“電工電子學”課程教學改革探索

“電工電子學”是中國石油大學（北京）（以下簡稱“我校”）面向非電類專業(yè)本科生開設(shè)的具有承上啟下作用的技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程在我校的機電、石工、勘察等諸多專業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。該課程介紹電路分析、電機、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基本概念、基本定律、基本分析方法和基本應(yīng)用等，其目的是培養(yǎng)學生電路分析、設(shè)計和開發(fā)的基本能力。由于該課程的特點是知識點多，不容易理解，學后難應(yīng)用;另外，傳統(tǒng)的教師灌輸式傳授教學模式，導(dǎo)致學生僅僅強行記住了基本理論和解題方法，但缺乏分析、設(shè)計和開發(fā)電路的能力。究其原因，在灌輸式傳授知識的過程中，學生是被動接受教學內(nèi)容，為了應(yīng)付考試而機械地背記老師教的東西，達不到對知識的深刻掌握和應(yīng)用。為此，筆者考慮打破傳統(tǒng)的教學方法，研究了以學生為主體來提高學生學習興趣的教學手段和在有限的課時內(nèi)將知識應(yīng)用到電路設(shè)計中的教學模式。

以學生為主體教學方法的改革和探索

啟發(fā)式教學

在教學過程中，首先教師要善于在學生已掌握知識水平上提出問題，激起學生的好奇和興趣，學生為了發(fā)現(xiàn)規(guī)律或找到答案，就需要對相關(guān)知識進行綜合、聯(lián)系、概括，從而起到引導(dǎo)和鼓勵學生積極思維的效果。

例如，在講解疊加定理之前，首先以復(fù)習基爾霍夫定律的形式求解一個有兩電源作用的電路，接著從求解的結(jié)果出發(fā)，引導(dǎo)學生研究求解的結(jié)果中兩部分的物理含義，在分析的過程中不斷滲透分解和疊加的思想，從而引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)并理解疊加定理。

理念循序漸進化

在教學過程中，有些概念或規(guī)律是教學中的重點和難點，學生理解起來有一定難度。針對這種情況，教師要善于采用由簡到繁，循序漸進，深入淺出的原則將該學科中關(guān)鍵的分析理念和分析方法講授給學生。通過循序漸進的講解，學生掌握的不僅僅是幾個知識點，更重要的是理解了知識之間的相通性以及理念的靈活應(yīng)用。

例如電路分析中等效的方法。首先，從學生都懂的兩電阻串聯(lián)電路的阻值等于串聯(lián)電路里兩電阻的和說起，關(guān)鍵是讓學生明白從電學角度看等效的基本含義是兩個可以等效的東西具有相同的特征，即具有相同的伏安特性，接著啟發(fā)學生理解等效的條件怎么找，等效的結(jié)果是什么。學生在明白了簡單的電阻等效基礎(chǔ)上，學習電壓源模型和電流源模型等效中進一步將等效理念深入講解。學生對等效理念有深入理解的情況下對于二端有源電路的等效模型即戴維南定理的學習就很容易理解。

開展課堂問題研討

學習完一章或者相對獨立的一部分內(nèi)容后，教師首先應(yīng)以“知識鏈”的形式將本章課程的內(nèi)容層層分解，使學生對所學知識有清晰的框架和完整的認識;然后以研討的方式把所學知識具體應(yīng)用到綜合例題或問題的求解中。通過上述兩個過程達到知識的鞏固、完善和提高。

例如學完電路分析的內(nèi)容后，學生學到了多種計算電路響應(yīng)的方法，如基爾霍夫定律法、支路電流法、結(jié)點電壓法、疊加定理、電源等效及戴維南定理等。教師可以給出一道典型例題，首先用讓學生獨立思考，各抒己見，給出同一問題的不同解法，并比較這些方法在此題中優(yōu)劣，從而理解各方法適用的場合。通過課堂問題研討，不僅能加深學生對理論知識的深入理解和靈活應(yīng)用，而且培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新、鑒別和比較歸納能力。

將知識應(yīng)用到電路設(shè)計的教學模式

通過課堂的理論講解，學生能掌握基本的理論知識，但學習該課程更重要的目標是學以致用，特別是模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩部分內(nèi)容。為此，將基本知識應(yīng)用到電路設(shè)計的方法是把功能強大的Multisim軟件引入教學中。這樣不僅能提高學生的學習興趣，加強理論知識的理解，而且學生可以不用受實驗條件的約束而將所學知識應(yīng)用到仿真設(shè)計中，充分調(diào)動學生的積極性和自主性，同時與當前科技同步，將提高學生的就業(yè)競爭力。

為了督促學生自主應(yīng)用Multisim軟件設(shè)計電路，教師需要給學生布置設(shè)計題目、安排上機時間和答辯時間。下面以集成運放的教學為實例講解該教學模式。

教學實例

集成運放是模擬電路中重要的一章，而且廣泛應(yīng)用于信號的采集和處理中。但學生在學習中卻存在著諸多難點。另外，如果只是學完理論后解幾道課后題而沒有接觸相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計，學生學后都感覺收效甚微。為此，我們以集成運放教學為例來說明如何將幾種教學方法應(yīng)用于該課程的教學中，教學思路分兩步：理論講解和自主仿真設(shè)計。

理論講解

首先簡單介紹集成運放的內(nèi)部電路，對于該器件的關(guān)鍵參數(shù)的特點學生非常容易理解，比如放大倍數(shù)很大、輸入電阻很大、輸出電阻很小。以放大倍數(shù)很大引導(dǎo)學生思考，得出輸入在非常小的范圍內(nèi)輸出電壓與輸入電壓為線性關(guān)系。再通過回顧基本放大電路中輸出交流信號的幅度應(yīng)小于電源電壓，從而導(dǎo)出運放的電壓傳輸特性以及對于的兩個工作區(qū)：線性區(qū)和非線性區(qū)。

