榆林學(xué)院信息工程學(xué)院 趙 鵬

在互聯(lián)網(wǎng)+背景下，基于傳統(tǒng)電路類課程教學(xué)過程中存在的問題，提出以簡(jiǎn)單拓?fù)?問題導(dǎo)向+仿真的混合教學(xué)模式，經(jīng)過連續(xù)2屆課程跟蹤研究表明，該教學(xué)方法能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極，加深學(xué)生對(duì)電路物理模型和原理的理解，并提高學(xué)生實(shí)際分析問題和解決問題的能力。

電路類課程是大部分理工科專業(yè)的必修課，但在傳統(tǒng)的授課方式中，往往以電路的的功能講解、公式推導(dǎo)為主，往往忽視了電路的最簡(jiǎn)單的物理模型。這就造成了學(xué)生對(duì)電路理解不透，掌握不深，無法實(shí)際應(yīng)用。也因此造成了學(xué)生們對(duì)課堂上講授的理論知識(shí)學(xué)了就忘，從而認(rèn)為理論知識(shí)可有可無的一種態(tài)度。筆者在輔導(dǎo)學(xué)生做設(shè)計(jì)類電路實(shí)驗(yàn)或電子設(shè)計(jì)等時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生坐著發(fā)呆，不知道從何下手，不知道如何把課堂上學(xué)習(xí)的理論應(yīng)用到實(shí)際電路上。于是經(jīng)過和學(xué)生們的大量溝通后，筆者提出了簡(jiǎn)單拓?fù)?問題導(dǎo)向+仿真的混合式教學(xué)模式。以下以基礎(chǔ)電路中的“BUCK電路工作原理”來說明。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法

電路使用一個(gè)全控型器件V，圖1中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。

圖1 降壓電路的原理圖及工作波形(a)電路圖 (b)電流連續(xù)時(shí)的波形 (c)電流斷續(xù)時(shí)的波形

如圖1(a)中柵射電壓UGE波形所示，t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo = E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。

t = t1時(shí)，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。

至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖1(b)所示。

負(fù)載電壓的平均值為：

式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取?/p>

由上式可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值UO最大為E，減小占空比α，UO隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路，也稱BUCK變換器。

負(fù)載電流平均值為：

若負(fù)載中L值較小，在V關(guān)段后，到了t2時(shí)刻，如圖1(c)所示，負(fù)載電流已衰減至零，出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。當(dāng)負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。

2 混合教學(xué)模式

由于線性穩(wěn)壓電路（LDO）效率太低，于是人們開始研究利用開關(guān)控制電容的充放電來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能（提出簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），原理如圖2、圖3所示。

圖2 簡(jiǎn)單電容拓?fù)?

圖3 電容降壓原理

例如，需要穩(wěn)壓的電壓為5V，開關(guān)閉合（t = 1），電容開始充電，當(dāng)電容上的電壓大于5V時(shí)開關(guān)段開（t = 0）；此時(shí)電容上的電壓開始通過R2放電，當(dāng)電壓下降到5V以下時(shí)，再次閉合開關(guān)（t = 1），給電容充電，只要合理控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)段時(shí)間，就可以在負(fù)載上得到5V的電壓（5V上下波動(dòng)的電壓視為紋波，可以通過開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)段時(shí)間控制在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)），R2為負(fù)載電阻。

電路原理仿真如圖4所示。

圖4 電容充放電實(shí)現(xiàn)降壓原理仿真

仿真可知，該電路確實(shí)具有降壓作用，但是這個(gè)電路還有很多問題需要改進(jìn)（引導(dǎo)學(xué)生提出改進(jìn)電路的方法）：

（1）電阻始終是耗能元件，影響整個(gè)電路的效率。

（2）負(fù)載能力有限（例如，負(fù)載電阻如果是1Ω，根據(jù)分壓原理，輸出電壓就達(dá)不到5V，所以電容電壓最高值為

顯然直接以電壓為研究對(duì)象來實(shí)現(xiàn)降壓有問題，即電路的拓?fù)溆袉栴}，于是人們轉(zhuǎn)換思路，把電流當(dāng)作研究對(duì)象。假如負(fù)載為1Ω，要在1Ω負(fù)載上實(shí)現(xiàn)電壓為5V，只需要流過該負(fù)載的電流是5A，同樣可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓為5V，即實(shí)現(xiàn)了降壓的功能。于是電路改進(jìn)如下，用電感代替電阻，因?yàn)殡姼械难芯繉?duì)象只是電流。同時(shí)給電路加一個(gè)二極管，作用是再開關(guān)段開時(shí)給電感形成放電回路。如圖5、圖6所示。

圖5 簡(jiǎn)單電感拓?fù)?

