“電路原理”課程教學(xué)改革的理念與實(shí)踐

于歆杰，朱桂萍，陸文娟，劉秀成，郭靜波，趙 偉

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京00084)

“電路原理”是我國高校本科電氣信息類專業(yè)(含電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課或核心課。在教育部基礎(chǔ)課教指委制定的《教學(xué)基本要求》中，這門課程分為“電路理論基礎(chǔ)”和“電路分析基礎(chǔ)”兩類［1]。前者主要針對電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容稍多。后者適用于其他專業(yè)。雖然有這樣的劃分，但課程內(nèi)容主體均為講授線性電阻電路、非線性電阻電路、動(dòng)態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析方法，引出后續(xù)課程(諸如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、高頻電路(通信電路)、電磁場、信號與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理等)所需的若干基本概念。電氣信息類專業(yè)是目前我國工科院?；蚓C合性大學(xué)招收規(guī)模較大和生源質(zhì)量較高的專業(yè)?！半娐吩怼闭n程是電氣信息類專業(yè)本科生面對的第一門工程類課程。因此“電路原理”課程的教學(xué)對象量大面廣，其教學(xué)質(zhì)量對學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量起到非常重要的基礎(chǔ)性作用。

本文將從“電路原理”課程亟需改革的根本原因、改革的理念、實(shí)踐、討論和未來教改思路等幾個(gè)方面，介紹我?！半娐吩怼钡恼n程改革。希望能夠拋磚引玉，為推動(dòng)我國高校“電路原理”課程改革，提高基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而提高電氣信息類學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量貢獻(xiàn)綿薄之力。

1 “電路原理”課程為什么要改革?

“電路原理”課程講授的主要分析方法和由此構(gòu)成的經(jīng)典電路理論完善于上世紀(jì)中葉，迄今為止沒有發(fā)生重大變革。現(xiàn)代電路理論則更多關(guān)注非線性電阻電路和動(dòng)態(tài)電路、時(shí)變電路的分析方法、電路設(shè)計(jì)與綜合方法和大規(guī)模或超大規(guī)模電路的計(jì)算機(jī)分析方法等方面。這些研究成果往往成為研究生階段電路課程的教學(xué)內(nèi)容。因此，“電路原理”課程講授的基本模型、基本概念、基本分析方法均較五十年前沒有發(fā)生重大改變，以“分析理想模型構(gòu)成的電路”為主體的電路理論的基本框架沒有改變。“電路學(xué)”依然具有完美的理論體系。

但對于“電路原理”課程的教學(xué)來說，亟待進(jìn)行深層次的改革，理由如下:

(1)正是由于傳統(tǒng)的“電路原理”課程始終沉湎于“分析理想模型構(gòu)成的電路”，使得學(xué)生缺乏從實(shí)際元件到電路模型的建模觀點(diǎn)。教師的授課一直在理想元件R、L(M)、C和受控源里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)僅僅限于完成列方程求解由理想元件構(gòu)成的電路習(xí)題，與分析實(shí)際電路有較大脫節(jié)。

(2)過去的五十年來，電力、電子、計(jì)算機(jī)等學(xué)科和產(chǎn)業(yè)均取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，構(gòu)成各種實(shí)際功能電路的要素發(fā)生了重大改變，多端元件和集成電路已經(jīng)成為構(gòu)建實(shí)際功能電路的主角。我們不應(yīng)對這一學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的重大變革熟視無睹。

(3)電路本身是用來進(jìn)行能量處理和信號處理的。在廣義電氣工程學(xué)科發(fā)展的早期，電路在能量處理和信號處理兩方面的應(yīng)用涇渭分明，因此也就有了俗稱的“強(qiáng)電”和“弱電”這一劃分。而隨著IT技術(shù)和智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，二者的分界正變得越來越模糊，信號處理電路的能量管理(比如CPU供電電路)和能量處理電路的信號管理(比如電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化)正成為電類相關(guān)學(xué)科和相應(yīng)產(chǎn)業(yè)研究的重點(diǎn)。但“電路原理”課程依然按照舊有的劃分模式，在“強(qiáng)電”類“電路理論基礎(chǔ)”課中列舉電力系統(tǒng)的實(shí)例，在“弱電”類“電路分析基礎(chǔ)”課中提供信息系統(tǒng)的實(shí)例。這顯然會造成學(xué)生認(rèn)識上的偏差，不利于學(xué)生成長。

(4)我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略舉措，對電氣信息類人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高要求，“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”就是其中之一。傳統(tǒng)的“電路原理”課程主要要求學(xué)生熟練掌握節(jié)點(diǎn)法、戴維南定理、三要素法、相量法等分析方法。對于卓越工程師的培養(yǎng)要求來說，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。學(xué)生需要從第一門工程類課程開始就見識到實(shí)際工程中使用的電路。而“電路原理”課程教學(xué)的現(xiàn)狀是:電路分析方法與實(shí)際電路存在嚴(yán)重的脫節(jié)，相當(dāng)多學(xué)生在學(xué)完電路課程后，面對實(shí)際電路往往無法有效使用電路分析方法。