講解集成運放的兩個分析依據(jù)這個重難點的內(nèi)容時不能幾句帶過，需要由淺入深。首先回顧等效電阻和基本放大電路的輸入電阻的概念，讓學生意識到集成運放的輸入電阻所代表的含義，也就容易明白輸入電阻大意味著兩端加有限電壓端口上電流非常小，可以近似為零。此時再輔以一個簡單的沒負反饋的電路，引導(dǎo)學生分析兩輸入端的電流和電壓，同時認識到兩輸入端電壓不近似等于零時運放工作在非線性區(qū)，從而學生會意識到工作在線性區(qū)需要兩輸入端電壓近似為零，并同時思索什么樣的電路才能達到此條件。教師先從電壓放大倍數(shù)和電壓傳輸特性兩方面證明此結(jié)論，接著將前面給出的工作在非線性區(qū)的電路上添加負反饋，然后引導(dǎo)學生得出工作在線性的電路需要連接負反饋電路，并進一步對負反饋的概念以及作用進行講解。

集成運放工作在線性區(qū)的信號放大及運算以及工作在非線性區(qū)的應(yīng)用的講解可以采用多樣化的教學方式。教師首先講解一個集成運放的典型電路，講解時要教會學生分析的思路方法和步驟;接著可以采用Multisim軟件搭建電路，并給出直觀的測量波形，這樣既教給學生軟件的基本操作，同時激發(fā)了學生對新鮮事物的好奇心和學習的積極性;另外還可以選積極的學生上臺給大家講解。

自主設(shè)計仿真

在學生掌握集成運放基本原理和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，要求學生：自學集成運放在濾波電路和在信號發(fā)生器方面的應(yīng)用;學會使用Multisim仿真軟件;2-3人以組為單位，應(yīng)用Multisim仿真軟件設(shè)計一個集成運放的應(yīng)用電路，設(shè)計題目可以從老師給出的多個題目中選做一個，也可以自擬;按仿真電路搭建實際電路;寫設(shè)計報告和設(shè)計成果的課堂展示與討論。

學生選定小組成員和題目后，需要查資料、學習、思考、同組間交流探討，遇到解決不了的問題找老師幫助。設(shè)計結(jié)束后，設(shè)計成果的課堂展示與討論這一環(huán)節(jié)的設(shè)計和安排對學生的評價和收獲非常重要。為此我們采取了如下方式。

（1）首先教師簡單回顧集成運放基本知識和重點知識。

（2）各組學生代表依次講解他們所做的電路原理、參數(shù)選擇及仿真電路的演示。學生講解的先后次序原則：一是先簡單后復(fù)雜，這樣聽課的學生能循序漸進理解該部分知識，并會學到一些以前不會的知識。具體為：第一個題目是一個加法運算電路，該組用了兩種設(shè)計方法并用交流直流兩種信號進行了驗證。第二個題目是信號采集接口設(shè)計，該設(shè)計在題目一的基礎(chǔ)上加入對運算的實際應(yīng)用。第三和第四個題目是RC正弦波振蕩器設(shè)計，該內(nèi)容是學生自學完成的，講解的學生將電路原理、參數(shù)設(shè)計等知識講授給同學，讓兩組學生講解該知識可以起到強化理解作用。第五、六組分別是低通濾波電路設(shè)計和波形產(chǎn)生電路設(shè)計，盡管“電工電子學”課程對濾波和波形產(chǎn)生內(nèi)容不做要求，但由于部分學生不滿足前面簡單的應(yīng)用，對該內(nèi)容有極高的學習熱情。針對這部分內(nèi)容，在學生講完之后，對其講得不清楚的概念做講解。第七組是電子止鼾器設(shè)計，該題目是一個在生活中非常實用而且將集成運放的放大、濾波及信號發(fā)生都囊括得非常好的例子，因此可以使學生對集成運放的實際應(yīng)用的認識更上一臺階。二是每種電路先講解1—2個，這樣保證學生對所有的應(yīng)用都有所學習;另外，如果還有一樣的題目，則集中放在后面，主要讓學生分析各個電路的優(yōu)缺點。

（3）學生講完自己的設(shè)計后，教師就電路的主要原理、學生沒講明白的地方或存在缺點的地方進行講解和點評，最后指出設(shè)計的優(yōu)缺點等。

隨著電子技術(shù)的不斷進步，該學科已近融入了工科各行業(yè)。“電工電子學”在培養(yǎng)工科非電類專業(yè)學生的電工學基本理論和基本技術(shù)方面占有非常重要的位置。針對該課程的內(nèi)容多、理解難且需要應(yīng)用的特點，采取了啟發(fā)式、循序漸進式以及課堂討論式等以學生為主體的教學方法，并將應(yīng)用Multisim軟件的有規(guī)劃的學生自主設(shè)計引入課堂。通過這些改革和探索的實踐表明，這些方法可以增強學生的學習積極性，為學生應(yīng)用電工知識自主設(shè)計提供了良好的開端，從而使提高學生的分析、設(shè)計和開發(fā)電路能力成為可能。作為教師，我們還需根據(jù)教學中存在的問題進一步積極探索、實踐，使改革不斷完善，達到更好的教學效果。（作者供職于中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院?；痦椖浚罕疚南抵袊痛髮W（北京）“2013年創(chuàng)新班教改項目”的研究成果）