南京航空航天大學金城學院 孫金秋

總結(jié)目前電路教學中存在的問題，本文提出“重概念輕計算”理念下電路教學方法的改革。文中詳細的介紹利用仿真軟件解決電路中的計算困難和理解抽象問題。教學實踐表明，采用“重概念輕計算”可以提高電路課程的教學質(zhì)量。

在工程認證的背景下，科學素養(yǎng)培養(yǎng)對于學生來說非常必要?？茖W素養(yǎng)非傳統(tǒng)意義上課程的機械式重復，必須在掌握知識的同時學會學生以科學方法處理問題、解決問題。需要培養(yǎng)學生利用計算工具解決及分析計算問題的能力。在實際中，學生并沒有真正掌握科學素養(yǎng)的精髓，沒有真正將計算工具與學科相結(jié)合，依然延續(xù)原有的“土辦法”，簡單使用公式加筆算，實際上在浪費時間及資源，并且沒有提高效率及準確性。因此本作者提出了“重概念，輕計算”的教學改革，提高老師的課堂效率，提高學生的科學素養(yǎng)以及解決工程問題的能力。

“電路”課程是許多高校自動化專業(yè)和電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。作為電類的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，很多學生很難從高數(shù)、物理的學習思路迅速轉(zhuǎn)變到電類課程的學習中，因此很多學生從電路開始就對專業(yè)課有了畏難情緒。因此在“重概念，輕計算”的教學改革下，有必要引入更加有效的教學手段。充分利用仿真軟件對電路課程中一些重點和難點進行教學方法的改革。

本文詳細介紹仿真軟件在電路課程中各教學內(nèi)容中的應(yīng)用，以加強學生概念的理解，減輕手動計算的難度。

1 目前電路課程教學中存在的問題

1.1 計算繁瑣問題

電路分析的基本思路為選取變量，然后利用KCL、KVL和VCR列寫方程，列寫的方程數(shù)少則兩個，多則四五個。目前學生在求解方程的時候習慣利用初中所學的消元法，當方程數(shù)大于三個的時候，通常需要花大量的時間解方程，甚至解到最后還是錯誤的，大大挫傷了學生的學習積極性。

非正弦周期信號的分析，需要先將激勵傅里葉級數(shù)展開，然后轉(zhuǎn)化成直流穩(wěn)態(tài)和正弦穩(wěn)態(tài)的分析。傅里葉級數(shù)展開的數(shù)學積分運算對于學生而言難度也非常大。

1.2 理解抽象問題

直流穩(wěn)態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路中，響應(yīng)也是直流或者正弦穩(wěn)態(tài)，學生比較容易理解。但在動態(tài)電路的分析中，響應(yīng)中包含暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。尤其是二階動態(tài)電路分析時，學生理解不了阻尼大小跟響應(yīng)的關(guān)系。

非正弦信號通過傅里葉級數(shù)展開分解成直流分量和各諧波分量，學生也覺得比較抽象。

2 仿真軟件在電路教學中的應(yīng)用

2.1 利用MATLAB解決電路一般分析方法中方程組求解問題

圖1所示電路的網(wǎng)孔方程為：

圖1 電路的網(wǎng)孔分析法

如果手動計算解此方程組會花費時間較長，而且容易算錯。在MATLAB命令窗口中輸入A=[20，-10，-8；-10，24，-4；-8，-4，20],b=[-40 -2020]',X=pinv(A)*b，得到X= -3.6364-2.5078-0.9561，從而可得電流i= -0.9561A。

由此可見借助軟件計算便捷準確。

2.2 利用MATLAB軟件解決傅里葉級數(shù)展開的問題

2.3 利用MATLAB軟件解決動態(tài)電路分析的問題

二階動態(tài)電路的響應(yīng)分過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過阻尼時響應(yīng)為非震蕩衰減，欠阻尼時響應(yīng)為振蕩衰減。RLC串聯(lián)電路零輸入相應(yīng)，電容的初始電壓為5V。當R=220Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(a)所示，當R=2Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(b)所示。從仿真波形可以使學生對非振蕩衰減和振蕩衰減有直觀的感受。而且可以動態(tài)的調(diào)整RLC的參數(shù)，使得學生理解參數(shù)的大小對響應(yīng)的影響。

圖2 二階動態(tài)電路的仿真分析

結(jié)論：利用計算機仿真技術(shù)，課堂可以上演示各種電路的激勵和響應(yīng)的關(guān)系。學生既可以更好地掌握電路的理論知識，又可取得搭建與調(diào)試電路的經(jīng)驗，使理論與實踐緊密結(jié)合。通過近兩來的教學實踐發(fā)現(xiàn)，在教學中使用仿真軟件，加強概念的理解，弱化學生手動計算的要求，可以使得學生從機械的計算中解放出來，有更多的精力在科學素養(yǎng)的培養(yǎng)上。