電路分析基礎(chǔ)實驗教材中引入工程應(yīng)用的探索

李曉冬 李淑明

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

電路分析基礎(chǔ)實驗教材中引入工程應(yīng)用的探索

李曉冬 李淑明

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

針對當(dāng)前使用的電路分析基礎(chǔ)實驗教材存在的不足，結(jié)合工程教育的要求，在教材中引入工程應(yīng)用實例，實踐表明，該教材能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

電路分析基礎(chǔ)實驗；教材；工程應(yīng)用

為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對高素質(zhì)工程技術(shù)人才的需求，教育部于 2010年啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，希望通過此計劃的實施，全面提高我國工程教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量。該計劃注重對學(xué)生工程能力的強化培養(yǎng)，在該計劃中，實驗教學(xué)的作用得到進(jìn)一步的凸顯。這就要求實驗教材必須滿足工程教育的需要，對理論與工程應(yīng)用的結(jié)合有深入淺出的介紹，對各個實驗項目能夠深刻、簡明的闡述其工程應(yīng)用背景，使學(xué)生能在實驗的過程中，窺探各理論知識在工程上豐富多彩的應(yīng)用。然而，作為工科電類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，電路分析基礎(chǔ)實驗教學(xué)及其配套的教材仍然只是作為理論課程教學(xué)的補充，相關(guān)的實驗多以理論驗證為主，聯(lián)系工程實際的內(nèi)容甚少，不利于引導(dǎo)學(xué)生深入理解課程的內(nèi)在思路并將其與工程實踐相結(jié)合，無法滿足工程教育背景下對學(xué)生實踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。為改變這一狀況，一本與之相適應(yīng)的教材必不可少。

1 當(dāng)前教材存在的問題

桂林電子科技大學(xué)電路分析基礎(chǔ)實驗面向全校9個院系30多個專業(yè)，學(xué)生量大面廣。該實驗課程與理論聯(lián)系緊密，系統(tǒng)性和邏輯性強，有廣泛而深遠(yuǎn)的工程應(yīng)用背景。 該課程學(xué)時短——只有16個學(xué)時，要求高——要求學(xué)生熟練掌握多種常用電子測量儀器的使用方法，學(xué)會常用元器件的識別測量、掌握電路分析各基本理論的實驗驗證，在此基礎(chǔ)上能夠設(shè)計簡單的實驗電路、驗證或得到某個結(jié)論[1]。如何在有限的學(xué)時里讓學(xué)生“學(xué)得會”、“學(xué)得好”成為實驗教師面臨的緊迫問題。而教材是教師組織開展教學(xué)活動的基礎(chǔ)，是課程目標(biāo)和課程內(nèi)容的重要載體，其內(nèi)容的選擇和編排直接影響到教師教學(xué)活動的組織，決定著教學(xué)的質(zhì)量和效果，要提高教學(xué)質(zhì)量，教材的改革必須先行。然而隨著課程內(nèi)容和實驗室的建設(shè)發(fā)展，目前使用的教材已經(jīng)逐漸無法適應(yīng)教學(xué)的需要，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）桂林電子科技大學(xué)多個學(xué)院相關(guān)專業(yè)實施了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，這些學(xué)生（卓越班）的電路類基礎(chǔ)實驗課程都由學(xué)校教學(xué)實踐部電路中心開設(shè)，而該計劃特別重視培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，要求相關(guān)的教材引入工程應(yīng)用范例以滿足教學(xué)需求，但目前電路分析基礎(chǔ)實驗所用的教材對工程應(yīng)用范例的介紹寥寥無幾。

（2）桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實踐部電路中心成為國家級實驗教學(xué)示范中心后，實驗室建設(shè)有了長足的發(fā)展，全面更換了實驗箱、信號源、示波器、萬用表、電壓源等實驗設(shè)備，實驗大綱和內(nèi)容也有所更新，但是所使用的教材卻沒有更新，嚴(yán)重影響了教學(xué)活動的開展：教師講課時教材內(nèi)容與實驗內(nèi)容對不上、更無法滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，教師只能另外編寫教學(xué)課件發(fā)放給學(xué)生使用，亟需一本高質(zhì)量的新教材。

2 國內(nèi)外相關(guān)教材發(fā)展背景

縱觀國內(nèi)的電路分析基礎(chǔ)實驗教材及課程，基本都以復(fù)現(xiàn)電路分析的概念和過程為主，很多具體的實驗設(shè)置和環(huán)境與工程實際相差較遠(yuǎn)[2]；反觀國外的電路教材，即使是理論課教材都很重視理論與工程實例結(jié)合的。例如由 WilliamH.Hayt、Jack E.Kemmerly和 Steven M.Durbin合著的《Engineering Circuit Analysis》[3]，以及由James W.Nilsson與Susan A . Riedel合著的《Electric Circuits》[4]，以上教材在各章節(jié)中都穿插引入了相應(yīng)的工程應(yīng)用范例，這些內(nèi)容對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，透徹理解相關(guān)理論知識及其應(yīng)用都起到了事半功倍的效果，有助于提高學(xué)生的實際工程應(yīng)用能力，為未來工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)[5]。

介于以上的背景，借鑒國外的優(yōu)秀教材，以現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，從認(rèn)知規(guī)律入手，我們正在探索將工程實例融入實驗教材中，編著一本方便教師授課、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的電路分析基礎(chǔ)實驗教材。

