摘? 要? 電路是自動(dòng)化專業(yè)本科生學(xué)習(xí)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在理論教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要意義。將工程實(shí)踐能力培養(yǎng)理念融入電路課程理論教學(xué)，以知識(shí)發(fā)現(xiàn)—知識(shí)應(yīng)用—知識(shí)關(guān)聯(lián)為授課主線，應(yīng)用典型工程案例作為理論課例題和課后思考題，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得顯著的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞? 電路；工程實(shí)踐能力；工程案例；理論教學(xué)；金課；卓越工程師

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）24-0112-04

0? 引言

隨著我國(guó)高等教育和工程教育改革的深入，在教學(xué)中逐步落實(shí)卓越工程師計(jì)劃，工程教育專業(yè)認(rèn)證在一流院校全面展開(kāi)。同時(shí)，教育部提出“兩性一度”中國(guó)金課建設(shè)要求，要求高等教育學(xué)生知識(shí)能力素質(zhì)有機(jī)融合，要具有解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。因此，在課程教學(xué)中加強(qiáng)本科生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)、促進(jìn)工程教育質(zhì)量的提高具有重要意義。

電路課程是自動(dòng)化專業(yè)本科生的核心課程[1]，是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門(mén)重要的橋梁課程，除了講授電路課程的知識(shí)外，還承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生分析工程實(shí)踐問(wèn)題、解決工程實(shí)踐問(wèn)題的責(zé)任。北京航空航天大學(xué)64學(xué)時(shí)的電路課程圍繞金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和卓越工程師計(jì)劃要求，從教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)組織等方面進(jìn)行全面改革，探索理論課中培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的思路和方法，取得顯著教學(xué)效果。

1? 電路課程教學(xué)分析

電路是一門(mén)理論課，課程內(nèi)容多、邏輯性強(qiáng)、課時(shí)有限[2]。同時(shí)，課程考核對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握的要求高，電路理論和分析方法使用時(shí)靈活性強(qiáng)，電路求解要應(yīng)用數(shù)學(xué)分析和積分變換等復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算。因此，電路課程成為一門(mén)教學(xué)難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)困難的課程，學(xué)生不及格率高。

電路課程授課內(nèi)容包括電路模型的分析計(jì)算方法、實(shí)際電路理想化的電磁特性等所有電路共有的理論知識(shí)和方法。但是電路元件的理想化電磁特性或是實(shí)際電路元件的理想化，或是實(shí)際工程中某個(gè)部件的特性理想化，電路理論又應(yīng)用于所有集總參數(shù)電路，因此，從課程理論的來(lái)源與課程知識(shí)的應(yīng)用角度來(lái)看，課程理論與工程實(shí)際存在密切聯(lián)系，但是這些聯(lián)系與模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理等工程實(shí)踐性強(qiáng)的理論課不同。在理論課教學(xué)中如何深度利用這些聯(lián)系，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)水平，是電路課程理論教學(xué)需要進(jìn)行深入研究和探討的，具有重要意義[3]。

2? 電路教學(xué)要深度融合工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)理念

電路課程的主要教學(xué)內(nèi)容來(lái)源于工程實(shí)際，是對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的總結(jié)。同時(shí)，電路理論和分析方法在實(shí)際工程中普遍應(yīng)用，課程內(nèi)容與其他課程的內(nèi)容聯(lián)系密切。因此，課程教學(xué)貫徹以電路知識(shí)發(fā)現(xiàn)—知識(shí)應(yīng)用—知識(shí)關(guān)聯(lián)為授課主線，將工程實(shí)踐能力培養(yǎng)理念深度融入理論教學(xué)[4]。

2.1? 知識(shí)發(fā)現(xiàn)

注重電路定理定律的知識(shí)引導(dǎo)，將授課內(nèi)容回歸到知識(shí)發(fā)現(xiàn)的情景中，三言兩語(yǔ)，畫(huà)龍點(diǎn)睛，讓學(xué)生養(yǎng)成從實(shí)際工程問(wèn)題中凝練科學(xué)問(wèn)題，尋找解決方法的科學(xué)思維。例如：在講解相量法課程內(nèi)容時(shí)，簡(jiǎn)要介紹科學(xué)家施泰因梅茨1893年在研究交流電機(jī)的磁滯損耗時(shí)創(chuàng)立相量法的過(guò)程，讓學(xué)生了解為什么用向量表示正弦量，微分方程就變換成復(fù)數(shù)代數(shù)方程的原理，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相量法學(xué)習(xí)的興趣，還可以讓學(xué)生了解相量法求解正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的原理，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2? 知識(shí)應(yīng)用

