在電路分析教學(xué)中引入Matlab軟件

黃勇剛 翁 凱 王小云 孫 晶

1.吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000；

2.吉首大學(xué)宣傳部，湖南 吉首 416000

1 引入應(yīng)用軟件教學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義

電路分析基礎(chǔ)是電子信息、通信工程和電子科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課，是后續(xù)的模擬電路、數(shù)子電路、信號與系統(tǒng)、電力電子等課程的基礎(chǔ)[1-3]。熟練掌握電路分析的基本理論、基本原理和方法不僅對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)起到非常重要的作用，而且為工作中解決實(shí)際問題提供了理論方法基礎(chǔ)。

課程的學(xué)習(xí)過程中大量地應(yīng)用到矩陣運(yùn)算、代數(shù)方程組的求解以及微分方程的求解、拉普拉斯變換和傅里葉變換、計(jì)算結(jié)果的繪圖等等，這些繁瑣的數(shù)學(xué)工作一方面極大的降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，對學(xué)生的自信心有一定的影響，極大的傷害了學(xué)生的情感，另外一方面，學(xué)生花費(fèi)大量的精力在數(shù)值求解工作上，導(dǎo)致課程的理論、原理和方法難以突出，不符合素質(zhì)教育的宗旨。

解決這一問題的方式多種多樣：（1）只要求學(xué)生根據(jù)原理列方程而不求解。這種方法只是對在學(xué)習(xí)電阻電路和正弦交流穩(wěn)態(tài)電路的原理和方法中有效，而在解決其它問題時具有局限性，更重要的是不能培養(yǎng)學(xué)生今后解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生所學(xué)的知識局限于紙上談兵；（2）引入數(shù)值計(jì)算軟件。這是一些發(fā)達(dá)國家中大學(xué)的教學(xué)和科研所采用的方式，在國內(nèi)，這一方面才剛剛起步4，大多數(shù)的學(xué)校都沒有專門開設(shè)數(shù)值計(jì)算軟件學(xué)習(xí)的課程，即使有少數(shù)的學(xué)校開設(shè)了，也往往是作為選修課在高年級學(xué)習(xí)，因此，在目前這種狀況下，作為大學(xué)一年級的專業(yè)基礎(chǔ)課老師，我們有責(zé)任也有義務(wù)主動的將數(shù)值計(jì)算軟件的學(xué)習(xí)融入到我們的教學(xué)過程中。

2 引入何種軟件

科學(xué)計(jì)算軟件Matlab是科學(xué)研究和應(yīng)用研究中必備的工具，應(yīng)用范圍非常廣泛。它具有高效的數(shù)值計(jì)算及符號計(jì)算功能，可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、實(shí)現(xiàn)算法、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等；具有友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，非常易于學(xué)習(xí)和掌握；具有功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等),為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具5。因此將Matlab引入到電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)中，不僅能使學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來，把注意力更多地集中在電路的理論、原理和方法中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，使學(xué)生更好地掌握電路分析的知識，還提高了學(xué)生學(xué)習(xí)以及處理實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力及探索科學(xué)與應(yīng)用的素質(zhì)。

3 如何快速高效地引入Matlab軟件

由于電路分析基礎(chǔ)課程的內(nèi)容非常多，包括電阻電路的分析，動態(tài)電路的時域分析和動態(tài)電路的向量分析和S域分析等，另一方面，Matlab由于功能強(qiáng)大，包含有大量的庫函數(shù)和工具箱，要全面的講解需要花費(fèi)大量的時間，在現(xiàn)有學(xué)時的基礎(chǔ)上，如何快速高效地將Matlab軟件引入到電路分析教學(xué)是一個很重要的研究課題。下面淺談一下作者在這方面的經(jīng)驗(yàn)，以起到拋磚引玉的作用：

（1）Matlab教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排。學(xué)時數(shù)控制在12個學(xué)時左右，其中Matlab界面及學(xué)習(xí)方法介紹，特別是幫助文檔的應(yīng)用等兩學(xué)時；Matlab矩陣操作及符號計(jì)算兩學(xué)時；Matlab作圖兩學(xué)時； Matlab編程基礎(chǔ)四學(xué)時；Matlab解常微分方程兩學(xué)時。

