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        MathCAD在電路分析課程教學(xué)中的應(yīng)用

        2015-09-10 07:22:44王祥傲汪先兵葉璽臣
        考試周刊 2015年91期
        關(guān)鍵詞:電路分析教學(xué)改革

        王祥傲 汪先兵 葉璽臣

        摘 要: 文章以《電路分析》課程的教學(xué)方法改革為出發(fā)點(diǎn),以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力為目的,圍繞如何提高教學(xué)質(zhì)量,探討MathCAD在電路分析課程教學(xué)中的應(yīng)用。此類(lèi)教學(xué)改革對(duì)培養(yǎng)學(xué)生合理使用個(gè)人電腦,實(shí)現(xiàn)電路分析課程的無(wú)紙化教學(xué)有良好效果,對(duì)于工科其他課程教學(xué)方法的改進(jìn)亦有一定借鑒意義。

        關(guān)鍵詞: 電路分析 教學(xué)改革 MathCAD

        1.引言

        隨著我國(guó)高等教育大眾化的深入,地方院校本科教學(xué)也遇到前所未有的困境:學(xué)生基礎(chǔ)差,學(xué)習(xí)興趣不高,教學(xué)要求卻并未降低,等等。因此,在新形勢(shì)下研究學(xué)生心理,改進(jìn)教學(xué)方法,提高教學(xué)質(zhì)量,就成為教師必須思考的問(wèn)題[1],[2]。

        電路分析是工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,它既是電子電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系中數(shù)學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)課的后續(xù)課程,又是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和選修課的基礎(chǔ)。在整個(gè)電子與電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的重要作用[3]。然而傳統(tǒng)的教學(xué)依然沿用“滿堂灌”的模式,對(duì)一些重點(diǎn)知識(shí),如動(dòng)態(tài)電路,正弦穩(wěn)態(tài)電路的講解枯燥乏味,學(xué)生理解較為困難,教學(xué)效果難以保證。隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用,采用MathCAD軟件輔助教學(xué),一方面強(qiáng)化了本課程的教學(xué)效果,另一方面為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中提供了有力工具[4]。

        2.MathCAD軟件介紹

        MathCAD軟件是美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)功能齊全、交互性強(qiáng)的數(shù)學(xué)軟件,它把強(qiáng)大的計(jì)算功能、圖形與動(dòng)畫(huà)功能與易用性、可讀性性完美結(jié)合起來(lái)。MathCAD具有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)。

        2.1演算紙式的工作頁(yè)

        MathCAD擁有演算紙式的工作頁(yè),界面簡(jiǎn)潔明了,用戶只需在工作頁(yè)上的任意位置用鼠標(biāo)點(diǎn)擊,即可進(jìn)行輸入。

        2.2強(qiáng)大豐富的功能

        經(jīng)過(guò)20年發(fā)展,MathCAD從早期的簡(jiǎn)單有限功能發(fā)展到現(xiàn)在的代數(shù)運(yùn)算,線性及非線性方程求解與優(yōu)化,常微分方程,偏微分方程,統(tǒng)計(jì),金融,信號(hào)處理,圖像處理等許多方面;提供的繪圖工具可以方便地繪制2D、3D、極坐標(biāo)圖等。

        2.3編程語(yǔ)言形象直觀

        MathCAD內(nèi)置的M++編程語(yǔ)言提供了編寫(xiě)自定義函數(shù)的功能。采用MathCAD編寫(xiě)的程序流程清晰,編程效率高,運(yùn)算過(guò)程類(lèi)似手工計(jì)算方式,避免了使用其他高級(jí)編程語(yǔ)言需要記憶大量指令和語(yǔ)法規(guī)則的缺點(diǎn)。

        3.MathCAD在課程教學(xué)中的應(yīng)用

        3.1傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

        電路分析課程的理論性較強(qiáng),對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路,分析計(jì)算較為困難。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要花費(fèi)大量時(shí)間在繁瑣計(jì)算上,導(dǎo)致對(duì)知識(shí)本質(zhì)涵義的思考時(shí)間不足。在正弦穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)電路等知識(shí)的學(xué)習(xí)中,由于涉及相量運(yùn)算、時(shí)域響應(yīng)等,傳統(tǒng)教學(xué)模式下只能簡(jiǎn)單、枯燥的進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),不能提供直觀、形象的圖形化描述,學(xué)生難以獲得深刻理解,影響學(xué)習(xí)積極性。