(5)隨著學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了越來越多的知識。再加上大學(xué)本科學(xué)制不可能延長。這就使得知識下沉成為必然。人類的科技進(jìn)步史基本上等同于知識下沉史。牛頓的經(jīng)典著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》有幾百頁，但當(dāng)前大多數(shù)大學(xué)物理教科書僅用不到十頁就介紹了相同的內(nèi)容。如果始終墨守成規(guī)，不將一些原本屬于專業(yè)課的知識下沉到基礎(chǔ)課，勢必使知識爆炸和學(xué)時(shí)有限之間的矛盾成為死結(jié)。

正是由于上述原因，在我國積極推行“電路原理”課程改革已經(jīng)刻不容緩。我們不應(yīng)該把電路課程理解為物理電學(xué)的“加強(qiáng)版”，更不愿看到教師用培養(yǎng)科學(xué)家的心態(tài)去講授“電路原理”課程――講定義、證定理、舉例題，學(xué)生用曾經(jīng)行之有效的方法來學(xué)習(xí)“電路原理”課程――盲目追求正確列出方程并正確求解習(xí)題，通過反復(fù)做大量電路習(xí)題獲得高分。這與當(dāng)下“電路原理”課程應(yīng)該承擔(dān)的使命有較大差距［2-3]。

與之形成鮮明對比的是，美國高校的“電路原理”課程已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合。例如MIT、Stanford、Michigan、UC Berkeley等EE和CS名校的“電路原理”課程均具有鮮明的時(shí)代特征［4-5]，并已涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的教材［6-8]。歐洲的情況類似［2]。

“電路原理”是學(xué)生接觸的第一門工程類課程。我們認(rèn)為，讓學(xué)生建立適當(dāng)?shù)墓こ谈拍羁赡鼙仁炀毷褂霉?jié)點(diǎn)法還重要。這里所論及的工程概念，包括學(xué)生應(yīng)該了解當(dāng)代電氣工程領(lǐng)域中被廣泛使用的元件，接觸并學(xué)會分析若干典型工程實(shí)例，熟悉常見工程元件的建模過程，掌握電路的工程化直覺求解方法，嘗試電路設(shè)計(jì)時(shí)所需的一些工程化考慮(諸如靈敏度、可靠性、成本等)。當(dāng)前的“電路原理”課程如果不進(jìn)行深層次的變革，顯然不可能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。要想使得“電路原理”課程成為一門稱職的電氣信息類卓越工程師培養(yǎng)的核心課，難度甚大、任重道遠(yuǎn)。

2 “電路原理”課程改革的理念

結(jié)合上述考慮，自2004年起至今，我們在“電路原理”課程中進(jìn)行了較為深入的教學(xué)改革，在有關(guān)“教什么”和“如何教”這兩個(gè)關(guān)鍵問題上，逐漸形成了適合國情的、有一定特色的“”電路原理“”課程改革的基本理念?，F(xiàn)分述如下。

1)要讓學(xué)生在“電路原理”課程中接觸當(dāng)代電路最常用的基本元件，學(xué)會利用各種方法分析包含這些基本元件的電路。要做到這一點(diǎn)，必須突破傳統(tǒng)的只講二端理想元件的局限性，講授有源三端元件和多端元件。這樣才能賦予“電路原理”課程應(yīng)有的時(shí)代感。

2)要帶領(lǐng)學(xué)生熟悉從實(shí)際元件到其理想模型的建模過程，掌握元件建模的一些基本思想。要做到這一點(diǎn)，必須突破傳統(tǒng)的只講理想模型的局限性，讓學(xué)生了解同一實(shí)際元件在不同工程背景下，需要建立不同的模型。這樣才能使得“電路原理”課程具備工程特點(diǎn)。

3)通過大量(經(jīng)適度簡化的)工程實(shí)例，幫助學(xué)生加深對電路基本概念和分析方法的理解。要做到這一點(diǎn)，必須突破傳統(tǒng)的只講授人為編制的電路例題的局限性，讓學(xué)生用電路分析方法分析實(shí)際電路。這樣才能更深刻地掌握“電路原理”的核心內(nèi)容。

4)讓學(xué)生對電路能量處理和信號處理兩方面的功能均有所了解。要做到這一點(diǎn)，必須在基本概念講授和例題選擇上突破傳統(tǒng)的強(qiáng)電和弱電相互獨(dú)立的局面，兼顧能量和信號處理，兼顧模擬和數(shù)字系統(tǒng)等。這樣才有利于培養(yǎng)出能夠進(jìn)行學(xué)科交叉的拔尖創(chuàng)新人才。

5)引導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)“電路原理”課程的基本內(nèi)容(元件、概念、方法和觀點(diǎn))，初步形成獨(dú)立思考、勇于質(zhì)疑的學(xué)習(xí)態(tài)度，養(yǎng)成習(xí)慣創(chuàng)新、喜歡創(chuàng)新的治學(xué)精神。要做到這一點(diǎn)，必須突破傳統(tǒng)的“知識傳授”型的教學(xué)方法，將教學(xué)過程逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行“知識發(fā)現(xiàn)”的過程。這樣才能讓學(xué)生逐步擁有創(chuàng)新的意識和動(dòng)力。