3 工程應(yīng)用范例舉例

根據(jù)高等學(xué)校工科“電路分析基礎(chǔ)”課程的教學(xué)要求，結(jié)合桂林電子科技大學(xué)教學(xué)大綱的設(shè)置，經(jīng)過分析探索，筆者選擇以下工程應(yīng)用范例加入到教師編寫的實驗教材中，可滿足授課和自學(xué)需要：

（1）接地的概念及實驗中需注意的問題。

（2）戴維南定理在工程上的應(yīng)用：信號源內(nèi)阻的測量。

（3）受控源在工程上的應(yīng)用：直流晶體管電路。

（4）一階RC電路在工程上的應(yīng)用：耦合電路。

（5）RL電路在工程上的應(yīng)用：繼電器電路和汽車點火電路。

（6）二階RLC串聯(lián)電路在工程上的應(yīng)用：平滑電路。

（7）正弦電路在工程上的應(yīng)用：移相器和交流電橋。

（8）RLC諧振電路在工程上的應(yīng)用：收音機的輸入調(diào)諧電路。

（9）雙口網(wǎng)絡(luò)在工程上的應(yīng)用：晶體管電路分析。

（10）電子設(shè)計仿真制作實例：LED手電設(shè)計制作。

以上內(nèi)容在各種實際電路中都有廣泛應(yīng)用，例如：一階RC電路在工程上的應(yīng)用：耦合電路。耦合電路廣泛存在于各種放大電路的前后級連接處，實現(xiàn)能量或信號的傳遞。如圖1所示，如果前級送來的信號中既包含直流分量又包含交流分量，那么經(jīng)過耦合電路后，信號的成分將會發(fā)生變化，直流分量將會被濾除，這就像一個過濾器一樣，濾除雜質(zhì)，獲得筆者需要的東西。

圖1　耦合電路

再比如RLC諧振電路在工程上的應(yīng)用：收音機的輸入調(diào)諧電路。收音機的調(diào)臺過程就是諧振回路的調(diào)諧過程。我們知道不同廣播電臺發(fā)射的信號頻率各不相同，那么如何從成千上萬個信號中選出筆者需要的電臺信號呢？圖 2左是一個調(diào)幅收音機選頻部分的簡化電路圖，L1為接收天線， L2與C構(gòu)成諧振電路，通過調(diào)節(jié)回路電容C的大小，就可以改變諧振回路的固有諧振頻率，使之與所選信號的頻率（要收聽的電臺頻率）相等，這個過程就稱為調(diào)諧。考慮到實際回路損耗，該電路等效電路圖如圖2右所示，其中RL2為回路損耗，它的存在是由于電感阻抗并不為零；e1、e2、e3表示三個頻率不同的電臺，相當(dāng)于我們實驗中用到的信號源，改變電容的大小，使電路的諧振頻率與其中一個電臺的頻率一致即可。這正好是筆者所熟悉的RLC串聯(lián)諧振電路。

圖2　調(diào)幅收音機選頻部分的簡化電路圖與其等效電路圖

4 教材的試用效果

筆者將編寫的教材以參考資料和課件的形式在桂林電子科技大學(xué)電子、通信等幾個專業(yè)部分學(xué)生中進(jìn)行了小范圍的試用，取得了較好的效果。在實驗和講解工程電路的過程中，學(xué)生面對的不再只是枯燥繁瑣的理論和公式，而是一個個鮮活生動的應(yīng)用實例，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了顯著提高，分析和解決問題的能力有所增強，解答了學(xué)生在理論教學(xué)過程中產(chǎn)生的普遍疑問：“ 我學(xué)習(xí)的這些理論究竟有哪些用處？”真正體現(xiàn)了學(xué)以致用。

5 結(jié)論

將工程應(yīng)用引入到電路分析基礎(chǔ)實驗教材中，不僅滿足了工程教育的教學(xué)要求，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更推動了教學(xué)改革的不斷深入，促進(jìn)教學(xué)水平和教育質(zhì)量的不斷提高。

[1] 李曉冬,李淑明.仿真軟件在電路分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果初探[J].大眾科技,2014,(11):193-194.

[2] 張國光.面向工程教育認(rèn)證的電路分析基礎(chǔ)課程體系建設(shè)[J].教育教學(xué)論壇,2013,(11):152-154.

[3] William H.Hayt,Jack E.Kemmerly,Steven M.Durbin.Engineering Circuit Analysis,Seventh Edition[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:31-636.

[4] James W.Nilsson,Susan A.Riedel.Electric Circuits,Eighth Edition[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:100-541.

[5] 王源.談在電路課程教學(xué)中的工程應(yīng)用范例[J].考試周刊, 2014,(67):171.

An exploration on the teaching material in fundamentals of circuit analysis experimental with introduction of engineering application

Aiming at numbers of deficiencies in the teaching material in fundamentals of circuit analysis experimental in use，combined with the engineering education requirements，we introduce some examples of engineering application in the teaching material. The practice shows that the teaching material are able to boost students' enthusiasm and enhance the teaching quality.

Fundamentals of circuit analysis experiment; teaching material; engineering application

G642.0

A

1008-1151(2015)09-0148-02

2015-08-10

桂林電子科技大學(xué)教改項目：依托工程應(yīng)用、融合虛擬實驗的電路分析基礎(chǔ)實驗教材建設(shè)研究。

李曉冬（1980－），男，廣東東莞人，桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實踐部講師，研究方向為通信與電子。