（2）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab的興趣。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab的熱情，建議在學(xué)完第二章網(wǎng)孔分析和節(jié)點(diǎn)分析之后開始引入Matlab教學(xué)。這樣安排主要是因?yàn)椋焊鶕?jù)人本主義心理學(xué)，學(xué)習(xí)只有符合學(xué)生自身的目的時才會有意義，盡管在前兩章教學(xué)內(nèi)容中，為了讓學(xué)生精力集中于方法和原理上以及不對該課程產(chǎn)生反感情緒和逆反情緒，我們可以讓學(xué)生只列方程而不求解，但是我們可以布置一道需要解三元或者四元一次方程組的作業(yè)題（最好是第三章第四節(jié)的R-2R梯形解碼器,如圖1所示，要求學(xué)生完成表1的內(nèi)容，這樣也激發(fā)了大家以后學(xué)好疊加方法做準(zhǔn)備），讓大家解出最后的結(jié)果，其目的是讓學(xué)生感受這樣一個小小的“挫折”，隨后我們用Matlab軟件演示該線性方程組的求解，這只需要輸入系數(shù)矩陣及應(yīng)用除法就能得到結(jié)果。通過這樣一個手工求解與軟件求解的對比過程，讓大家深刻感受到Matlab強(qiáng)大的功能，激發(fā)大家學(xué)習(xí)Matlab的熱情。

圖1 R-2R梯形解碼器示意圖

表1

根據(jù)圖1中當(dāng)開關(guān)20、21、22分別與輸入的第1、2、3位所對應(yīng)的不同輸入情況下，如：輸入001對應(yīng)著開關(guān)20與電源相連，其它開關(guān)接地,請求出U0的值

（3）幫助學(xué)生自學(xué)Matlab軟件。首先整理好本課程所用到的Matlab基本內(nèi)容，并配上課本中前兩章相應(yīng)的例題或習(xí)題的Matlab求解方法及詳細(xì)的注釋，在介紹完Matlab界面及學(xué)習(xí)方法后，將整理的材料分發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自學(xué)，并分好學(xué)習(xí)小組，讓他們課后自由討論學(xué)習(xí)心得，總結(jié)出學(xué)習(xí)的疑難之處。在隨后的Matlab教學(xué)中，要以討論及答疑為主，講授為輔，及時的解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的困難，提高它們自學(xué)的信心及能力，有助于它們進(jìn)一步探索及掌握Matlab知識。

（4）強(qiáng)化學(xué)生的Matlab編程能力。盡管Matlab仿真或者其它軟件仿真可以解決很多電路分析的實(shí)際問題，但是應(yīng)用仿真，不利于掌握電路分析的基本原理和方法。我們盡量不要應(yīng)用仿真，而是要求學(xué)生能將電路分析中最基本的2b分析法、1b分析法、網(wǎng)孔電流法及節(jié)點(diǎn)分析法用Matlab的m文件實(shí)現(xiàn)，通過編程的過程，掌握電路分析的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生基于原理和方法的編程能力，提高利用Matlab軟件解決以后的學(xué)習(xí)和實(shí)際工作問題的素質(zhì)。如果有的老師覺得仿真方面的知識非常重要，必須在課堂上介紹，建議放在課程學(xué)習(xí)的最后部分。

（5）強(qiáng)化Matlab的工具地位，明確“電路分析基礎(chǔ)”課程的目標(biāo)。由于電路分析基礎(chǔ)是后續(xù)很多專業(yè)課程及解決實(shí)際工作問題的基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab只是為幫助學(xué)生更好的掌握電路分析的基本理論、原理和方法，要避免學(xué)生過度的依賴軟件而忽略后續(xù)的原理和方法的學(xué)習(xí)，如：第三章疊加方法與網(wǎng)絡(luò)函數(shù)一章，如果不采用疊加原理，就用前面章節(jié)的知識以及Matlab軟件的應(yīng)用，也能很方便的解出里面幾乎所有例題和習(xí)題，學(xué)生有可能會不重視新的方法和原理，導(dǎo)致課程目標(biāo)不能很好的完成，因此，我們應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)原理和方法是編程的基礎(chǔ)，Matlab是實(shí)現(xiàn)我們的原理和方法的工具。為達(dá)到這個效果，我們可以以第三章第四節(jié)的R-2R梯形解碼器為例，為完成表1所示的三位解碼器，采用前兩章的方法，需要求解七個電路，采用疊加原理后，只需要求解三個電路，這樣疊加原理的應(yīng)用將極大的求解的電路的數(shù)目。對于含有n位的解碼器，其減少的電路求解數(shù)目為2n-n-1。此時我們可以通過對比新舊方法，引導(dǎo)學(xué)生重視電路分析的基本原理和方法，而不要過分的依賴于Matlab軟件。

4 結(jié)語

本文簡單介紹了將Matlab應(yīng)用到電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)中的必要性，重點(diǎn)闡述了快速高效引入Matlab到電路分析教學(xué)的一些感想，希望能起到拋磚引玉的作用。

[1]李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]金波.應(yīng)用型本科‘電路’課程建設(shè)與思考[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011;05:045.

[3]周遠(yuǎn)清.開展一次教學(xué)方法的大改革[J].中國大學(xué)教學(xué),2009;1:4

[4]謝先明.電子信息專業(yè)MATLAB教學(xué)探索與改革[J].中國科技信息,2012;11:125

[5]http://baike.baidu.com/view/10598.htm