“電路分析”課程研究性教學(xué)探討與案例設(shè)計

楊鴻波 高晶敏 魏英 柴海莉

摘要：重點(diǎn)介紹了“電路分析”研究性專題案例的詳細(xì)設(shè)計，分析了以這些專題案例為核心的教學(xué)過程及具體措施。通過開放的課程資源和基于問題的學(xué)習(xí)使得學(xué)生逐漸提高自主研究和學(xué)生的能力。

關(guān)鍵詞：電路分析;研究性教學(xué);教學(xué)案例設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0062-03

現(xiàn)代高等教育特別注重對學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新教育是以激發(fā)人的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，以培養(yǎng)受教育者創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新習(xí)慣為目標(biāo)的教育形式[1]，涉及到整個社會教育的更新，這需要花費(fèi)相當(dāng)長的實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)。[2]要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)就是要在教學(xué)環(huán)節(jié)中注重對學(xué)生創(chuàng)新能力的滲透和培養(yǎng)。在創(chuàng)新教育的各種形式中，研究性教學(xué)受到了越來越多的重視。研究性教學(xué)的實(shí)質(zhì)與靈魂是學(xué)習(xí)者知識的自主建構(gòu)，研究性教學(xué)過程就是把研究和教學(xué)結(jié)合起來，就是用研究的觀點(diǎn)、方法和過程改造傳統(tǒng)的教學(xué)。研究性教學(xué)并非是新生概念，并非是學(xué)術(shù)性研究（并非是高難度），研究性教學(xué)并非具有統(tǒng)一模式。研究性教學(xué)不僅強(qiáng)調(diào)如何教，更強(qiáng)調(diào)如何學(xué)。在研究性教學(xué)中存在著教、學(xué)、研究相結(jié)合的特點(diǎn)，集中體現(xiàn)在課內(nèi)講授與課外實(shí)踐相結(jié)合，教師引導(dǎo)與學(xué)生自學(xué)相結(jié)合，教材學(xué)習(xí)與廣泛閱讀相結(jié)合，傳統(tǒng)繼承與研究創(chuàng)新相結(jié)合，知識傳授、思維訓(xùn)練和研究能力的培養(yǎng)相結(jié)合[3]。

對于工科大學(xué)生來說，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個貫穿整個本科教育周期的過程，必須通過科學(xué)完整的專業(yè)培養(yǎng)才能夠?qū)崿F(xiàn)，而具體課程都是其中的一個環(huán)節(jié)?！半娐贩治觥笔枪た茖W(xué)校內(nèi)信息類和電類相關(guān)專業(yè)電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，在電類相關(guān)專業(yè)的發(fā)展中占有重要地位。在“電路分析”課程的實(shí)際教學(xué)中常會遇到以下四個問題：課程內(nèi)容多，信息量大，而學(xué)時相對較少;理論教學(xué)和工程應(yīng)用脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生不會運(yùn)用知識;教學(xué)內(nèi)容和范例主要以抽象的理論分析和計算為主，很少涉及應(yīng)用[4];在“電路分析”課程教學(xué)階段由于學(xué)生還缺乏必要的知識儲備，所以創(chuàng)新對學(xué)生來說還是可望而不可及的。

針對上述問題，許多高校在“電路分析”或“電路原理”課程的教學(xué)中進(jìn)行了研究性教學(xué)的探索和嘗試，取得了一些有益的成果。[5-7]但是考慮到“電路分析”課程在專業(yè)學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)地位以及目前我國高等教育的現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為研究性教學(xué)改革更為理性的目標(biāo)是著重強(qiáng)化電路基礎(chǔ)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。[8]

一、“電路分析”研究性教學(xué)目的與模式

“電路分析”課程研究性教學(xué)的目的和意義在于探索以學(xué)生為本，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)與科學(xué)研究的“電路分析”課程教學(xué)模式，推進(jìn)工科電類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的整體改革。充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與研究的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、求實(shí)創(chuàng)新、主動學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和終身學(xué)習(xí)的素養(yǎng)，奠定學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)?！半娐贩治觥闭n程是科學(xué)教育和工程教育的結(jié)合體，既強(qiáng)調(diào)分析問題和以邏輯方式解決問題能力的培養(yǎng)，又強(qiáng)調(diào)對綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)和利用現(xiàn)有知識創(chuàng)造新的有用的事物。因此“電路分析”課程研究性教學(xué)的目的還在于有意識地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)抽象的觀點(diǎn)和工程創(chuàng)新的觀點(diǎn)。而只有讓學(xué)生在課內(nèi)和課外均以研究的心態(tài)對待教學(xué)內(nèi)容，才能有效地使學(xué)生建立這兩種觀點(diǎn)。[5]

