、建立課程之間的聯(lián)系。將各種工程軟件引入教學(xué)，使學(xué)生從枯燥的計(jì)算中解脫出來。同時(shí)，把市場上流行的元器件引入教學(xué)分析中，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生工程設(shè)計(jì)的能力。最后提出對考核指標(biāo)和步驟的改革措施。近幾年的實(shí)踐表明，從系統(tǒng)的角度來改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方法取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電路原理；系統(tǒng)化；工程軟件；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ？ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A？？文章編號：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

Reform and Research on Systematic Teaching for Circuit Theory Course

FAN Jin-rong

（ South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China ）

Abstract： This paper explores the teaching reform practice of Circuit Theory course for the students in Automation. The traditional teaching mode is divorced from the practical engineering application. On the systematic point of view， the reform details are elaborated， including teaching contents， structure， approaches， methods and evaluation index. Better teaching effect has been achieved after many practices in recent years.

Keywords： Circuit Theory； systematic； teaching reform

0 引言

“電路原理”課程是自動(dòng)化專業(yè)的第一門專業(yè)課程。近三十年來，傳統(tǒng)教學(xué)和相關(guān)的經(jīng)典教材[1，2]都是將上個(gè)世紀(jì)已經(jīng)成熟完備的經(jīng)典理論體系作為教學(xué)重點(diǎn)，對理想化的元器件構(gòu)建精美的電路進(jìn)行計(jì)算。其內(nèi)容也停留在線性電阻、電容和電感元件電路分析和理論計(jì)算。市面流行的場效應(yīng)管，光耦器件都不涉及。這種脫離現(xiàn)實(shí)，枯燥的教學(xué)無法使培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，更不利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)。在高?！笆濉币?guī)劃 “少學(xué)時(shí)”培養(yǎng)方案要求下，如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生理解掌握該課程分析方法，如何安排該課程的知識點(diǎn)，使之符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律？如何處理課程與后續(xù)專業(yè)課程的聯(lián)系？筆者通過多年的教學(xué)實(shí)踐改革經(jīng)驗(yàn)，提出系統(tǒng)化的角度來改革“電路原理”的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和課程考核方法。

1 系統(tǒng)化的教學(xué)內(nèi)容改革

作為大一新生，其思維模式停留在中學(xué)物理中的歐姆定律。我們首先從系統(tǒng)的角度對“電路原理”課程以歐姆定律為出發(fā)點(diǎn)，整理成表1，使學(xué)生從系統(tǒng)的整體性來把握課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及與該專業(yè)后續(xù)課程的聯(lián)系。表1中可以看出，自動(dòng)化專業(yè)課程內(nèi)容看似繁雜，包羅萬象，從分立元件到簡單系統(tǒng)再到復(fù)雜系統(tǒng)。但從系統(tǒng)的角度來看，學(xué)習(xí)的過程是不斷地抽象與化簡，建立統(tǒng)一的系統(tǒng)模型。將日常生活中熟悉的系統(tǒng)如空調(diào)，動(dòng)漫游戲引入，引起學(xué)生的探知欲望，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也消除了畏難情緒。

表1 系統(tǒng)化“電路原理”教學(xué)思路

階段

教學(xué)內(nèi)容及延伸

物理抽象

課程名稱

1

電壓電流基本測量

歐姆定律

大學(xué)物理

2

集總參數(shù)元件

KCL、KVL

電路原理

3

放大器

門電路、組合邏輯電路

數(shù)字電子技術(shù)

4

濾波器

模擬電路

模擬電子技術(shù)

5

模擬系統(tǒng)（變壓器、調(diào)節(jié)器、RF放大、電源、繼電器等等）

指令系統(tǒng)、程序語言、軟件系統(tǒng)

匯編語言、C語言、Matlab、操作系統(tǒng)

