鐘洪聲，汪 玲，崔紅玲

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

再談“電路分析基礎(chǔ)”中的課程設(shè)計

鐘洪聲，汪 玲，崔紅玲

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

電路分析基礎(chǔ)課程是電子信息類專業(yè)入門基礎(chǔ)課程，具有較強的理論性和專業(yè)實用性。面向大學(xué)低年級沒有工程經(jīng)驗的學(xué)生，其課程設(shè)計是一個公認的難點問題。為了加強學(xué)生工程技能的培養(yǎng)，在電路分析基礎(chǔ)課程中堅持了課程設(shè)計計劃。該文介紹了兩個課程設(shè)計案例，其內(nèi)容緊密聯(lián)系課程理論教學(xué)，也是電子設(shè)計必要的入門訓(xùn)練內(nèi)容。實踐證明，在基礎(chǔ)課程中設(shè)置課程設(shè)計，對培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計動手能力有重要價值，能夠為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和參加科技創(chuàng)新活動奠定較好的基礎(chǔ)。

電路分析基礎(chǔ)；課程設(shè)計；實驗；工程；創(chuàng)新

電路分析基礎(chǔ)課程是電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)入門課程，對該專業(yè)后續(xù)知識的學(xué)習(xí)起著重要的基礎(chǔ)作用。課程設(shè)計是圍繞教學(xué)內(nèi)容的電路設(shè)計實例，是培養(yǎng)工科學(xué)生工程素養(yǎng)的需要。

1 課程設(shè)計與本課程特點

在工科大學(xué)的專業(yè)課程中，一般會安排課程設(shè)計項目，通過短小經(jīng)典的實驗內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計能力；而基礎(chǔ)的理論課程，比如數(shù)學(xué)，一般沒有課程設(shè)計；介于理論和專業(yè)之間的課程，其課程設(shè)計的安排就相對比較困難。

電路分析基礎(chǔ)課程的核心是介紹電路的各種分析方法、基本定理和基本概念。在滿足集總假設(shè)條件下，將電路模型簡化，工程概念淡化，更強調(diào)數(shù)學(xué)分析和推理［1－3］。與專業(yè)課程相比，課程設(shè)計項目的深度較淺。

電子信息類專業(yè)具有很強的工程應(yīng)用性［4］，電路分析基礎(chǔ)課程中難免會出現(xiàn)理論與工程的接口問題，這些問題對于初學(xué)者來說容易導(dǎo)致理解的困惑?，F(xiàn)在的學(xué)生，很少有工程實踐經(jīng)驗，對于電路理論的理解受到局限，并產(chǎn)生一些誤區(qū)，導(dǎo)致常常出現(xiàn)“紙上談兵”情況。電路分析理論課程本身來自工程應(yīng)用，盡管已經(jīng)抽象出數(shù)學(xué)模型，但是仍然與工程實際有天然的聯(lián)系，加強實驗和實踐訓(xùn)練是一種比較好的利于學(xué)生理解基礎(chǔ)知識內(nèi)容的方式。

在理論基礎(chǔ)性較強的課程教學(xué)中安排課程設(shè)計，并不是一件容易的事情。在電子信息類專業(yè)課程體系頂層設(shè)計時，實驗性較強的訓(xùn)練一般安排在高年級后期集中實訓(xùn)，當然這個設(shè)計也是正常的。然而在實際執(zhí)行時，訓(xùn)練效果往往并不理想。究其原因，是因為學(xué)生的認知理解是個漸變過程，不會在短時間內(nèi)產(chǎn)生躍變，工程訓(xùn)練同樣需要由淺入深的實踐過程。因此，早期的課程設(shè)計訓(xùn)練，不在于項目的難度，而在于給學(xué)生真實的實踐接觸和基本的訓(xùn)練。電子科技大學(xué)電路分析課程組一直堅持開展課程設(shè)計［5］，正是基于這樣的認識。

2 課程設(shè)計案例

2.1 線性穩(wěn)壓電源設(shè)計

電源，在電路設(shè)備中廣泛應(yīng)用，電路分析課程中，初期一般采用直流電源，學(xué)生對此理想元件比較熟悉；然而，學(xué)生并不了解實際電源的工作原理。為了讓學(xué)生理解電路實驗，本課程的第1個課程設(shè)計是完成一個實用電源電路。任務(wù)要求是設(shè)計一個線性穩(wěn)壓電源，主要的技術(shù)指標：輸入220 V、50 Hz交流電，輸出5 V直流（DC）電壓，功率為5W。