為了能夠達(dá)到研究性教學(xué)的目的就要求完成以下幾項轉(zhuǎn)變：教學(xué)思路的轉(zhuǎn)變——由“知識點(diǎn)講解型”向“以問題為導(dǎo)向型”轉(zhuǎn)變;課程訓(xùn)練環(huán)節(jié)多元化的轉(zhuǎn)變——由多元化課程訓(xùn)練環(huán)節(jié)提高自主學(xué)習(xí)能力;教師角色的轉(zhuǎn)變——由“灌輸者”向“引導(dǎo)者”轉(zhuǎn)變;學(xué)生角色的轉(zhuǎn)變——由“被動接受者”向“自主學(xué)習(xí)者”轉(zhuǎn)變;教學(xué)考核方式的轉(zhuǎn)變——由“應(yīng)試型”向“多元型”轉(zhuǎn)變 。

這幾項轉(zhuǎn)變決定了“電路分析”課程研究性教學(xué)采用的教學(xué)模式應(yīng)該充分考慮教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)過程和教學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系：

“電路分析”課程教學(xué)基礎(chǔ)包括兩類，一是與課程相關(guān)的高等數(shù)學(xué)、普通物理等相關(guān)基礎(chǔ)課，二是與之相關(guān)的一些通識教育基礎(chǔ)課程。在以上基礎(chǔ)上才能開展正常的研究性教學(xué)。如果教學(xué)基礎(chǔ)不牢固往往造成教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。目前在部分高校的“電路分析”課程教學(xué)進(jìn)程超前于高等數(shù)學(xué)進(jìn)程的情況，這就會嚴(yán)重影響研究性教學(xué)質(zhì)量。

“電路分析”課程的教學(xué)過程是以學(xué)習(xí)方法和訓(xùn)練載體為核心組成的。其中學(xué)習(xí)的方法有很多種，常用的有啟發(fā)式、問題式、案例式、設(shè)計式、研究式等。訓(xùn)練的載體包括了“電路分析”課程的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)以及課程研究性專題案例組成。采用學(xué)習(xí)的方法利用訓(xùn)練載體進(jìn)行訓(xùn)練完成教學(xué)目標(biāo)。

“電路分析”課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)抽象的觀點(diǎn)和工程創(chuàng)新的觀點(diǎn)，進(jìn)而提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究與創(chuàng)新的能力。以上目標(biāo)的達(dá)成需要基礎(chǔ)牢固、教學(xué)過程完善才能實(shí)現(xiàn)。

由以上分析可以看出，“電路分析”課程研究性教學(xué)模式是一種三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

二、“電路分析”實(shí)施過程與案例設(shè)計

一般地，研究性教學(xué)的實(shí)施過程如圖2所示。在研究性教學(xué)實(shí)施過程中，課程開放資源、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)、研究性教學(xué)方案設(shè)計、學(xué)生的研究設(shè)計及報告都緊緊圍繞研究性專題和案例而進(jìn)行。通過“電路分析”課程研究性教學(xué)模式可以看出，對于研究性教學(xué)而言，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法比較，研究性專題和案例的設(shè)計是核心內(nèi)容，它是主要體現(xiàn)研究性教學(xué)特性的核心要素。因此，研究性專題、案例的設(shè)計和選取在很大程度上決定了研究性教學(xué)的質(zhì)量。在研究性專題和案例的基礎(chǔ)上師生通過創(chuàng)設(shè)情境、啟發(fā)思考、自主（或小組）探究、協(xié)作交流、總結(jié)提高達(dá)到學(xué)習(xí)知識的目的。

但相對于一些專業(yè)課程的研究性教學(xué)而言，“電路分析”的研究性專題和案例的設(shè)計面臨著一個困難。一方面，電子信息領(lǐng)域是一個發(fā)展迅速、不斷創(chuàng)新的領(lǐng)域，電路理論的應(yīng)用背景、研究的側(cè)重點(diǎn)和分析手段也有變化和更新。作為精簡的“電路分析”基礎(chǔ)課程，一方面要回歸電路分析最基本的概念和方法，另一方面也需要將現(xiàn)代電子技術(shù)的最新發(fā)展介紹給學(xué)習(xí)者。這就需要通過學(xué)習(xí)者自己的努力，突破教材內(nèi)容的限制，通過參考資料的搜集和閱讀了解新知識、新領(lǐng)域和新方法。而另一方面作為專業(yè)入門的基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)者還不具備完整的理論體系，對工程應(yīng)用背景理解并不深入。在電子工程、控制工程和通信工程的許多實(shí)際問題中，雖然電路分析的理論和方法都起著重要作用，但要想解決這些問題不是“電路分析”一門課程就可以完成的。