6

各類應(yīng)用控制系統(tǒng)（鼠標(biāo)、烤面包機(jī)、聲吶系統(tǒng)、空調(diào)、電玩、太空艙等等）

電信號轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集，反饋，識別

信號與系統(tǒng)分析、控制理論、模式識別等等

“電路原理”是自動(dòng)化專業(yè)課程系統(tǒng)的一個(gè)元素，從系統(tǒng)化角度來講，元素之間是相互聯(lián)系的相互左右，不是孤立的?，F(xiàn)有經(jīng)典教材中，由于學(xué)時(shí)限制，往往沒有給出課程內(nèi)容之間的聯(lián)系。如“數(shù)字電子技術(shù)”中簡單門電路，往往是一個(gè)符號。在教學(xué)中，可以用一個(gè)簡單電壓源Vs，電阻R和一個(gè)開關(guān)K來構(gòu)成圖1所示簡單電路來闡述非門（反相器）工作原理。從而引導(dǎo)學(xué)生建立“模擬信號”與“數(shù)字信號”的物理含義，將后續(xù)專業(yè)課程與基礎(chǔ)課程聯(lián)系起來。當(dāng)然，進(jìn)一步作電路開關(guān)元件的并聯(lián)，可以建立圖2所示的或非門電路。這樣在課堂上五分鐘的內(nèi)容延伸與講解，學(xué)生容易理解基本電路的作用。進(jìn)一步提出思考，如何設(shè)計(jì)與非門電路？學(xué)生在問題驅(qū)動(dòng)下，立刻舉一反三，激發(fā)興趣，課堂也活躍起來。此時(shí)再引入“模擬電子技術(shù)”課程中的二極管元件，調(diào)整圖1中電源大小，通過仿真軟件觀察輸出結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生建立真值表。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入MOSFET元件，替換圖1中的開關(guān)，布置練習(xí)作業(yè)讓學(xué)生課外查找資料來認(rèn)識MOSFET元件特性。這樣的教學(xué)內(nèi)容改革，不但使學(xué)生很快意識到不同元器件來實(shí)現(xiàn)同樣功能電路的設(shè)計(jì)理念，而且架構(gòu)了本課程與后續(xù)課程聯(lián)系紐帶，將分散的知識點(diǎn)構(gòu)成整體性系統(tǒng)，便于理解與掌握。同時(shí)將專業(yè)后續(xù)課程在這里提及，使學(xué)生對專業(yè)課程設(shè)置有系統(tǒng)化認(rèn)識和了解。

圖1 非門電路

圖2 或非門電路

“電路原理”本身概念比較多，知識點(diǎn)分散，從系統(tǒng)化角度，將授課內(nèi)容劃分為直流電阻電路、動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析和正弦穩(wěn)態(tài)電路三大塊。直流電阻電路中在集總參數(shù)約束下給出電路理論中的基石：元件的VCR和基爾霍夫定律（KCL和KVL）。參照實(shí)際電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓是各電力設(shè)備的額定電壓來確定的，系統(tǒng)中瞬息萬變的電流才是我們要分析和控制的變量，電力系統(tǒng)的最嚴(yán)重的故障就是短路故障。顯然僅有VCR和基爾霍夫定律不能快速準(zhǔn)確地獲取各支路電流，對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控或分析。各種分析計(jì)算方法，如網(wǎng)孔法、回路電流法、節(jié)點(diǎn)電壓法就是為了提高計(jì)算速度而整理的方法。作為電氣工程師，只需要快速列寫標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣方程，計(jì)算的工作由各類軟件來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)將MATLAB語言[3]引入到電路計(jì)算分析中，一方面可以讓學(xué)生掌握這門控制科學(xué)仿真設(shè)計(jì)中不可或缺的工具，另一方面使學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范地列寫矩陣方程的習(xí)慣，為后續(xù)專業(yè)課程如“信號與系統(tǒng)分析”、“自動(dòng)控制原理”奠定工具的基礎(chǔ)。電力網(wǎng)絡(luò)瞬息萬變，某一支路參數(shù)的突然變化都需要重新列寫整個(gè)系統(tǒng)的方程，這顯然不能滿足電網(wǎng)監(jiān)控中快速性的要求。于是電路等效變換，戴維南定理（諾頓定理）及時(shí)“出現(xiàn)”來解決這個(gè)問題。為了讓學(xué)生更好地掌握“等效”和“化簡”這兩個(gè)始終貫穿電路理論教學(xué)的概念，我們調(diào)整了經(jīng)典教材中的授課次序，將第三大塊正弦電路分析提前到這里。相量分析將正弦交流變量轉(zhuǎn)換成相量后，第一塊中的定律、分析計(jì)算工具和方法都在這里再次應(yīng)用，僅僅在描述符號上有差別（矢量符號代替標(biāo)量符號）。這樣的內(nèi)容調(diào)整，學(xué)生鞏固復(fù)習(xí)前面的知識。特別是對稱三相正弦電路的學(xué)習(xí)，應(yīng)用相量分析，將電壓（或電流）正弦時(shí)域表達(dá)式變換到相量表達(dá)式，將對稱三相電路變換到單相電路，用戴維南等效化簡電路到電源、內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗的串聯(lián)。“化簡”的分析思路在這些過程中不斷地展現(xiàn)，讓學(xué)生不斷領(lǐng)悟到表1中所示的思路：從系統(tǒng)的角度，我們的各種設(shè)計(jì)與發(fā)明創(chuàng)造都是在化簡系統(tǒng)。如同面對一輛小車，盡管內(nèi)部電路錯(cuò)綜復(fù)雜，但對駕駛員而言，僅需控制油門、剎車和方向盤。將動(dòng)態(tài)電路放在最后講授，此時(shí)同時(shí)進(jìn)行的高等數(shù)學(xué)中的微分方程求解正好作為計(jì)算工具來應(yīng)用。大學(xué)物理中電磁學(xué)理論學(xué)習(xí)也正好結(jié)束，這個(gè)時(shí)候用來分析耦合、充放電、變壓器原理，正好理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，學(xué)生很好掌握。