課程中提前介紹了變壓器（理想變壓器）、二極管、電容等元件，有理論基礎(chǔ)讓學(xué)生搭建基本電路。當然，理想的元件與工程上的元件是有區(qū)別的，也可以通過這個設(shè)計讓學(xué)生加深工程實際認識。

該電源電路設(shè)計原理簡單，可以由一個工頻變壓器（220 V／7 V）、全橋整流電路、電容濾波器、三端線性穩(wěn)壓器7805、輸出電容等幾個部分構(gòu)成。由于是針對初學(xué)者，不要求具體掌握線性三端穩(wěn)壓器7805的內(nèi)部工作原理，只要求了解其性能和技術(shù)指標，能夠知道如何應(yīng)用，其余部分都在教科書中能找到對應(yīng)知識點。

該電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要設(shè)計印制板。但工頻變壓器使用220 V高壓，存在安全問題，因此需要特別提醒學(xué)生注意安全。由于電流較大，也不宜采用面包板，需要在簡易的線路板上焊接安裝電路。要求學(xué)生自己動手，完成焊接、安裝工藝，完成簡單的測試，外接電阻負載（由實驗室統(tǒng)一準備大功率負載電阻）。

實驗中出現(xiàn)問題并解決問題，這是實驗環(huán)節(jié)的必然過程。訓(xùn)練學(xué)生自己解決問題，正是實驗的重要目的之一。

本案例在實際操作中出現(xiàn)的主要問題是帶載能力不足?？蛰d時穩(wěn)壓輸出5 V電壓，一般沒有問題；一旦加載，輸出電壓會大幅度下降，而引起下降的原因眾多，需要學(xué)生自己逐一排查。在排查的過程中能夠自己解決問題，會給學(xué)生帶來設(shè)計制作的滿足感。

另外，初學(xué)者在實驗過程中會出現(xiàn)大量意想不到的低級錯誤。如對于電阻沒有功率概念，連接負載5Ω，其功率至少需要大于5 W；但是實際應(yīng)用中，不少同學(xué)會隨意找個0.25 W的電阻接上，反復(fù)被燒掉，這才體會到實際元件與理想元件概念的差別。

2.2 方波發(fā)生器的設(shè)計

課程在介紹了運算放大器之后，安排了一個課程設(shè)計，即利用運算放大器，設(shè)計一個簡單的波形產(chǎn)生電路。該課程設(shè)計正好可以利用前面制作的穩(wěn)壓電源。

單個運算放大器，利用其高增益的特性，設(shè)置一個比較電壓值，根據(jù)這個預(yù)設(shè)值，輸出電壓會翻轉(zhuǎn)。在不同的區(qū)間，利用RC一階電路的充放電特性，電壓指數(shù)上升或者下降，圍繞預(yù)設(shè)值形成振蕩，輸出方波信號。

其中RC一階電路與課程中的一階電路概念相關(guān)，通過實驗可以增強對課程中知識點的理解。如改變RC電路的時間常數(shù)，可以控制輸出方波的工作頻率。

本案例電路也很簡單，很適合初學(xué)者。在實際制作中，可以直接在面包板上完成，也可以在簡易的電路板上焊接安裝。

由于本電路所需元件少，都是常見元件，可以在計算機仿真庫中找到具體型號，因此，本文要求學(xué)生先利用計算機仿真。這也是一個有價值的訓(xùn)練。由于Multisim軟件中，設(shè)置了各種虛擬儀器儀表，仿真與實驗測試顯示一致，先完成仿真，對于實際實驗元件參數(shù)的選擇，具有重要的意義。

實驗中，要求利用示波器觀察輸出波形，借此也訓(xùn)練了同學(xué)們實際操作示波器的技能。

本案例在實際操作中出現(xiàn)的主要問題是電路不起振，沒有波形輸出。初學(xué)者不太熟悉運放參數(shù)，一般不會主動分析原理，但是通過反復(fù)調(diào)整元件參數(shù)，也會得到正常輸出波形。這個現(xiàn)象正好可以留給學(xué)生思考的空間。