電路課程內(nèi)容具有強(qiáng)大的實(shí)際工程應(yīng)用背景，授課時(shí)要注重理論知識(shí)的工程應(yīng)用。從電路課程中電路元件的電流、電壓、功率特性來(lái)說(shuō)，在工程上都有典型應(yīng)用，授課時(shí)需要有機(jī)融入課堂教學(xué)。例如：在講解電容的換路定理時(shí)，電流有限時(shí)，電容電壓不跳變，按指數(shù)規(guī)律變化，結(jié)合電容電壓緩慢連續(xù)變化的特點(diǎn)，就可以指出電容電壓連續(xù)變化的特性可應(yīng)用于控制系統(tǒng)給定值，給定值通過(guò)電容電壓加載可以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；講解電感元件特性時(shí)，為了加深學(xué)生認(rèn)識(shí)電感元件電壓大小與電感量和電感電流隨時(shí)間變化有關(guān)系的特性，讓學(xué)生思考如果電感突然開(kāi)路，電感電壓是什么，然后適時(shí)引出汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火原理以及電磁繼電器需要滅弧電路的原理；分析耦合電感互感功率時(shí)，可以讓學(xué)生思考互感功率在實(shí)踐中是否有典型應(yīng)用，學(xué)生會(huì)聯(lián)想到手機(jī)無(wú)線充電，手機(jī)充電就是互感傳遞的有功功率，再引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)耦合電感的功率特點(diǎn)。學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握和對(duì)問(wèn)題的思考更加靈活，學(xué)習(xí)興趣增加。

2.3? 知識(shí)關(guān)聯(lián)

電路元件是實(shí)際元件電磁特性的理想化，不同的實(shí)際元件只要具有相同的特性，在電路中就表示為同一個(gè)元件，所以一個(gè)完整電路的KCL和KVL約束關(guān)系不限于實(shí)際電路，也有可能反映的是一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的約束關(guān)系。因此，電路課程討論的問(wèn)題與先修、后修課程關(guān)聯(lián)密切。電路計(jì)算要用到微分方程、復(fù)數(shù)、拉氏變換和反變換等數(shù)學(xué)知識(shí)，涉及先修課程數(shù)學(xué)分析和積分變換課程；動(dòng)態(tài)電路經(jīng)典分析方法一階電路、二階電路的階躍響應(yīng)、沖激響應(yīng)，也是自動(dòng)控制原理中系統(tǒng)的一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的時(shí)域特性；電路中的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)也是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的頻響函數(shù)和傳遞函數(shù)。授課時(shí)注重課程知識(shí)之間、課程知識(shí)與其他課程之間的關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生構(gòu)建自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)化知識(shí)。

3? 靈活應(yīng)用工程案例教學(xué)

電路課程理論教學(xué)時(shí)，對(duì)所講授的重要定理、定律和分析方法，大多采用例題的形式進(jìn)行深入講解，并讓學(xué)生課后完成一定數(shù)量的習(xí)題，幫助學(xué)生掌握這部分知識(shí)。在理論課授課時(shí)，如果將例題和課后習(xí)題替換為實(shí)際電路，那么學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)就是工程實(shí)踐中的知識(shí)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。此時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)或計(jì)算的電路不再是書(shū)本上的習(xí)題，而是工程實(shí)際電路，必將使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中獲得更大的成就感和更多的樂(lè)趣，可以極大地激發(fā)學(xué)生的求知欲，對(duì)理論知識(shí)的掌握更加深刻。