下面從教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和環(huán)境幾個(gè)方面來討論如何實(shí)現(xiàn)上述理念。

3 “電路原理”課程改革的實(shí)踐

教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和環(huán)境等幾個(gè)教學(xué)要素之間的關(guān)系，類似于拍攝影視劇的各個(gè)環(huán)節(jié)。教學(xué)內(nèi)容的確定及其結(jié)構(gòu)和順序的安排，相當(dāng)于編劇或劇本。劇本是一劇之本。教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成了整個(gè)課程的靈魂。教學(xué)方法的實(shí)施對應(yīng)著導(dǎo)演和演員之間的互動(dòng)。課上得好不好，教學(xué)內(nèi)容是否能夠有效地啟發(fā)給學(xué)生，取決于采用的教學(xué)方法是否得當(dāng)。教學(xué)手段相當(dāng)于攝像、音像、燈光等劇務(wù)人員的工作。光有好的故事，不一定能夠打動(dòng)人，IMAX、3D技術(shù)的應(yīng)用，就相當(dāng)于先進(jìn)教學(xué)手段的功能。而教學(xué)環(huán)境相當(dāng)于市場運(yùn)作和電視播放。學(xué)生在課堂內(nèi)的時(shí)間畢竟有限，如何為學(xué)生提供全方位的學(xué)習(xí)素材，使其將更多課外時(shí)間用于學(xué)習(xí)相應(yīng)知識，需要完善的教學(xué)環(huán)境做保障。

3.1 教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容為課程之根本。前述的教學(xué)理念要通過教學(xué)內(nèi)容的變革來實(shí)現(xiàn)。

我們認(rèn)為，以電阻電路分析、動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析、正弦激勵(lì)下動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析這三大部分構(gòu)成的“電路原理”課程的基本框架仍應(yīng)保持不變。而需要變革的，是知識點(diǎn)的組織方式、新元件新方法的講授、例子的選取等方面［9]。下面分5個(gè)部分來說明。

(1)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)及其典型電路完整、有機(jī)地融入“電路原理”課程［10]。三端有源器件有很多，選擇MOSFET在“電路原理”課程中講授的原因，在于它已被廣泛地使用于當(dāng)代模擬集成電路、數(shù)字集成電路、電力電子電路以及高頻電路之中。我們在講授壓控電流源時(shí)就以MOSFET為載體;隨即在電阻電路部分講授其構(gòu)成的邏輯門電路;在非線性電阻電路部分講授其構(gòu)成的整流電路和模擬信號放大器;在動(dòng)態(tài)電路部分引入其寄生電容，講授寄生電容引起的傳輸延遲，講授降壓斬波和升壓斬波電路;在正弦穩(wěn)態(tài)部分討論寄生電容引起的模擬系統(tǒng)的頻率特性，等等。

從這種循序漸進(jìn)的內(nèi)容安排可以看出，MOSFET的開關(guān)—電阻模型、開關(guān)—受控源模型和寄生電容模型均被完整引入“電路原理”課程;關(guān)于MOSFET的難點(diǎn)是分階段引入課程的，學(xué)生容易接受;MOSFET很好地成為了受控源、寄生參數(shù)、分段線性法、小信號法、三要素法、頻率響應(yīng)等電路基本概念和分析方法的實(shí)例，既從不同側(cè)面完整地介紹了MOSFET，更使得上述重要概念和方法找到了鮮活的載體;將“電路原理”課程與當(dāng)代實(shí)際電路建立起緊密聯(lián)系，有利于開展研究型教學(xué);打開了通往模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、高頻電路等課程的窗口，使得學(xué)生興趣盎然，對“電路原理”和相關(guān)課程的渴望度明顯提高。

(2)運(yùn)算放大器(Op Amp)及其典型電路完整、有機(jī)地融入“電路原理”課程。之所以引入運(yùn)放，最主要的考慮在于讓學(xué)生熟悉從分立元件，到模塊化電路，再到集成電路的電路抽象觀點(diǎn)，讓學(xué)生敢于分析僅了解端口u-i特性的模塊化電路。具體來說，運(yùn)放成為壓控電壓源的工程實(shí)例，負(fù)反饋運(yùn)放電路有效地訓(xùn)練了學(xué)生運(yùn)用KCL和KVL分析抽象電路的能力，關(guān)于何時(shí)“虛短”不成立的討論有利于分段線性方法的講授，微分器、積分器和正反饋運(yùn)放電路構(gòu)成的脈沖序列發(fā)生器是一階電路分析的良好載體，運(yùn)放電路構(gòu)成的低通、高通電路為濾波器和頻率特性的講授提供了鮮活實(shí)例……。