3 課程設(shè)計實踐思考

從2006年開始，課程組就在電路分析基礎(chǔ)課程中安排了課程設(shè)計計劃，并按平時成績的方式計入學(xué)生的總成績。

由于電路分析基礎(chǔ)課程理論性強，安排課程設(shè)計有一定難度；不同教師在執(zhí)行過程中，理解和認識不同，因此，執(zhí)行力度也有所不同。課程設(shè)計必然要利用實驗設(shè)備，如果采用統(tǒng)一的安排，勢必增加工作量。近年來，學(xué)校面向所有學(xué)生開放了一些公用實驗室，學(xué)生可以自行借助這些實驗平臺完成任務(wù)。本文的兩個案例，電路簡單，對于實驗條件的要求比較低，元件成本也低，能夠保證學(xué)生自主完成設(shè)計制作。

由于本課程設(shè)計的堅持，為大學(xué)一年級的學(xué)生（電子科技大學(xué)電路分析基礎(chǔ)課安排在大一下學(xué)期）提供了實踐訓(xùn)練的機會，盡管比較簡單，但是學(xué)生開始進入實驗動手環(huán)節(jié)的時間幾乎提前了一年。早期的訓(xùn)練，為后續(xù)的專業(yè)實踐課程奠定了比較好的基礎(chǔ)。為此，課程組也專門討論，既然在專業(yè)課程中，已經(jīng)設(shè)置了課程設(shè)計內(nèi)容，本課程是電子技術(shù)入門課程，為什么也要設(shè)置課程設(shè)計內(nèi)容呢？本文作者認為不能小看這個提前，對于入學(xué)第一年的學(xué)生，其興趣和激情相對較高，能夠盡早接觸到工程實踐，還是很有價值的。一些學(xué)生在畢業(yè)后回顧電路分析基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)時，也表示這是他們從業(yè)生涯很好的啟蒙教育課程。

而課程組堅持在電路分析基礎(chǔ)課程中安排課程設(shè)計，也是從另一個角度思考：現(xiàn)在的學(xué)生從小學(xué)到高中，缺少工程訓(xùn)練，也很少進入實驗室，學(xué)習(xí)模式幾乎就是聽課、做作業(yè)。在課程之中嵌入設(shè)計性動手制作項目，也是換一種學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生感覺新奇，激發(fā)其內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣。

在專業(yè)課程的課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)置中，題目往往比較難，要求完成較具體的任務(wù)，如果沒有前期的基礎(chǔ)培訓(xùn)，往往造成學(xué)生的適應(yīng)周期過長；拿到課題任務(wù)時常常感到無從下手，造成較大的挫折感，從而影響學(xué)習(xí)的積極性。實踐訓(xùn)練是一個循序漸進的過程，本文作者認為早期的訓(xùn)練還是很有價值的。盡管訓(xùn)練的都是簡單的電路題目，但正是有這種基礎(chǔ)訓(xùn)練，給學(xué)生提供了合適的實踐機會，也為后續(xù)課程實驗打下了良好的基礎(chǔ)。

4 課程設(shè)計管理模式

本課程堅持課程設(shè)計，明確寫入教學(xué)大綱，但是沒有寫明設(shè)計的具體內(nèi)容，具體執(zhí)行方式由各任課教師掌握，不搞一刀切。本課程每年學(xué)習(xí)的學(xué)生人數(shù)在3 000人以上，授課教師近40人，來自不同的學(xué)院，課程設(shè)計部分沒有具體要求設(shè)計內(nèi)容，給任課教師更大的選擇空間，有利于教師的個性發(fā)揮。

在課程設(shè)計的執(zhí)行過程中，不少教師選擇過不同的課程設(shè)計項目；而經(jīng)過多年的運行實踐，任課教師還是認為選擇這兩個實際案例比較好，既訓(xùn)練了學(xué)生的動手能力，又對實驗條件要求不高，元件成本不高，同時與課程內(nèi)容又密切關(guān)聯(lián)。

學(xué)生方面，部分學(xué)生積極性很高，會主動積極完成任務(wù)，并自己增加設(shè)計內(nèi)容；但也有學(xué)生還是習(xí)慣讀書、做題和考試的學(xué)習(xí)方式，認為課程設(shè)計對考試分數(shù)的貢獻不大，投入的時間和精力不足。

管理方面，課程設(shè)計會帶來教學(xué)成本的增加，不僅是教師增加了教學(xué)指導(dǎo)工作量，實驗工具和元器件也產(chǎn)生了一定費用。近年來，學(xué)校教育經(jīng)費增加了，統(tǒng)一為全校所有工科學(xué)生免費發(fā)放一套工具及實驗用元器件，為學(xué)生的自主實驗提供了很大的方便。