2 系統(tǒng)化教學(xué)手段改革

教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充，傳統(tǒng)的手工繪制電路原理圖形，用計(jì)算器來計(jì)算電壓電流參數(shù)耗時(shí)費(fèi)力的學(xué)習(xí)方式也必須進(jìn)行相應(yīng)的改革。作為教輔工具我們引入PSpice AD Student分析軟件[4]，來幫助學(xué)生理解和監(jiān)控電路系統(tǒng)工作運(yùn)行情況。在課堂上進(jìn)行例題講解中，先讓學(xué)生以2～3人小組的形式討論問題的思路，所要用到的定理、方法。計(jì)算的過程及結(jié)果直接用軟件仿真完成，既節(jié)省了繁雜計(jì)算的時(shí)間，也能清晰地展現(xiàn)電路中各參數(shù)之間的關(guān)系。特別是受控源器件，抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式學(xué)生很難準(zhǔn)確理解變量之間的控制關(guān)系。PSpice軟件采用導(dǎo)線將某一支路電流或某一節(jié)點(diǎn)電壓連接到需要控制的支路或節(jié)點(diǎn)上，學(xué)生直觀清晰地理解了“受控”的真正含義。這虛擬儀器上的接線，也“映射”到學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中正確串聯(lián)電流控制量和并聯(lián)電壓控制量。同時(shí)PSpice軟件能夠提供靈敏度、可靠性分析，這是實(shí)際工程中不可或缺的，通過使用軟件讓學(xué)生建立了適當(dāng)?shù)墓こ袒拍睢?/p>

提到Matlab作為強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算工具在自動(dòng)化后續(xù)專業(yè)課程中得到廣泛的應(yīng)用。在“電路原理”教學(xué)中，利用Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以把學(xué)生從繁雜的手工計(jì)算中解脫出來。在動(dòng)態(tài)電路分析和實(shí)驗(yàn)中，利用Matlab可得到精確解和相應(yīng)的波形曲線，可視化圖形讓學(xué)生理解時(shí)間常數(shù)，衰減度等工程概念。相比于C語言，Matlab是一門接近科學(xué)計(jì)算的語言，編程十分容易，學(xué)生可以方便地利用M編寫通用函數(shù)，建立工程模塊化概念。同時(shí)，也在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)應(yīng)用Matlab中的Simulink功能構(gòu)建電路模型，改變元器件參數(shù)，變換激勵(lì)的幅度、頻率和初始相位等參數(shù)，對不同響應(yīng)進(jìn)行分析與比較。這樣通過使用Matlab工具，采用兩種方式來對電路系統(tǒng)建模和仿真，讓學(xué)生在分析比較中理解電路分析的方法，掌握相應(yīng)的原理。

