“電路分析實驗”課程融合設(shè)計性和研究性的探索

何新霞， 王艷松， 馬文忠， 劉希臣

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

“電路分析實驗”課程融合設(shè)計性和研究性的探索

何新霞， 王艷松， 馬文忠， 劉希臣

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

本文結(jié)合“電路分析實驗”課程的性質(zhì)和特點，以驗證性實驗為基礎(chǔ)，從一個實驗項目中的某一項實驗內(nèi)容或從一個實驗項目的設(shè)計中挖掘出具有設(shè)計性、研究性的實驗環(huán)節(jié)和內(nèi)容。通過元件伏安特性測試、戴維南定理、疊加定理和一階電路的研究等實驗，介紹了將設(shè)計性和研究性融入到電路分析實驗中的思路和做法。

設(shè)計性；研究性；電路分析實驗

0 引言

“電路分析實驗”是與“電路分析”課程緊密相聯(lián)的一門專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程[1，2]，其目的是進一步加深對“電路分析”課程內(nèi)容的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，為后續(xù)專業(yè)課實驗打下良好的基礎(chǔ)?！半娐贩治鰧嶒灐弊鳛橐婚T專業(yè)基礎(chǔ)實驗課，由于學(xué)生尚不具備更多的專業(yè)知識和實驗技能，其綜合、設(shè)計性實驗項目的開展存在較大難度。而單純的驗證性實驗又不能滿足對學(xué)生科研、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求[3-5]。為此，以驗證性實驗為基礎(chǔ)，從一個實驗項目中的某一項實驗內(nèi)容或從一個實驗項目中挖掘具有研究性、設(shè)計性的實驗環(huán)節(jié)和內(nèi)容，將設(shè)計性和研究性融入到驗證性實驗中[3]，有利于學(xué)生真正體會、逐步懂得實驗研究的方法、初步形成科學(xué)研究的基本思維方法。

1 驗證性實驗融合設(shè)計性、研究性分析

“電路分析實驗”課程中涉及直流電路、動態(tài)電路、交流電路和頻域分析等4部分實驗，共有十幾個實驗項目[2]。所開設(shè)的實驗項目中，濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)、移相器的設(shè)計與實現(xiàn)為綜合、設(shè)計性實驗項目，而其他實驗均屬于驗證性實驗內(nèi)容。對于驗證性實驗，傳統(tǒng)上，學(xué)生均是在教師的指導(dǎo)下，就教師已經(jīng)設(shè)計好的實驗內(nèi)容按步就班地完成實驗任務(wù)，為使實驗順利進行，教師在設(shè)計實驗內(nèi)容時，會刻意避免實驗過程中可能出現(xiàn)的各種問題，造成實驗與實際應(yīng)用情況的脫節(jié)，容易造成學(xué)生對實驗研究的片面性認識，很難真正發(fā)揮驗證性實驗的作用，不利于學(xué)生綜合實踐能力的培養(yǎng)。綜合、設(shè)計性實驗一般由教師給出設(shè)計任務(wù)，提出設(shè)計要求，學(xué)生自行設(shè)計實驗方案和實驗線路圖，擬定實驗步驟，且需通過相應(yīng)的理論計算，分析研究所設(shè)計的方案是否可行和符合要求，之后再進行實驗操作。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，雖然不能象其他專業(yè)課程那樣容易開展綜合、設(shè)計性實驗項目，但可從一些驗證性實驗項目入手，在某一實驗內(nèi)容或某一個實驗項目上找到切入點，體現(xiàn)出實驗的研究性和設(shè)計性。根據(jù)這一思路，我們經(jīng)過反復(fù)研究和探索，決定在元件伏安特性測試、基爾霍夫定律、戴維南定理、疊加定理、一階電路及RLC串聯(lián)電路的頻率特性和諧振現(xiàn)象的研究等這幾個實驗中融入了研究性和設(shè)計性的要素。限于篇幅，下面就兩個方面分別舉例加以闡述。

2 實驗環(huán)節(jié)融入設(shè)計性、研究性內(nèi)容

2.1 基本元件伏安特性測試

基本元件伏安特性測試是“電路分析實驗”的第一個驗證性實驗項目，考慮此時學(xué)生對實驗儀器及實驗環(huán)節(jié)還不太熟悉，該實驗共設(shè)計有4個內(nèi)容，其中前3個按傳統(tǒng)方式進行，分別完成對理想電壓源、實際電壓源和非線性電阻的伏安特性測試。