因此在“電路分析”課程研究性教學(xué)中的專題案例設(shè)計不能簡單地使用工程實(shí)踐的案例，應(yīng)該從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新潛能出發(fā)，對所選實(shí)例進(jìn)行化簡和抽象，提煉有一定挑戰(zhàn)性的現(xiàn)實(shí)問題，以問題為導(dǎo)向的主動式學(xué)習(xí)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣，使學(xué)習(xí)者挖掘與利用開放性、多樣化資源，相互溝通、合作、分享不同的視角與觀點(diǎn)，思考并嘗試解決問題，有助于同學(xué)們理解電路課程的知識體系，加深對于所學(xué)理論和方法的理解。

基于以上考慮，“電路分析”研究性專題案例可以采用三種不同的類型進(jìn)行設(shè)計。這三種類型的專題案例分別是認(rèn)知型、分析型、綜合設(shè)計型。在多年的教學(xué)工作中，北京信息科技大學(xué)電路分析課程組逐漸摸索和設(shè)計了一些具有特點(diǎn)的研究性專題案例，題目如表1所示。

表1 電路分析研究性教學(xué)專題案例

序號 專題案例題目 類型

1 無源器件的認(rèn)識 認(rèn)知型

2 Matlab在電路分析中的應(yīng)用 認(rèn)知型

3 使用Multisim進(jìn)行電路仿真 認(rèn)知型

4 戴維南定理的應(yīng)用意義 分析型

5 一階電路-閃光燈電路的原理分析 分析型

6 相量是定義、使用和意義 分析型

7 RLC電路的動態(tài)特性綜合研究 綜合設(shè)計型

8 射頻識別卡原理研究 綜合設(shè)計型

認(rèn)知型案例包括“無源器件的認(rèn)識”、“Matlab在電路分析中的應(yīng)用”和“使用Multisim如何進(jìn)行電路仿真”三項。其中：

案例1：無源器件的認(rèn)識。對于剛剛接觸電路分析知識的學(xué)習(xí)者而言，無源器件的電氣特性、伏安關(guān)系需要重點(diǎn)掌握。而在實(shí)際應(yīng)用中，必須了解各種類型的無源元件（包括同一種類，但不同原理、原料和封裝的元件）。另外，隨著科技的進(jìn)步，學(xué)習(xí)者有必要了解一些最新研究成果，例如：憶阻器的定義、伏安關(guān)系、最早如何發(fā)現(xiàn)、如何制備等等。只有通過深入研究和調(diào)研，學(xué)習(xí)者才能有所收獲與體會。

案例2：MATLAB在電路分析中的應(yīng)用。電路分析不僅為后繼課程提供了深厚的理論基礎(chǔ)，也為電路的分析計算提供了各種方法。利用MATLAB軟件，學(xué)生自主編程實(shí)現(xiàn)支路電流、回路（網(wǎng)孔）電流和結(jié)點(diǎn)分析等分析算法，計算和分析典型直流電阻電路、動態(tài)電路、正弦穩(wěn)態(tài)電路例題。這樣可以使學(xué)習(xí)者通過編程的過程，能夠深入掌握一般的電路分析方法。

案例3：使用Multisim進(jìn)行電路仿真。使用EDA工具進(jìn)行電路仿真是電路分析學(xué)習(xí)者需要理解和掌握的知識。Multisim是在后續(xù)的電子技術(shù)課程中有廣泛使用的EDA軟件，該案例要求學(xué)習(xí)者了解Multisim軟件中自帶的元件庫中的各種類型元件;掌握Multisim軟件中自帶的各種類型的虛擬儀器使用;了解Multisim軟件自帶的各種電路分析工具使用。設(shè)計簡單的仿真實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證基爾霍夫定律、疊加原理和戴維南定理。

分析型案例包括“戴維南定理的應(yīng)用意義”、“一階電路-閃光燈電路的原理分析”和“相量是定義、使用和意義”三項。其中：

案例4：戴維南定理的應(yīng)用意義。戴維南定理是最常用的電路簡化方法。由于戴維南定理都是將有源二端網(wǎng)絡(luò)等效為電源支路，所以統(tǒng)稱為等效電源定理或等效發(fā)電機(jī)定理。學(xué)習(xí)者在案例研究中閱讀戴維南定理原始文獻(xiàn)，分析戴維南定理的使用范圍，總結(jié)運(yùn)用戴維南定理分析線性電路的方法和意義。最后需要總結(jié)整個電路分析課程中涉及到戴維南定理的各個知識點(diǎn)。