        3.2 MathCAD在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用

        為了讓學(xué)生擺脫純粹的計(jì)算,更多關(guān)注電路分析方法、定律定理的本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣,提高計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力,本文將MathCAD引入課程教學(xué),通過(guò)實(shí)例演示為教學(xué)提供一種新的方法和模式。

        3.2.1電路求解

        使用MathCAD提供的“求解命令塊”解決此問(wèn)題,它由估值、約束和求解器三部分構(gòu)成。估值是給定已知量或指定未知量的求解范圍,約束則是給定未知量的約束條件,在電路分析中即待求量滿足的電路方程,求解器是利用某種求解關(guān)鍵字對(duì)問(wèn)題進(jìn)行最終求解。

        本問(wèn)題在MathCAD中的求解方法為:在工作頁(yè)面任意位置插入求解命令塊→設(shè)定估值→設(shè)定約束條件→用“find”指令求解,如圖2所示。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果就可以得出各量的瞬時(shí)值表達(dá)式。MathCAD允許帶單位運(yùn)算,且提供了復(fù)數(shù)值格式轉(zhuǎn)換功能,方便用戶在復(fù)數(shù)形式與極坐標(biāo)形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

        3.2.2 MathCAD繪圖功能在電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

        電路分析課程一般都設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)。MathCAD的曲線擬合和繪圖功能有助于學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地描繪波形曲線[5]。以“電路元件伏安特性測(cè)繪”這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例,該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),主要訓(xùn)練學(xué)生正確使用萬(wàn)用表、直流毫安表、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源等常見(jiàn)電工儀器儀表,并通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)試法描繪線性電阻、非線性電阻元件的伏安特性。圖3為該實(shí)驗(yàn)的接線原理圖。

        U為可調(diào)直流穩(wěn)壓電源,mA為直流電流表,V表示直流電壓表。調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源,記錄相應(yīng)的電壓表和電流表的讀數(shù)如表1所示。

        線性電阻的伏安特性是u-i平面上過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線,滿足方程:f(u)=a+b·u。利用MathCAD中的“l(fā)ine(x,y)”函數(shù)可以計(jì)算式中的系數(shù)a,b,進(jìn)而描繪電阻元件的伏安特性曲線。圖4為該問(wèn)題的處理過(guò)程。

        圖4中紅色曲線表示由MathCAD擬合的伏安特性,黑色方框是測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從兩者的對(duì)比可以看出,MathCAD的線性擬合準(zhǔn)確地反映了線性電阻的伏安特性。

        二極管的伏安特性是典型的非線性曲線,表2中的數(shù)據(jù)反映了某型號(hào)二極管的正向特性。

        4.結(jié)語(yǔ)

        隨著個(gè)人電腦的快速普及,學(xué)生在經(jīng)歷了高中階段近乎殘酷的壓迫式學(xué)習(xí)后,在高校相對(duì)寬松的環(huán)境下,很容易自我懈怠,沉迷于電腦游戲而忽視學(xué)習(xí)的重要性。如何引導(dǎo)學(xué)生合理地應(yīng)用個(gè)人電腦需要廣大教師不懈思考和努力。MathCAD具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和圖形圖像編輯功能,將其應(yīng)用于電路分析課程的教學(xué),較好地解決計(jì)算繁瑣導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性受影響的問(wèn)題,對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生正確使用個(gè)人電腦具有較好的作用,并且由于其具有演算紙式的工作頁(yè)、多樣化的存檔形式,因此可以廣泛應(yīng)用于工科其他課程的學(xué)習(xí)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]程文波.地方本科院校電路分析課程的建設(shè)與優(yōu)化[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào),2010(6):22-24.

        [2]曾松偉,周素茵,章云,周竹.“電路分析”課程教學(xué)改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014,3(4):53-55.

        [3]徐欽民,周祖平,邢向南.在電路教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(4):119-122.

        [4]張文婷,王紫婷.電路分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(5):146-147.

        [5]李巖.計(jì)算機(jī)輔助電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(9):144-148.

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