內(nèi)容4是新增的，要求學(xué)生自擬實驗方案測定一阻值為150 Ω、額定功率為1/4 W的線性電阻的伏安特性。學(xué)生需自行選擇測量儀器、設(shè)計測試方案和實驗線路圖，制定測試步驟，根據(jù)實驗內(nèi)容擬定實驗數(shù)據(jù)表格。同時，引導(dǎo)學(xué)生分析、研究：150 Ω電阻的額定功率為1/4 W，實驗中為防止燒壞電阻元件且避免將直流穩(wěn)壓電源短路，直流穩(wěn)壓電源輸出電壓最大不應(yīng)超過多少？通過這樣的小問題，促使學(xué)生分析思考，體現(xiàn)了實驗教學(xué)中的研究性。

2.2 戴維南定理的研究

戴維南定理的研究性實驗共包含3項內(nèi)容，內(nèi)容1是測定如圖1(a)所示一給定含源二端網(wǎng)絡(luò)的輸出特性曲線，按傳統(tǒng)驗證性實驗?zāi)Ｊ酵瓿?；?nèi)容2測定上述含源二端網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電路參數(shù)，為探求該實驗中融入研究性實驗內(nèi)容，在測量含源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R0時，要求學(xué)生對直接化簡法、開路短路法、外施電源法及半電壓法等效電阻的幾種測量方法進行對比分析、研究，總結(jié)每種測量方法的特點、適用電路及注意問題，然后讓學(xué)生自行選擇兩種測量方法獨立進行測試。增加了實驗的研究性和自主性；實驗內(nèi)容3為自擬實驗方案驗證戴維南定理，要求學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容2測得的開路電壓UOC及等效電阻R0，自行設(shè)計實驗電路圖，組成上述含源二端網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電路，測定等效電路的輸出特性曲線，驗證戴維南定理。并提出以下問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考：此實驗中如何體現(xiàn)出等效變換—對外等效的概念，電路等效變換的條件是什么？采用啟發(fā)引導(dǎo)式的教學(xué)方式，促使學(xué)生將電路知識聯(lián)系起來進行學(xué)習(xí)。

學(xué)生在設(shè)計該部分實驗線路時，有的選擇用可調(diào)電位器模擬等效電阻，直流穩(wěn)壓電源輸出大小為實測的開路電壓值，加上十進制電阻箱組成實驗線路；有的直接選用原二端網(wǎng)絡(luò)除源后的無源網(wǎng)絡(luò)為等效電阻，加上直流穩(wěn)壓電源和電阻箱組成如圖1(b)所示的實驗線路，設(shè)計的實驗方案各具特色。

(a) 含源二端網(wǎng)絡(luò) (b) 戴維南等效電路實驗電路圖

2.3 疊加定理的研究

疊加定理是“電路分析實驗”的經(jīng)典實驗項目，以往都是先給定實驗線路，規(guī)定實驗步驟，學(xué)生只需按照設(shè)定好的步驟按要求進行測量，將實驗數(shù)據(jù)填入已給定的實驗數(shù)據(jù)表格中，然后進行分析總結(jié)即可。這樣的實驗?zāi)Ｊ綐O大地制約了學(xué)生分析問題、研究問題和解決問題的能力，通過實驗并不能很好地深化對所學(xué)課程內(nèi)容的掌握，為此，我們對該實驗中融合設(shè)計性、研究性內(nèi)容進行探討和研究。

1)實驗任務(wù)及要求

任務(wù)：實驗室提供如下設(shè)備和元器件：直流穩(wěn)壓電源一臺、數(shù)字萬用表一塊、毫安表一塊；100 Ω、200 Ω電阻各2個，150 Ω電阻1個，均為1/4 W (所提供的電阻至少選用3個)。根據(jù)提供的設(shè)備及元器件，設(shè)計一含有二個電壓源、二個網(wǎng)孔的線性網(wǎng)絡(luò)，驗證疊加定理(含齊性定理)[1]。

要求：①自行設(shè)計實驗電路，并進行相應(yīng)的理論計算，要求計算出電路中各元件的電壓、電流及功率的大小，也可利用相應(yīng)的仿真軟件通過電路仿真給出相應(yīng)的結(jié)果[6]。②詳細擬定實驗步驟，列出實驗數(shù)據(jù)表格；③搭接電路進行測試，驗證疊加定理和齊性定理，且電壓、電流響應(yīng)量均不應(yīng)少于2個。