具有典型工程應(yīng)用意義的實(shí)際電路，只要符合理論課的教學(xué)內(nèi)容需要，反映教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)和重點(diǎn)，就可以用于課程的例題和課后習(xí)題。不能為了工程案例犧牲教學(xué)內(nèi)容，工程案例在工程實(shí)際中的典型作用和與教學(xué)內(nèi)容的完整匹配程度，是工程案例優(yōu)劣的主要指征。工程案例的選擇需要教師具有高深的電路課程理論知識(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)和豐富的電路工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系理解深刻，在恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)引入工程案例，點(diǎn)石成金、事半功倍，發(fā)揮工程案例的最大培養(yǎng)效果。好的工程案例教學(xué)可以起到開(kāi)闊學(xué)生專業(yè)視野的作用，達(dá)到幫助學(xué)生正確理解和深刻掌握教學(xué)內(nèi)容的目的。下邊就舉例講述舉兩個(gè)在教學(xué)中應(yīng)用的工程實(shí)例。

3.1? 三要素法工程案例

RC一階電路的時(shí)間常數(shù)為τ=RC，時(shí)間常數(shù)的大小決定電路動(dòng)態(tài)特性變化的快慢。為了加深學(xué)生對(duì)時(shí)間常數(shù)的理解，授課時(shí)采用以下兩個(gè)典型的工程案例。

一是警示閃光燈電路。天線塔、建筑工地等地的閃光燈，工作時(shí)需要閃爍，閃爍的快慢決定于時(shí)間常數(shù)，不能太慢也不能太快，閃爍的快慢要足以引起人的注意，起到警示作用。閃光燈工程案例如圖1所示。

二是差動(dòng)電容式位移測(cè)量電路。電阻平均電流大小與差動(dòng)電容大小為線性關(guān)系，如圖2所示。

工程案例能夠加深在教學(xué)中的靈活應(yīng)用，可以只講其中一個(gè)，另外一個(gè)作為思考題或者課后練習(xí)題完成。

3.2? 相量法工程案例

相量法是電路課程重要的內(nèi)容，分析電路的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，一般有兩類問(wèn)題的分析：一類是已知參數(shù)和激勵(lì)求電路響應(yīng)的問(wèn)題；另一類是已知激勵(lì)和響應(yīng)求解參數(shù)問(wèn)題。第二類問(wèn)題求解時(shí)較第一類問(wèn)題來(lái)說(shuō)難度相對(duì)較大。為了幫助學(xué)生掌握相量法分析正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的思路和方法，例題設(shè)計(jì)第二類問(wèn)題的求解，選擇工程實(shí)際中三電壓法線圈參數(shù)測(cè)量的原理作為例題，線圈參數(shù)測(cè)量方法包含相量法中的核心內(nèi)容，如圖3所示。

求解時(shí)首先選擇電流相量為參考相量，逆電流流動(dòng)的方向，逐步畫(huà)出電路的相量圖，將電路變量之間的約束關(guān)系轉(zhuǎn)換為平面幾何約束關(guān)系，根據(jù)余弦定理求得線圈的阻抗角，然后求解出感性線圈等效電阻和等效電感上的電壓，最后求解線圈的參數(shù)。例題求解的過(guò)程和思路反映已知響應(yīng)求解參數(shù)的核心思想，同時(shí)，例題要在課程配套實(shí)驗(yàn)中落實(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授的閉環(huán)設(shè)計(jì)，很好地促進(jìn)學(xué)生掌握相量分析法。

為了進(jìn)一步落實(shí)相量法知識(shí)的內(nèi)化，課后習(xí)題選擇的也是第二類問(wèn)題的分析，為感性電機(jī)實(shí)際使用的電容移相器電路的分析求解，如圖4所示。

4? 結(jié)論

在金課和新工科背景下，電路課程教學(xué)踐行卓越工程師培養(yǎng)理念，從2020年開(kāi)始，課程教學(xué)中注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在教學(xué)中以知識(shí)發(fā)現(xiàn)—知識(shí)應(yīng)用—知識(shí)關(guān)聯(lián)為主線，應(yīng)用典型工程案例作為課程例題和課后練習(xí)題，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與工程實(shí)踐培養(yǎng)的深度融合[4]，能夠較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，提高課程教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生總評(píng)成績(jī)優(yōu)良率穩(wěn)步提升，不及格率逐年下降，如圖5所示。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來(lái)源：北京航空航天大學(xué)“凡舟”基金“《電路》教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：54531727）；北京航空航天大學(xué)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目“電路”（項(xiàng)目編號(hào)：42020012）。

作者：閆蓓，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，工學(xué)博士，副教授，碩士導(dǎo)師，主要從事電路和傳感器教學(xué)以及檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化的科學(xué)研究（100191）。