當(dāng)然，適合于“電路原理”教學(xué)的軟件還有許多，如Multisim，Proteus等等。作為學(xué)習(xí)工具，在教學(xué)中，我們將這些工具介紹給學(xué)生，讓他們根據(jù)自己的喜好自由選用。這些工具代替?zhèn)鹘y(tǒng)筆和計(jì)算器等文具，學(xué)生很容易理解，完全利用課外時(shí)間就可以掌握使用。從大一就開始學(xué)習(xí)使用這些必不可少的工程軟件，培養(yǎng)了學(xué)生工程設(shè)計(jì)的理念。這樣從系統(tǒng)整體角度，把各類軟件自然融合到“電路原理”的學(xué)習(xí)中，不用另設(shè)軟件學(xué)習(xí)相關(guān)課程，實(shí)現(xiàn)了“有需求就學(xué)，邊學(xué)邊用”的教學(xué)模式。

3 系統(tǒng)化改革課程考核

傳統(tǒng)單一的期末閉卷考試讓很多學(xué)生平時(shí)不用功，到考試周臨時(shí)抱佛腳，甚至死記硬背公式來應(yīng)對。我們將課程考核按多形式多階段進(jìn)行改革，具體措施如下。

（1）形式多樣化。課堂實(shí)例講解分析中，我們只給出思路和步驟，模型建立，參數(shù)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析由學(xué)生課外自己完成整理。每個(gè)學(xué)生抽查10次，記錄為練習(xí)成績。5次實(shí)驗(yàn)前，先布置預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生用軟件建模仿真，記錄預(yù)習(xí)成績。如果沒有完成，要補(bǔ)充完成后方允許進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)完成后，記錄過程，比較結(jié)果，分析數(shù)據(jù)，以報(bào)告形式規(guī)范書寫整理成冊，記錄為實(shí)驗(yàn)成績。還有2次課程小設(shè)計(jì)任務(wù)，分別在直流部分完成和動(dòng)態(tài)響應(yīng)部分完成后。要求給出設(shè)計(jì)思路、分析原理、設(shè)計(jì)電路原理圖、仿真結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。這樣處理，既讓學(xué)生帶著問題來學(xué)習(xí)仿真軟件的使用，也訓(xùn)練了學(xué)生撰寫規(guī)范的工程文檔的能力。另外根據(jù)前文劃分的三大塊內(nèi)容，每部分完成后，設(shè)置45分鐘的開卷單元小測試。最后是學(xué)期末的閉卷考試。

（2）調(diào)整成績合成比例。系統(tǒng)化學(xué)習(xí)的過程，是一個(gè)分階段，有反饋的過程。在上面分階段進(jìn)行的考核中，學(xué)生通過測試來檢查自己掌握的程度。教師也通過測試反饋及時(shí)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，調(diào)整授課的進(jìn)度與重點(diǎn)。把以往重視結(jié)果的單一期末考試轉(zhuǎn)化為重視過程的考核形式。綜合成績的合成也調(diào)整為平時(shí)成績占60%，期末考試占40%.其中平時(shí)成績?yōu)樯衔乃谐龅木毩?xí)成績、實(shí)驗(yàn)成績、課程小設(shè)計(jì)、單元小測試，各部分在平時(shí)成績中的權(quán)重比例為25%。另外，期末考試的重點(diǎn)在動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析和正弦穩(wěn)態(tài)電路。因?yàn)樵谥绷鞑糠种械亩ɡ砗头椒ㄔ谵D(zhuǎn)換形式后應(yīng)用在這動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)電路中。這樣對學(xué)生而言，分階段有步驟掌握知識點(diǎn)，思路清晰，也減輕了期末集中復(fù)習(xí)考試的壓力和焦慮。

4 結(jié)語

本文分析傳統(tǒng)電路教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核形式提出了電路教學(xué)改革。目前我們將此方法應(yīng)用于“電路原理”教學(xué)中，學(xué)生消除了畏難情緒，課程不及格率下降了。更重要的是，學(xué)生對專業(yè)課程體系有了明確的認(rèn)識與理解，提高了對專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性。

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