李金燦

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

電路課程教學(xué)方法創(chuàng)新與改革

李金燦

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

針對(duì)高校電路課程內(nèi)容較難的特點(diǎn)，本文提出了對(duì)比教學(xué)法、歸納教學(xué)法、深化教學(xué)法和CAD輔助教學(xué)法4種優(yōu)秀的教學(xué)方法.通過實(shí)例分析，方法具有多樣性、代表性，能大大提高教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生對(duì)電路課程的整體理解.

對(duì)比教學(xué)法；歸納教學(xué)法；深化教學(xué)法；CAD輔助教學(xué)法

1 引言

電路課程是高等學(xué)校電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，涉及面廣，是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ).課程主要介紹了直流電流和交流電路兩大電路的理論、定理使用、分析方法.由于內(nèi)容多，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)很吃力.尤其是交流電路部分，部門學(xué)生干脆就直接放棄.所以對(duì)授課教師而言，就得想方設(shè)法創(chuàng)新授課方法，使學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)吸收并消化講授的知識(shí)點(diǎn).

2 教學(xué)方法創(chuàng)新

一些優(yōu)秀的電路教學(xué)方法在很多文獻(xiàn)中出現(xiàn).本文主要根據(jù)作者本人多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，介紹4種教學(xué)法.

2.1 對(duì)比教學(xué)法

對(duì)比教學(xué)法是指在給出的幾種解題方法中進(jìn)行對(duì)比，使學(xué)生能直觀的選擇最優(yōu)的方法.下面以三種電路分析方法進(jìn)行求解電路中各支流，電路如圖1所示，電路的支路數(shù)b=5，結(jié)點(diǎn)數(shù)n=3，網(wǎng)孔數(shù)m=3.

圖1 電路模型

2.1.1 采用支路電流法

支路電流法是以各支路的電流為未知量，根據(jù)基爾霍夫定律列出n-1條KCL方程和b-(n-1)條KVL方程，然后聯(lián)立方程組求解支路電流.首先將電路用有向圖表示，如圖2所示.

圖2 支路電流法有向圖

圖3 網(wǎng)孔電流法有向圖

圖4 節(jié)點(diǎn)電壓法有向圖

根據(jù)電路的支路數(shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)，應(yīng)列出2條KCL方程和3條KVL方程.選擇結(jié)點(diǎn)1，2和如圖3個(gè)回路列方程，如下：

由于方程組中有5條方程，用手工計(jì)算過于復(fù)雜，一般將其寫成矩陣形式，再通過軟件Matlab進(jìn)行求解.但從中可以看出，支路電流法列寫方程很方便，但支路數(shù)較多時(shí)，不利于計(jì)算.

2.1.2 采用網(wǎng)孔電流法

如圖3所示，網(wǎng)孔電流法是以一假想的網(wǎng)孔電流作為未知量，列出與網(wǎng)孔數(shù)m相同的b-(n-1)條KVL方程，求解出網(wǎng)孔電流后，再以其求電路其它參數(shù).網(wǎng)孔電流法有一般通式，只需根據(jù)電路參數(shù)即可快速列出方程.

方程組只有3條方程，可以較快的算出Im1、Im2和Im3，再利用I1=Im1，I2=Im2-Im1，I3=Im3-Im2，I4=Im2，I5=Im3之間的關(guān)系求出各支路電流.

2.1.3 采用結(jié)點(diǎn)電壓法

結(jié)點(diǎn)電壓法是以結(jié)點(diǎn)電壓作為未知量，列出n-1條KCL方程，求解出結(jié)點(diǎn)電壓，再以其求電路其它參數(shù).使用結(jié)點(diǎn)電壓法需先設(shè)定一個(gè)零電位參考點(diǎn)，如圖4所示，將結(jié)點(diǎn)3設(shè)為參考點(diǎn)，再根據(jù)2結(jié)點(diǎn)的一般通式，列出方程組.

方程組只有2條方程，可以非常快捷的計(jì)算出2結(jié)點(diǎn)電壓，再根據(jù)之間的關(guān)系求解出各支路電流.

