電工學(xué)課程中電路理論的教學(xué)實(shí)踐

朱志峰 ，朱 峰，戚大波

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430080；3.山鋼集團(tuán)濟(jì)鋼檢修工程公司，山東 濟(jì)南 250101)

電工學(xué)課程中電路理論的教學(xué)實(shí)踐

朱志峰1，朱 峰2，戚大波3

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430080；3.山鋼集團(tuán)濟(jì)鋼檢修工程公司，山東 濟(jì)南 250101)

電工學(xué)是非電專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，具有內(nèi)容廣泛、理論和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。電路模型變換是是電工理論學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教學(xué)中應(yīng)突出電工學(xué)電路相關(guān)理論體系，加強(qiáng)習(xí)題訓(xùn)練并注重理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合。

電工學(xué)；電路理論；教學(xué)實(shí)踐

電工學(xué)是研究電工技術(shù)和電子技術(shù)理論及其應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容包括電工技術(shù)和電子技術(shù)，涉及基本理論和工程實(shí)際應(yīng)用。[1]從課程角度來看，電工學(xué)涵蓋了自動(dòng)化專業(yè)的主要課程，其章節(jié)之間存在相關(guān)性，具有科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系。特別是電路理論，它是基本概念和基本分析方法的集合。[2]對(duì)于非電類學(xué)生而言，電路理論概念性強(qiáng)，分析方法也較難理解。筆者通過十余年的電工學(xué)教學(xué)，體會(huì)到學(xué)生對(duì)課程中的具體計(jì)算相對(duì)容易掌握，而對(duì)相關(guān)的物理和工程概念的理解和分析較難掌握。因此，電工學(xué)中電路相關(guān)理論的教學(xué)是本課程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一、電路相關(guān)理論概述

電路理論基本內(nèi)容主要包括基本電路定律和基本原理的分析方法。[3]基本定律指歐姆定律和基爾霍夫定律及其相關(guān)基本概念?；痉治龇椒ò娐纺Ｐ妥儞Q分析方法和歸納分析方法。模型變換分析指利用電路內(nèi)在的特性對(duì)電路模型進(jìn)行變換，從而將一個(gè)復(fù)雜的電路簡化成較為簡單的電路，再利用基本定律進(jìn)行求解。具體內(nèi)容包括等效變換(電源與電阻)、疊加原理、戴維南定理和諾頓定理。歸納分析方法指直接利用電路基本定律列方程求解電路，并在求解過程中進(jìn)行總結(jié)得到規(guī)律，從而簡化求解過程。這種分析方法并不改變已有的電路模型，主要包括節(jié)點(diǎn)電壓法和支路電流法等。由于在大學(xué)物理等課程中有所接觸，非電類學(xué)生對(duì)基本電路定律，如KVL、KIL和歐姆定律相對(duì)容易接受。而對(duì)于如戴維南定律等利用電路的模型變化對(duì)電路進(jìn)行分析求解的方法相對(duì)較難掌握。

二、電源等效變換和戴維南定理

對(duì)電源等效變換這部分內(nèi)容，首先要對(duì)學(xué)生明確等效變換是對(duì)負(fù)載而言，然后按提出問題、分析問題(及建立模型)和解決問題的思路進(jìn)行課堂分析。(1)提出電源等效變換的物理概念；(2)根據(jù)物理概念畫出電路模型；(3)根據(jù)電路模型列出其數(shù)學(xué)方程；(4)由數(shù)學(xué)方程求解最終得到等效變換條件。具體來說，根據(jù)等效變換的概念，要求圖1中電壓源模型和電流源模型中負(fù)載RL的狀態(tài)相同，即U和I相同。

由圖1中電壓源模型和電流源分別得到方程(1)和方程(2)：

U=E-IR01

(1)

U=(IS-I )R02=ISR02-IR02

(2)

而U和I相同即要求方程(1)和方程(2)同解。從而得到等效變換的條件：R01=R02和E=ISR02。

另外，在講述完電源等效變換后接著講述戴維南定理和諾頓定理。由電源等效變換的擴(kuò)展知識(shí)，任何一個(gè)電動(dòng)勢E和某個(gè)電阻R串聯(lián)的電路，都可化為一個(gè)電流為IS和這個(gè)電阻并聯(lián)的電路。因此在講述完戴維南定理后直接根據(jù)這一擴(kuò)展知識(shí)就可以得到諾頓定理。戴維南定理和諾頓定理是一對(duì)等價(jià)定理，而等價(jià)的橋梁就是電源等效變換。