圖6 電感降壓原理

工作原理如下：

開關(guān)閉合（t = 1），電感電流緩慢上升，當(dāng)電感電流超過5A時(shí)斷開開關(guān)（t = 0）；此時(shí)電感電流開始緩慢下降，當(dāng)檢測(cè)到下降到5A以下，開關(guān)閉合(t = 1)，電流又緩慢上升，不斷重復(fù)這個(gè)過程，基本可以實(shí)現(xiàn)電流為5A。從而負(fù)載電阻電壓為5V。仿真如圖7所示。

圖7 電感充放電實(shí)現(xiàn)降壓原理仿真

這個(gè)電路缺陷如下（同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生提出改進(jìn)方法）：

（1）紋波比較大（只要電感的電流發(fā)生變化，則電阻上的電壓就會(huì)發(fā)生變化）。

（2）一定要接負(fù)載才能工作（因?yàn)殡姼休敵龅臑殡娏鳎?/p>

這兩個(gè)問題可以在負(fù)載兩端加個(gè)濾波電容來解決。電路繼續(xù)改善如圖8所示。

圖8 最終電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在負(fù)載兩端加電容進(jìn)行濾波，改善輸出紋波。這個(gè)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是最終的BUCK電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是在實(shí)際的電路中用一個(gè)全控型器件來代替開關(guān)，開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)段的控制信號(hào)由一個(gè)反饋系統(tǒng)來控制。仿真如圖9所示。

圖9 最終電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

從仿真結(jié)果可以看出，輸出波形變平滑了，但是由于開關(guān)是手動(dòng)控制，所以不夠精確，實(shí)際控制信號(hào)是一個(gè)高頻率地反饋信號(hào)，能很好的抑制電壓的紋波。

3 對(duì)比

傳統(tǒng)的電路類教學(xué)方法，主要側(cè)重于公式的推導(dǎo)，剛開始就建立各種電路模型，然后列公式來推導(dǎo)電路的結(jié)果。忽視了電路本身的物理模型。這樣使得學(xué)生剛開始積極性很高，聽著公式推導(dǎo)的過程，耗盡了一般的積極性。等到最重要的推導(dǎo)結(jié)果時(shí)，往往已經(jīng)沒有任何興趣了，久而久之就形成了對(duì)這門課的厭惡感。而簡(jiǎn)單拓?fù)?問題導(dǎo)向+仿真的混合式教學(xué)模式，從一開始就建立一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須保證所有的同學(xué)都掌握，這樣一開始就給學(xué)生樹立了一種積極的暗示；然后在這個(gè)簡(jiǎn)單拓?fù)涞幕A(chǔ)上，不斷的提出這個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題，然后不斷的完善該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)過程中老師要和學(xué)生充分的互動(dòng)，充分的給于學(xué)生引導(dǎo)和暗示，讓學(xué)生自己提出改善電路方案。在學(xué)生提出改善的方案之后，老師再加以總結(jié)，并實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證改善的可行性。經(jīng)過這樣的學(xué)習(xí)過程之后，最明顯的進(jìn)步就是學(xué)生分析電路的問題加強(qiáng)了，直接表現(xiàn)就是考試成績(jī)的提高和通過率的提升。經(jīng)過筆者連續(xù)對(duì)2屆采用混合教學(xué)模式學(xué)生和之前傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生的訪談，采用混合教學(xué)模式學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶和應(yīng)用要強(qiáng)于之前用傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生。

總結(jié)：通過連續(xù)對(duì)兩屆學(xué)生運(yùn)用混合教學(xué)模式，通過跟蹤學(xué)生在授課過程中表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)電路理論知識(shí)水平和實(shí)際應(yīng)用電路的水平明顯提高。這種教學(xué)方法讓老師從以前講授知識(shí)的角色轉(zhuǎn)換為一個(gè)積極引導(dǎo)者的角色，從而極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了實(shí)際應(yīng)用電路的能力。