從以上三種方法可以看出，隨著分析方法的不同，復(fù)雜的方程組變得越來越簡(jiǎn)單.學(xué)生一般在學(xué)完這幾種方法后，碰到實(shí)際例子，若不給定使用哪一種分析方法，往往會(huì)無從下手.所以教師應(yīng)該小結(jié)這幾種方法的特點(diǎn)、使用場(chǎng)合.再通過這種實(shí)例的不同解法，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生在深化各種分析方法的同時(shí)，也可以在對(duì)比過程中學(xué)會(huì)選擇最優(yōu)的分析方法來求解不同結(jié)構(gòu)的電路.

2.2 歸納教學(xué)法

很多教師在講授戴維寧定理和諾頓定理時(shí)，往往只重點(diǎn)講解戴維寧定理，因?yàn)橛X得諾頓定理有些重復(fù)，講完后反倒使學(xué)生對(duì)2個(gè)定理的認(rèn)識(shí)模糊了.其實(shí)教師只要對(duì)兩定理琢磨透，再進(jìn)行歸納，通過框圖的形式可以向?qū)W生展示一個(gè)清晰且簡(jiǎn)單的分析過程，如圖5所示.

圖5 戴維寧定理和諾頓定理分析框圖

含源一端口等效為實(shí)際電壓源模型的過程為戴維寧定理的應(yīng)用，等效為實(shí)際電流源模型的過程則為諾頓定理的應(yīng)用.從框圖可以看出，使用兩定理進(jìn)行分析電路主要是根據(jù)含源一端口求出3個(gè)參數(shù)：開路電壓Uoc、短路電流Isc和輸入電阻Req.之后再進(jìn)行定理的證明，及例題的講解，可以使學(xué)生快速掌握2個(gè)定理的使用方法.

2.3 深化教學(xué)法

一階動(dòng)態(tài)電路的各種響應(yīng)可以用“三要素法”方便快捷求解，但二階電路的高階微分方程卻一般使用經(jīng)典的時(shí)域分析法來求解.其過程一般要經(jīng)過列寫特征方程，求特征根，定常數(shù)等一系列較為繁鎖的步驟才能完成.

如圖6所示電路，t=0時(shí)開關(guān)S由1打向2，假設(shè)開關(guān)S動(dòng)作前電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，求t>0后電容電壓的變化規(guī)律.

圖6 二階電路模型

初始條件：uc(0+)=uc(0-)=4V，iL(0+)=iL(0-)=0.

t>0時(shí)，列出其二階微分方程：

通過特征方程：p2+2p+5=0，求出特征根為：

代入初始條件件可求得

若采用拉普拉斯法，則先將電路等效為運(yùn)算電路模型，如圖7所示：

圖7 運(yùn)算電路模型

列出其回路方程：

使用部分分式展開法可得時(shí)域表達(dá)式：

從以上2種求解方法對(duì)比可以看出，采用拉普拉斯變換法求解高階微分方程有很大的優(yōu)勢(shì)，大大減少了計(jì)算量.

2.4 CAD輔助教學(xué)法

在講授動(dòng)態(tài)電路的過渡過程，一般在理論課堂上可以通過數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出其變化規(guī)律，但在實(shí)驗(yàn)室卻難以實(shí)現(xiàn).因過渡過程很短，實(shí)驗(yàn)室中的模擬示波器難以捕捉其變化波形.為完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，可借助電子線路設(shè)計(jì)、仿真軟件Multisim來實(shí)現(xiàn).Multisim是一款優(yōu)秀的電子仿真軟件，其操作界面精新，元器件、儀器儀表一目了然，連接方便，與實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)箱的操作非常相似，入門快.

圖8 一階RC動(dòng)態(tài)仿真電路

通過Multisim快速搭建出一階RC動(dòng)態(tài)仿真電路，如圖8所示.

使用軟件內(nèi)置的雙蹤示波器，適當(dāng)設(shè)置電路仿真參數(shù)和示波器的掃描參數(shù)，可以很容易得到一階RC電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)仿真波形，如圖9所示，與書本分析的結(jié)果是一致的.學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)三種動(dòng)態(tài)過程的認(rèn)識(shí).

圖9 響應(yīng)仿真波形

3 結(jié)論

雖然電路課程的定理、分析方法種類繁多，但它們之間存在很多的聯(lián)系.教師應(yīng)該在教學(xué)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出能提高授課效率的教學(xué)方法.文中提出的4種教學(xué)方法經(jīng)過多年的教學(xué)驗(yàn)證，已取得很好的教學(xué)效果，可以大力推廣使用.

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