三、電路理論相關(guān)訓(xùn)練及講解

電路理論系統(tǒng)性和邏輯性強(qiáng)，前后聯(lián)系緊密，其相關(guān)習(xí)題變化多，要求學(xué)生完成一定量的訓(xùn)練后才能較好掌握和理解。例如戴維南定理中等效電阻求解方法，與暫態(tài)中0+等效電路中等效電阻和微變等效電路中輸出電阻的求法一致。掌握這些電路共同的內(nèi)在特征需要學(xué)生進(jìn)行練習(xí)。當(dāng)然也需要教師在課堂中對(duì)例題進(jìn)行精細(xì)講解。下面圖2是疊加原理中的一道例題：

圖2中例題可以采用線性疊加方程Uo=K1US+K2IS，對(duì)求解方程未知參數(shù)K1和K2。另外，我們也可以將題目中第一個(gè)條件進(jìn)行十次疊加，得到條件一US=10V、IS=10A 時(shí)，Uo=0V。而根據(jù)疊加原理，求解中條件和題目中第二個(gè)條件相疊加就是上面的條件一。因此，將條件一結(jié)果減去題目中第二個(gè)條件結(jié)果，就得到題目中需要求解的條件。這里雖然將疊加原理反過來用，但學(xué)生容易接受，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生逆向思考的思維方式。

四、理論知識(shí)與工程實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合

在講述電路理論時(shí)還要注重聯(lián)系實(shí)踐，[4-5]這不僅可以激發(fā)學(xué)生興趣，還可以進(jìn)一步深化理論知識(shí)。交流電是電工學(xué)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是功率因數(shù)這一概念是直流電路中完全沒有的概念，因此學(xué)生剛接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生恐懼心理。而由功率因數(shù)與電價(jià)的實(shí)際收費(fèi)相關(guān)引出這一內(nèi)容的講解會(huì)使得學(xué)生很驚訝，繼而可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終由功率因數(shù)與線路能量損耗的關(guān)系結(jié)束這一節(jié)，可以讓學(xué)生理解為什么低功率因數(shù)的電價(jià)較高，從而更讓學(xué)生對(duì)功率因數(shù)這一概念有了更深感性的認(rèn)識(shí)。在開始交流電動(dòng)機(jī)講述時(shí)引入同步電機(jī)這一“可以降低電價(jià)的電機(jī)”， 不僅可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，同時(shí)又對(duì)容性負(fù)載、功率因數(shù)和工廠電氣設(shè)備的特點(diǎn)等概念又有新的認(rèn)識(shí)，并將這些概念整合融匯在一起。對(duì)于電源外特性曲線，其實(shí)電路理論并不復(fù)雜，但學(xué)生總是不能很好地利用這部分理論知識(shí)去解決實(shí)際問題。在講述時(shí)首先提出為什么以前夏天使用空調(diào)時(shí)開關(guān)會(huì)經(jīng)常跳閘這一問題，這也是學(xué)生非常關(guān)心和不解的問題。這一問題將課堂理論與實(shí)際生活聯(lián)系到一起。其實(shí)電工學(xué)是一門理論性和實(shí)際應(yīng)用都非常強(qiáng)的課程，其中的知識(shí)點(diǎn)很多都能與我們的生產(chǎn)和生活有著密切的聯(lián)系。

[1]崔雪,樊亞東. 學(xué)習(xí)金字塔模型在“電工學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(4):83-84.

[2]陳希有， 李冠林， 周惠巍. 關(guān)于“電路理論” 課程的若干教學(xué)實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(2):1-4.

[3]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4]鄭睿，鄭暉. 提高電工學(xué)教學(xué)質(zhì)量的幾點(diǎn)探索[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社科版)，2014,31(1)： 108-109．

[5]張芳，楊秀媛. 提高“電工學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量的幾點(diǎn)方法[J]. 中國電力教育，2010， 170： 100-101．

(責(zé)任編輯 汪繼友)

Teaching Practice on the Circuit Theory of Electrical Engineering Course

ZHU Zhi-feng1, ZHU-feng2, QI Da-bo3

(1. School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan, 243002,Anhui, China;2. Wuhan Engineering Institute, Wuhan, 430080, Hubei, China; 3. Ji Iron Engineering Overhaul Company of Shandong Iron & Steel Group, Jinan, 250101, Shandong, China)

Electrical Engineering is a basic course for non-electrical students, with a wide range of content, theory and strong practicality and other features. Therefore, it is difficult for students to learn. Circuit model transformation is both the key and difficult points in the teaching of electrical engineering theory. In teaching, teachers should highlight the related theoretical circuit system of electrical engineering, giving more exercises and focusing on the combination of theoretical knowledge and engineering practice.

electrical engineering; circuit theory; teaching practice

2015-11-10

安徽省高校重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2013ZDJY074)

朱志峰(1972-)，男，安徽馬鞍山人，安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，博士。

G642.0

A

1671-9247(2016)03-0069-02