(3)大量引入工程實(shí)例以加深學(xué)生對電路基本概念和分析方法的掌握。在于歆杰、朱桂萍、陸文娟編著的《電路原理》主教材中包括了70個(gè)工程實(shí)例，在朱桂萍、于歆杰、陸文娟、劉秀成編著的《電路原理導(dǎo)學(xué)導(dǎo)教及習(xí)題解答》中提供了更多工程性鮮明的例子。這些實(shí)例包括:無線通信系統(tǒng)的基本要素、含高壓直流的交流電力系統(tǒng)的基本要素、電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、半波和全波整流電路、限幅電路、嵌位電路、穩(wěn)壓電路、混頻電路、倍頻電路、各種代數(shù)運(yùn)算電路和微分積分電路、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、示波器探頭分壓電路、檢波電路、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)、交流電橋、各種濾波器、石英晶體振蕩器、收音機(jī)RLC帶通濾波器、單調(diào)諧和雙調(diào)諧電力濾波器、通信網(wǎng)絡(luò)用戶終端二－四線轉(zhuǎn)換電路、脈沖功率電路、移相器、三相相序儀…等。可以看出，這些工程實(shí)例緊密結(jié)合“電路原理”課程的基本知識點(diǎn)，兼顧數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)，兼顧能量處理和信號處理，相對傳統(tǒng)電路教材而言，比較充分地體現(xiàn)了電路在信號處理方面的工程應(yīng)用。

(4)教學(xué)內(nèi)容盡可能充分體現(xiàn)電路能量處理和信號處理兩方面的功能。從上述實(shí)例中即可以看出這一特點(diǎn)。此外，在線性電阻電路分析部分，我們還利用分壓器、分流器、戴維南定理和諾頓定理等知識，完整地討論了電壓/電流信號處理電路對輸入輸出電阻的要求，并用運(yùn)放構(gòu)成的功能電路加以檢驗(yàn);在非線性電阻電路部分，進(jìn)一步用MOSFET構(gòu)成的模擬信號放大器進(jìn)行討論。在正弦穩(wěn)態(tài)分析部分，我們始終堅(jiān)持講授無功功率和三相電路。這些都是踐行電路能量處理和信號處理雙重功能的重要舉措。

(5)以系統(tǒng)的觀點(diǎn)安排“電路原理”課程的知識點(diǎn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，將知識點(diǎn)的講授建立在更高層次之上。具體的措施有:較早地引入二端口的概念并貫穿全書，有利于建立學(xué)生的抽象觀點(diǎn)［11];較早地引入MOSFET和運(yùn)放并使其貫穿全書，有利于分散相應(yīng)知識點(diǎn)的難度和講解工程實(shí)例;在非線性電阻電路部分突出強(qiáng)調(diào)分段線性法和小信號法，有利于學(xué)生掌握實(shí)用的工程分析方法;在動(dòng)態(tài)電路部分將全響應(yīng)的分解與單位沖激響應(yīng)后移，有利于分散難度并將相關(guān)知識點(diǎn)集中處理;在正弦穩(wěn)態(tài)部分按照電路信號處理和能量處理這兩大應(yīng)用安排頻率響應(yīng)、諧振、互感、功率、三相電路等內(nèi)容，有利于學(xué)生對電路在這兩個(gè)方面的應(yīng)用有比較完整的認(rèn)識。

3.2 教學(xué)方法改革

本文并非專門針對教學(xué)方法，因此這里僅列舉一些我們采取的舉措。

(1)見縫插針地進(jìn)行研究型教學(xué)［12]。研究型教學(xué)是培養(yǎng)卓越工程師和拔尖創(chuàng)新人才的必然方法。我們認(rèn)為，拔尖創(chuàng)新人才和卓越工程師絕不僅僅是概念和公式的熟練使用者，而更應(yīng)該是概念和公式的創(chuàng)造者。為了讓學(xué)生熟悉創(chuàng)造概念和公式的過程，我們在“電路原理”課程的教學(xué)實(shí)踐中，盡可能選取一些典型素材，與學(xué)生共同重溫相關(guān)知識的發(fā)現(xiàn)過程。舉例來說，我們并不直接敘述戴維南定理、證明并舉例應(yīng)用之，而是從總結(jié)各種已經(jīng)學(xué)過的二端元件和二端網(wǎng)絡(luò)(電壓源、電流源、正電阻、負(fù)電阻、開路、短路)的u-i平面特性出發(fā)，讓學(xué)生自己歸納并提煉出一般化的線性二端網(wǎng)絡(luò)在u-i平面上應(yīng)具備的特性。當(dāng)學(xué)生用并不準(zhǔn)確的語言說出類似于“電源和電阻”的話時(shí)，我們會給予學(xué)生鼓勵(lì):“早生100多年，戴維南定理就以你的名字命名了”。這樣講授戴維南定理，可能比直接陳述它需要更多的時(shí)間，但對學(xué)生歸納能力、創(chuàng)新精神的訓(xùn)練，是后者不可比擬的。

(2)強(qiáng)調(diào)大方法，弱化小技巧。電路求解存在一些技巧，這些技巧很容易讓學(xué)生著迷，因?yàn)閷W(xué)生在高中階段已經(jīng)太習(xí)慣于做技巧性的“思維體操”了。我們在“電路原理”課程中，有意識地重點(diǎn)講授一般性的方法，而有意避免使學(xué)生死摳解題技巧。比如在二階電路求解中，任一支路量二階方程的列寫和一階導(dǎo)數(shù)初值的獲得是需要一定技巧性的;在狀態(tài)方程的列寫中，非狀態(tài)變量的消去是需要一定技巧性的。我們將這兩個(gè)部分整合起來，利用狀態(tài)方程和輸出方程的一般性列寫方法很好地實(shí)現(xiàn)了二端動(dòng)態(tài)電路中任一支路量的一般性求解［13]。另一方面，適當(dāng)降低了對需要熟練應(yīng)用互易定理、替代定理或特勒根定理方能求解的方框題的要求。除此之外，我們在一階和二階電路求解過程中強(qiáng)調(diào)定性畫波形圖，這也是弱化列方程求解，強(qiáng)調(diào)工程需求的一項(xiàng)有益舉措。