考核方面，目前學(xué)校管理部門在認識上也逐步轉(zhuǎn)變，工程實踐在課程中所占的比重也在逐步提高，平時成績、包括課程設(shè)計的比重開始有所體現(xiàn)。當然，電路分析基礎(chǔ)是一門基礎(chǔ)性強的課程，學(xué)校重視，將之列入規(guī)范建設(shè)范圍；教師的自主權(quán)相對較少，改革的強度還有待提高。

5 麻省理工學(xué)院電路課程帶來的認識

電子技術(shù)的進步，反過來不斷促使教學(xué)內(nèi)容和方式的改革。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的核心課程電路與電子學(xué)（Circuits and Electronics，課程編號6.002），2006年開始整合了電路分析基礎(chǔ)、模擬電路和數(shù)字電路的核心內(nèi)容，并安排了4個課程設(shè)計。其中，3個驗證性實驗，1個設(shè)計性實驗。設(shè)計性實驗具有比較高的難度，要求學(xué)生設(shè)計制作一個音頻信號回放系統(tǒng)；實驗難度遠遠超過本文的課程設(shè)計要求。

課程開設(shè)實驗課題或者作業(yè)，學(xué)生按預(yù)約時間進入實驗室，獨立完成，請實驗室指導(dǎo)教師簽字認可。實驗室采用開放模式，沒有統(tǒng)一的實驗任務(wù)要求講解，也沒有專門的測試設(shè)備應(yīng)用講解。學(xué)生能夠在沒有監(jiān)督的情況下，主動完成各項教學(xué)任務(wù)。如果沒有完成，則無法獲得該課程學(xué)分。

課程組也期望逐步改革現(xiàn)行教學(xué)模式，逐步提高課程設(shè)計水平和效率。目前已經(jīng)引入MIT教材和部分教學(xué)方式；但其教材中不少的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容被直接淘汰，也讓課程組感覺不太適應(yīng)；如經(jīng)典的網(wǎng)孔分析法、變壓器等知識都被排除在教學(xué)內(nèi)容之外，大量的集成電路內(nèi)容被引入到教材內(nèi)容中。因此，結(jié)合學(xué)校的實際現(xiàn)狀，還需要選擇合適的內(nèi)容進行取舍。

6 結(jié)束語

課程設(shè)計在國外大學(xué)里是工科專業(yè)的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)［6－7］。隨著硬件條件，特別是開放實驗室的推行，國內(nèi)工科大學(xué)的教學(xué)中，也開始越來越多地使用課程設(shè)計［8－13］。課程組始終堅持在理論教學(xué)的同時執(zhí)行課程設(shè)計計劃及各種形式的實踐教學(xué)改革［14－16］，取得了比較明顯的教學(xué)效果，持續(xù)不斷地提升了學(xué)生的工程實踐興趣。在全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽中，我校連續(xù)6屆（2005—2015年）獲得好成績，國家獎（一二等）總數(shù)4屆排名第一，每屆都保持前3名。在其他形式電子設(shè)計比賽中，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，也取得了優(yōu)異成績。

［1］胡翔駿.電路分析［M］.3版.北京：高等教育出版社，2016．

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［15］鐘洪聲.電子類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的建設(shè)［C］／／2008年全國高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)協(xié)作會議論文集.北京：郵電大學(xué)出版社，2008．

［16］鐘洪聲.鼓勵大學(xué)生參加科研活動［C］／／2007年全國高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)協(xié)作會議論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2007．

Introduction on Projects in Fundamentals Circuit Analysis

ZHONG Hongsheng，WANG Ling，CUIHongling
（College of Electronic and Engineering，University of Electrical Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The fundamental of circuitanalysis is the basic course of electronic engineering，which has strong theoretical and pro fessional practicality.The freshmen have no engineering experience，which is an acknowledged difficulty.In order to strengthen the cul tivation of students’engineering training skills，the curriculum design plan was adhered to in the basic circuitanalysis.Two classic ca ses are introduced in this paper，the contents ofwhich are closely related to the course theories and the fundamentals training cases in electronic design.It has been proved by practicing that the projects ofbasic guide courses are the very importantvalue to cultivate the e lectronic design ability of the students.Itwill be laid a good foundation of other courses learning and technology innovation activity.

fundamentals of circuit analysis；projects design；experiment；engineering；innovation

TM13；G642.423

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.003

2017－03－16；修改日期：2017－04－15

鐘洪聲（1961－），男，碩士，教授，主要從事電子信息技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。