案例5：一階電路—閃光燈電路的原理分析。一階電路的時間常數(shù)是電路分析課程中重要的概念，在電子技術(shù)中有重要作用。除了掌握一階電路的求解之外，學(xué)習(xí)者有必要掌握利用RC一階電路時間常數(shù)的概念實(shí)現(xiàn)時間的自動控制。該案例以閃光燈電路為例，要求學(xué)習(xí)者查閱資料，選定電子器件設(shè)計一個自動定時汽車閃光燈裝置，模擬汽車轉(zhuǎn)向時其轉(zhuǎn)向燈的閃爍過程。對電路設(shè)計進(jìn)行Multisim軟件仿真。調(diào)整電容和電阻的大小，觀察閃光燈閃動頻率的變化。

案例6：相量定義、使用和意義。該案例要求閱讀1893年德國科學(xué)家、IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）前主席斯坦梅茨（Charles Proteus Steinmetz，1865～1923）的故事。總結(jié)相量法求解正弦穩(wěn)態(tài)電路的算法。確定相量法的使用條件，明確相量法結(jié)果的物理概念，對比時域經(jīng)典方法與相量法在正弦穩(wěn)態(tài)電路分析中的對比。學(xué)習(xí)者需要報告自己對相量法的認(rèn)識，對它的重要性的體會。通過觀察，總結(jié)出關(guān)于響應(yīng)的幾條性質(zhì)。

綜合設(shè)計型案例包括“RLC電路的動態(tài)特性綜合研究”和“射頻識別卡原理研究”。其中：

案例7：RLC電路的動態(tài)特性綜合研究。案例要求學(xué)習(xí)者分析、仿真RLC串聯(lián)、并聯(lián)電路的動態(tài)響應(yīng)與元件參數(shù)的關(guān)系;分析、仿真測量諧振狀態(tài)附近電路變量的變化情況、諧振狀態(tài)的測量;了解諧振電路Q值與元件參數(shù)關(guān)系、Q值對頻率響應(yīng)曲線的影響;查找一種RLC頻率處理電路的應(yīng)用，并進(jìn)行仿真。

案例8：射頻識別卡原理研究。近距離的射頻識別系統(tǒng)采用耦合線圈。學(xué)習(xí)者利用Multisim的頻率掃描分析，測量頻率從變化時，初級線圈電容上電壓幅度的變化情況;當(dāng)控制電壓為方波時，觀察初級線圈電容上電壓波形;設(shè)計一種電容電壓幅度檢測電路。

以上的專題案例共8項，其中認(rèn)知型案例3項、分析型案例3項、綜合設(shè)計型案例2項。這些案例的研究覆蓋了“電路分析”課程學(xué)習(xí)中需要掌握的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，同時也注重引導(dǎo)學(xué)習(xí)者逐步提高使用計算機(jī)工具完成電路設(shè)計、仿真和分析的能力。除了綜合設(shè)計型案例難度較大之外，其他的專題案例都是在學(xué)習(xí)者力所能及的范圍之內(nèi)的。通過實(shí)踐情況看，認(rèn)知型和分析型的專題案例大多數(shù)學(xué)生可以完成，也很感興趣。

從研究性教學(xué)過程來看，研究性教學(xué)方案的設(shè)計是教學(xué)過程的開始，目標(biāo)是通過教學(xué)方案的設(shè)計驅(qū)動學(xué)生在系列研究專題的分析與設(shè)計過程中，基于問題的驅(qū)動，逐步掌握科學(xué)研究的一般過程與成果的表達(dá)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和終身學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。因此需要精心進(jìn)行教學(xué)方法設(shè)計，需要在基于問題的課堂理論講授、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)、專題研究、專題報告、課外作業(yè)教學(xué)網(wǎng)站輔助等方面進(jìn)行一系列探索。

三、結(jié)論

“電路分析”是信息和電類相關(guān)專業(yè)電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的重要課程，在信息和電類相關(guān)專業(yè)的發(fā)展中占有重要地位。由于“電路分析”在整個課程體系中處于基礎(chǔ)層，所以該階段的研究性教學(xué)應(yīng)該以培養(yǎng)和挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能為主。本文介紹了“電路分析”課程中研究性教學(xué)的目的和理念，重點(diǎn)分析了研究性教學(xué)的實(shí)施過程及案例設(shè)計。在今后更長期的時間里，要不斷深入教學(xué)改革，不斷探索結(jié)合實(shí)際的教學(xué)方法和手段，才能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提高研究性教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新潛質(zhì)的提升。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）