(3)講授元件的建模絕不僅僅是敘述模型并應(yīng)用之。我們非常強(qiáng)調(diào)比較同一元件不同模型的特點(diǎn)，讓學(xué)生自我總結(jié)哪個(gè)模型適用于哪種場合，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到模型并非越精確越好，而是越適合越好。以二極管為例，我們共講授了非線性指數(shù)模型、短路—開路模型、電壓源—開路模型、電阻—開路模型、電壓源+電阻—開路模型，并且用幾個(gè)不同的例子讓學(xué)生自己選擇適合的模型。

(4)教學(xué)過程中適當(dāng)引入設(shè)計(jì)元素，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其工程意識。課堂講授二端口等效電路部分時(shí)，我們并沒有正向證明某個(gè)等效電路的參數(shù)方程符合其對應(yīng)的參數(shù)。而是反過來，讓學(xué)生根據(jù)二端口參數(shù)的KCL和KVL方程的特點(diǎn)自己設(shè)計(jì)出符合方程的等效電路。在學(xué)生設(shè)計(jì)完成含有兩個(gè)受控源的等效電路后，我們會問學(xué)生，是否能夠?qū)崿F(xiàn)含有一個(gè)受控源的等效電路(因?yàn)檫@樣成本會明顯降低)，繼而會再問學(xué)生是否能夠?qū)崿F(xiàn)不含有受控源的等效電路。采用這樣的方法，學(xué)生的主動(dòng)研究意識被完全激發(fā)出來，師生之間的互動(dòng)非常充分。再比如在課后作業(yè)中，我們也會要求學(xué)生用MOSFET實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能的組合電路，自行設(shè)計(jì)測量不同品質(zhì)因數(shù)電感線圈的交流電橋……。

3.3 教學(xué)手段和教學(xué)環(huán)境改革

通過前面的討論可以看出，我們在“電路原理”課程中并沒有放松對電路核心體系和知識點(diǎn)的要求，同時(shí)引入了現(xiàn)代元件和工程實(shí)例，采用了研究型教學(xué)方法促進(jìn)師生互動(dòng)。這里就出現(xiàn)了關(guān)于教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)之間的矛盾。從教學(xué)內(nèi)容的選擇和教學(xué)方法的實(shí)施來講，一方面，并非所有工程實(shí)例都需要在課堂中加以討論，學(xué)生的學(xué)習(xí)志趣被激發(fā)出來后，會主動(dòng)閱讀相關(guān)內(nèi)容;另一方面，工程實(shí)例的引入可以在相當(dāng)程度上替代原先的“人造”習(xí)題。但是為更好地解決這一矛盾，還需要借助先進(jìn)的教學(xué)手段和完善、配套的教學(xué)環(huán)境。

在教學(xué)手段方面，我們普遍采用了帶動(dòng)畫的多媒體電子課件，讓課件中內(nèi)容的出現(xiàn)與教師的授課進(jìn)度同步。這樣既可以省去寫黑板的時(shí)間，也可以避免后續(xù)內(nèi)容過早出現(xiàn)而分散學(xué)生的注意力。為了讓學(xué)生能夠從抄寫黑板中解脫出來，積極參與到研究型教學(xué)的師生交互中來，我們在課前印發(fā)了電子課件的打印稿。該打印稿與實(shí)際授課課件基本相同。我們在授課各環(huán)節(jié)中嵌入數(shù)值仿真:幾乎每次大課都會有課上仿真，學(xué)生的課后作業(yè)有時(shí)需要與其仿真結(jié)果比對，學(xué)期中專門布置3次比較大的仿真作業(yè)。為了進(jìn)一步強(qiáng)化工程觀點(diǎn)，我們與清華大學(xué)科教儀器廠聯(lián)合研制了電路原理移動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱包括電源、信號發(fā)生、采集與輸出裝置、面包板和功能電路板，其便攜性好，產(chǎn)生和采集的信號可方便地在教室中投影顯示。為配合“電路原理”課程的教學(xué)改革，我們研制了10塊功能電路板，設(shè)計(jì)了20多個(gè)實(shí)驗(yàn)，覆蓋了整個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容。幾乎每次大課都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，深受學(xué)生好評。理論分析、數(shù)值仿真和物理實(shí)驗(yàn)是開展科研工作和學(xué)習(xí)“電路原理”課程不可或缺的3種手段。這3種手段相互印證，彼此之間的差異又很好地成為研究型教學(xué)的切入點(diǎn)。

我們在教學(xué)環(huán)境建設(shè)方面采取的改革措施，可以從教材建設(shè)和教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)兩個(gè)方面來說明。

清華電路原理教學(xué)組提供的電路原理系列教材如下:

(1)于歆杰等著，《電路原理》，清華大學(xué)出版社，2007。主教材，適用于“電路分析基礎(chǔ)”。

(2)劉秀成等著，《電路原理電子課件》，清華大學(xué)出版社，2008。課件。

(3)江緝光等著，《電路原理(第二版)》，清華大學(xué)出版社，2007。主教材，適用于“電路理論基礎(chǔ)”。

(4)劉秀成等著，《電路原理第二版電子課件》，清華大學(xué)出版社，2008，課件。

(5)于歆杰等譯，《模擬和數(shù)字電子電路基礎(chǔ)》(Agarwal等著)，清華大學(xué)出版社，2008。美國MIT電路教材中譯本，參考書。

(6)趙偉等譯，《電工理論基礎(chǔ)》(捷米爾強(qiáng)等著)，高等教育出版社，2011。俄羅斯精品電路教材中譯本，參考書。

(7)于歆杰等選譯，《電路基礎(chǔ)(第3版)》(Alexander等著)，清華大學(xué)出版社，2008。美國流行電路教材，雙語教學(xué)用教材。

(8)朱桂萍等著，《電路原理導(dǎo)學(xué)導(dǎo)教及習(xí)題解答》，清華大學(xué)出版社，2009。教學(xué)指導(dǎo)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

(9)徐福媛等著，《電路原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集》，清華大學(xué)出版社，2005。課后習(xí)題集。

(10)王樹民等著，《電路原理試題選編(第二版)》，清華大學(xué)出版社，2008?？佳休o導(dǎo)用書。

可以看出，我們?yōu)閷W(xué)生盡可能提供了全方位、多角度的教材和教輔體系。

為了更好地為學(xué)生提供課外指導(dǎo)，我們以國家級精品課建設(shè)為契機(jī)，設(shè)計(jì)制作了功能較大、方便實(shí)用的“電路原理”課程教學(xué)網(wǎng)站(http://circuits.eea.tsinghua.edu.cn/pec/)。網(wǎng)站除了包含教師授課所需的課件上載、作業(yè)布置、信息發(fā)布等定制功能外，提供的對外開放內(nèi)容如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)課程—“電路理論基礎(chǔ)”和“電路分析基礎(chǔ)”兩種類型課程的完整遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)資源。包括教學(xué)大綱、重點(diǎn)難點(diǎn)、電子課件、要點(diǎn)講解、自測習(xí)題。其中值得一提的是電子課件和要點(diǎn)講解。電子課件完全按照教師授課的進(jìn)度來播放，便于學(xué)生自學(xué)。要點(diǎn)講解采用Flash形式，在較短時(shí)間內(nèi)可幫助學(xué)生復(fù)習(xí)“電路原理”課程的核心內(nèi)容。

(2)講課錄像—包括我校電路課程的全程錄像，采用3分屏方式。左上角為對教師的錄像，左下角為跳轉(zhuǎn)鏈接，主體為授課多媒體課件。這種方式較好地解決了傳統(tǒng)錄像中教師和課件不可能都清楚的矛盾，主體突出，聲像兼?zhèn)?。除發(fā)布于“電路原理”課程教學(xué)網(wǎng)站外，該錄像已在國內(nèi)主流視頻網(wǎng)站(優(yōu)酷、土豆和pplive)上公開。上載半年來，總訪問量接近6萬人次。

(3)學(xué)習(xí)資料—包括對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行豐富和補(bǔ)充的各種課外讀物。既有本教學(xué)組完成的教學(xué)研究成果論文，也有從別處獲取的有益資料。更為重要的是，其中包括我們錄制的多種仿真軟件的Flash使用指導(dǎo)。這樣就不必在課堂上專門講授仿真軟件的使用，或者下發(fā)成冊的使用指南。學(xué)生對此反映很好。

(4)師資隊(duì)伍—包括教學(xué)組老師的照片和個(gè)人簡歷。

(5)教材建設(shè)—包括前述各教材的簡介。

上述教學(xué)環(huán)境為校內(nèi)外學(xué)生提供了課前預(yù)習(xí)、課內(nèi)講授、課后復(fù)習(xí)、課外鉆研的完整學(xué)習(xí)平臺。

4 “電路原理”課程改革的效果

我?！半娐吩怼闭n程的教學(xué)改革從2004年起經(jīng)小班試點(diǎn)，自2007年起在64學(xué)時(shí)課程(電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、生醫(yī)等專業(yè))中全面鋪開，迄今授課人數(shù)已超過4000人。

一門課程教學(xué)改革的理念再先進(jìn)、措施再完善，如果得不到受眾的認(rèn)可，不能為學(xué)生的成長起到更好的作用，則所有工作都是教師在自娛自樂。我們高度重視學(xué)生反饋，每年既認(rèn)真分析學(xué)校組織的學(xué)生評教，更自己設(shè)計(jì)調(diào)查問卷了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，還與后續(xù)課程教師聯(lián)合進(jìn)行學(xué)習(xí)效果調(diào)研。

我校每學(xué)期結(jié)束之前，都會讓學(xué)生評價(jià)本學(xué)期授課教師的情況，稱之為學(xué)生評教。在實(shí)施新教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和環(huán)境后，我們電路原理教學(xué)組教師的評教分?jǐn)?shù)平均提高了2分，多年來一直高于全校平均分3分多，出現(xiàn)過多次全校前5%的案例，數(shù)次獲得北京市青年教師教學(xué)基本功比賽一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、清華大學(xué)青年教師教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)、“清韻燭光”杯我最喜愛的教師稱號等。這些說明，學(xué)生對改革后的“電路原理”課程的授課效果是高度滿意的。

每學(xué)期期末的“電路原理”課程調(diào)查問卷，包括學(xué)生最感興趣的知識點(diǎn)、最不感興趣的知識點(diǎn)、最難的知識點(diǎn)、能聽懂課堂講授內(nèi)容的百分比、仿真對學(xué)習(xí)是否有幫助及課堂演示實(shí)驗(yàn)對教學(xué)是否有幫助，教學(xué)網(wǎng)站對教學(xué)是否有幫助，等等。前述的MOSFET和運(yùn)放往往成為很多學(xué)生最感興趣的知識點(diǎn)，學(xué)生對促進(jìn)工程教育的各種手段和教學(xué)組提供的豐富多彩的教學(xué)環(huán)境也給予了很高的評價(jià)。

2011年春季學(xué)期“電路原理”課程結(jié)束后，我們在秋季學(xué)期數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程一開學(xué)時(shí)，就學(xué)生對MOSFET的記憶程度進(jìn)行了調(diào)研。經(jīng)過一個(gè)暑假后，89%的學(xué)生能夠記得MOSFET的幾種工作狀態(tài);26%的學(xué)生能完全答對幾種狀態(tài)的條件，29%的學(xué)生能基本回答正確;27%的學(xué)生能夠基本正確地畫出MOSFET構(gòu)成的反相器電路。這說明在MOSFET元件已被成功地融入“電路原理”課程。

在全國范圍內(nèi)，我們在2005年和2009年電子電氣課程報(bào)告論壇、2004年和2008年電路、信號系統(tǒng)和電磁場教學(xué)與教材研究會年會均發(fā)表了主旨報(bào)告，承辦了2008年電路、信號系統(tǒng)和電磁場教學(xué)與教材研究會年會和2009年北京地區(qū)電路課程改革研討會，撰寫了近30篇相關(guān)的教學(xué)改革論文，把引入現(xiàn)代電路元件、工程實(shí)例、研究型教學(xué)方法、現(xiàn)代化教學(xué)手段、完整的教學(xué)環(huán)境等改革的想法和做法與國內(nèi)電路課程同仁進(jìn)行交流，得到了較多鼓勵(lì)與認(rèn)同。東南大學(xué)高等理工實(shí)驗(yàn)班、浙江大學(xué)竺可楨學(xué)院愛迪生班、清華大學(xué)電子工程系教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)班，均為近期涌現(xiàn)出的志同道合者。

5 討論和未來教改的思路

在“電路原理”課程教學(xué)改革的過程中，我們自己也曾有過很多困惑，解決這些困惑過程中也進(jìn)行了一些思考并逐漸積累了一些經(jīng)驗(yàn)。在這里，愿意與讀者共同分享。下面分別從4個(gè)方面陳述當(dāng)初面臨的困惑并進(jìn)行討論。

(1)有的教師說，學(xué)生不可能在“電路原理”課程中正確掌握MOSFET和運(yùn)放，而且這兩部分內(nèi)容與后續(xù)模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、高頻電路課程重復(fù)，浪費(fèi)學(xué)時(shí)，得不償失。

先說說關(guān)于“正確”的看法。首先，關(guān)于“正確”二字的理解是分層次的。舉例來說，學(xué)生在初中、高中、大學(xué)都要學(xué)牛頓定律。我們并未就此認(rèn)為學(xué)生在初中不可能正確掌握牛頓定律，就索性放到大學(xué)再學(xué)好了。其次，沒有電動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和固體物理的知識，即使是在后續(xù)3門電子技術(shù)課程中，也不可能“完全正確”地講授MOSFET和運(yùn)放，但這些課程并沒有要求學(xué)生必須具備這些先修知識才能學(xué)MOSFET和運(yùn)放。再次，“電路原理”課程最大的魅力在于只需要獲得各個(gè)元件的u-i特性和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以求解出各支路量的過渡過程解和穩(wěn)態(tài)解。講授MOSFET和運(yùn)放的外特性(而不是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理)并將其作為電路分析方法的應(yīng)用實(shí)例，恰為我們電路教學(xué)改革的精華之處。學(xué)生今后面對各種新誕生的元件，將不會有生疏感和恐懼感。只有講透了這一點(diǎn)，“電路原理”課程才真正講到位了。

關(guān)于“重復(fù)”，前面已經(jīng)有部分的涉及。這里再做一點(diǎn)討論，即對于比較重要或者比較復(fù)雜的元件、概念或方法，在不同課程、從不同角度進(jìn)行闡述，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生真正掌握。否則，麥克斯韋方程怎么可能在大學(xué)物理電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)(或電磁場與電磁波)、電磁場數(shù)值計(jì)算等課程中反復(fù)出現(xiàn)呢?此外，正是由于完整有機(jī)地融入MOSFET和運(yùn)放，才激發(fā)起學(xué)生對“電路原理”課程學(xué)習(xí)的濃厚興趣。學(xué)生的鉆研精神和自我學(xué)習(xí)意識日益增強(qiáng)，對后續(xù)課程的渴望也大大提高，為后續(xù)課程做了很好的鋪墊和準(zhǔn)備。

(2)有的教師說，MOSFET和運(yùn)放本質(zhì)上講不屬于電路理論中的基本元件，從電路理論來講，是可有可無的東西，“電路原理”課程講它們是畫蛇添足。我們的看法是，“電路原理”課程和電路理論還是有區(qū)別的。線性電路理論是完備的、優(yōu)美的體系，不需要任何實(shí)際元件。但學(xué)生在學(xué)習(xí)“電路原理”課程的時(shí)候，對很多概念(比如受控源和雜散參數(shù))難以正確理解。引入MOSFET和運(yùn)放，使得這些抽象的概念有了鮮活的載體。學(xué)生會認(rèn)識到電路模型是由實(shí)際元件的建模需求而產(chǎn)生的，而不是“電路學(xué)家們”挖空心思閉門造出來的。這對于電路基本概念的理解有著莫大的好處。

(3)有的教師說，“電路原理”課程的主要教學(xué)內(nèi)容是電路分析方法，引入工程實(shí)例會分散學(xué)生的注意力，削弱學(xué)生對“電路原理”課程核心內(nèi)容的掌握。前面已經(jīng)討論過，戴維南定理和節(jié)點(diǎn)法等電路核心分析方法的最大魅力，其實(shí)不在于能夠求解出繁難或者需要相當(dāng)技巧的電路題，而在于能夠用其方便地分析各種實(shí)際電路。從這個(gè)意義上說，合理引入工程實(shí)例是把虛擬世界(電路理論)中的電路分析方法拉到真實(shí)世界中，是將電路課程上“活”了。如此這般，恰恰能讓學(xué)生對核心分析方法的強(qiáng)大有更深刻而具體的認(rèn)識，有助于其真正掌握這些方法。

(4)如何處理“電路原理”與后續(xù)幾門電子類課程內(nèi)容的銜接。筆者在這里還沒有很完善的解決方案，需要與后續(xù)課程教師進(jìn)一步深入討論。但我們想，一方面，在當(dāng)前我們“電路原理”課程教學(xué)改革實(shí)踐中，引入了MOSFET構(gòu)成的門電路、放大器，運(yùn)放構(gòu)成的代數(shù)運(yùn)算電路和微分積分電路，MOSFET構(gòu)成的整流器和升壓降壓斬波器，而且完全是從電路分析的視角對這些電路進(jìn)行分析。這種處理對后續(xù)課程可能帶來的重復(fù)很少。另一方面，模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和高頻電路等近年來都得到了飛速發(fā)展，將其中的一些基本內(nèi)容下沉至“電路原理”這樣的技術(shù)基礎(chǔ)課程中應(yīng)該有利于這些課程引入時(shí)代感更強(qiáng)的內(nèi)容。

相對于“電路原理”課程的教學(xué)理念來說，我們的教學(xué)改革實(shí)踐還遠(yuǎn)沒有完成。在未來的幾年里，我們計(jì)劃從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展課程教學(xué)改革。

(1)在“電路原理”課程教學(xué)內(nèi)容中正式將開關(guān)作為電路的基本模型，使其成為受控電阻的一個(gè)特例，與受控電源一起構(gòu)成受控元件，與獨(dú)立元件(獨(dú)立源和電阻等)并列出現(xiàn)。MOSFET(開關(guān)—電阻模型)再次成為開關(guān)這一模型的鮮活載體。將開關(guān)作為電路基本元件有利于更好地闡述開關(guān)在能量處理和信號處理電路中所發(fā)揮的巨大作用。

(2)在教學(xué)方法中嘗試以小班形式采用PLB(Project Based Learning)或CDIO(Conceive Design Implement Operation)模式授課。計(jì)劃利用現(xiàn)有完善的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生通過課外自學(xué)和觀看授課錄像為主的方式來學(xué)習(xí)“電路原理”課程的基本概念和方法。課堂中圍繞盡可能逼真的工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、分析、研制和展示過程，以促進(jìn)學(xué)生加深對“電路原理”課程基本知識的理解。(3)在教學(xué)手段中引入便于學(xué)生在宿舍或教室借助筆記本或臺式計(jì)算機(jī)即可完成電路調(diào)試的裝置(如NI公司的MyDAQ)，在教師演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，使得理論分析、數(shù)值仿真、物理實(shí)驗(yàn)這3大研究手段在“電路原理”課程中更為均衡，成為學(xué)生學(xué)習(xí)“電路原理”課程的有效工具。這從另一個(gè)方面也對學(xué)生進(jìn)行了科研訓(xùn)練。我們深知，“電路原理”課程很重要，講授好“電路原理”課程很榮耀，為上好“電路原理”課程多付出很需要。改革的道路仍然十分艱辛和漫長，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索!

［1] 教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.電子電氣課程基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求［M] .北京:高等教育出版社，2011

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