2)實驗實施及設(shè)計性、研究性內(nèi)容

根據(jù)上述實驗任務(wù)及要求，要求學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)實驗內(nèi)容、寫出預(yù)習(xí)報告，預(yù)習(xí)報告中應(yīng)包括所設(shè)計的實驗電路圖；相應(yīng)的理論計算步驟、結(jié)果或仿真模型及仿真結(jié)果；列出實驗步驟及實驗數(shù)據(jù)表格等內(nèi)容。實驗進行前，指導(dǎo)教師要檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報告，指出設(shè)計方案中存在的問題，并加以修改完善。教師檢查通過后才可進行實驗操作。在該實驗中教師可提出以下問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考：①實驗中使用的晶體管直流穩(wěn)壓電源只能輸出功率，不能吸收功率，兩個電壓源的大小及極性如何確定？ ②將電路中的某一個電阻元件替換為非線性電阻元件，實驗研究說明疊加定理還成立嗎？ ③實驗研究說明疊加定理能否直接用于功率的計算。

學(xué)生所設(shè)計的實驗電路各種各樣，其中，典型實驗電路如圖2所示。

圖2 疊加定理典型實驗電路圖

學(xué)生對元件參數(shù)選擇也是多樣，有的選：R1=R2=200 Ω、R3=150 Ω(或100 Ω)；有的選：R1=R2=100 Ω、R3=150 Ω；還有的選：R1=100 Ω、R2=200 Ω、R3=150 Ω(或100 Ω)等等，也有的學(xué)生會在某一支路中多加一個電阻。選擇電壓源的大小和極性也不盡相同。為確定設(shè)計的電路是否符合要求，學(xué)生需要對所設(shè)計的電路進行理論計算，根據(jù)計算結(jié)果進行分析研究。學(xué)生在進行理論計算時，多數(shù)學(xué)生會選擇網(wǎng)孔電流法，也有選擇結(jié)點電壓法的，有的學(xué)生利用電路仿真軟件搭建仿真模型，對所設(shè)計的電路進行仿真研究。還有的學(xué)生對所設(shè)計的電路進行綜合性分析，根據(jù)實驗要求，分析二個電壓源電壓的取值范圍和極性設(shè)置，并結(jié)合提供的毫安表的量程選擇最佳測試參數(shù)。為優(yōu)化操作，加快進度，有的學(xué)生還精心研究實驗步驟，如在做疊加定理實驗時，當測試某一個電壓源單獨作用時的響應(yīng)量時，適時改變電壓源的大小，同時進行齊性定理實驗。有的學(xué)生根據(jù)提出的研究性問題，對疊加定理能否直接用于功率的計算進行實驗研究；還將電路中某一電阻元件替換為非線性電阻元件，通過實驗研究進一步加深理解疊加定理的適用范圍及條件。采取這種啟發(fā)、研討式教學(xué)方式，通過問題的提出、分析、解決及問題的延伸等環(huán)節(jié)，拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.4 一階電路的研究

一階電路的研究是動態(tài)電路的實驗項目，由于動態(tài)電路的特殊性，因此對在該實驗中融合設(shè)計性和研究性內(nèi)容進行了相應(yīng)的探討和研究。

1)實驗任務(wù)及實驗要求

任務(wù)：實驗室提供如下設(shè)備和元器件：函數(shù)信號發(fā)生器一臺、示波器一臺、十進制電阻箱一個； 20 kΩ電阻1個，0.01 μF、0.022 μF和1 μF電容各1個。①根據(jù)提供的電路元件R=20 kΩ、C=0.022 μF，選擇合適的激勵信號，設(shè)計實驗電路，觀測分析RC一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)。并根據(jù)時間常數(shù)的物理意義擬定測量上述RC一階電路時間常數(shù)的方法。②設(shè)計一個RC積分電路，將方波信號變換成三角波。③設(shè)計一個RC微分電路，將方波信號變換成尖脈沖。

要求：用雙蹤示波器同時觀測激勵和響應(yīng)信號的波形，畫出設(shè)計的實驗測試線路圖。

2)實驗實施及設(shè)計性、研究性內(nèi)容

為探求該實驗中研究性教學(xué)內(nèi)容，提出以下問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考：①結(jié)合實驗設(shè)備使用情況，如何才能真正地觀測到零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)波形？②根據(jù)提供的電路元件，如何選擇激勵信號的頻率范圍、確定其幅值大小，才能有效地利用充、放電波形測量電路的時間常數(shù)？③如何利用電阻、電感元件組成積分、微分電路[7]？

在分析、設(shè)計實驗線路時，為在普通的示波器上觀測到穩(wěn)定的響應(yīng)波形，學(xué)生需根據(jù)設(shè)計提示，通過查閱相關(guān)資料選擇確定方波信號作為激勵信號，并正確計算激勵信號的頻率范圍、確定其幅值大小。為觀測到要求的零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)波形，引導(dǎo)學(xué)生思考正、負半周方波激勵產(chǎn)生的是要求的零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)？還是以負、正半周幅值為初始值的全響應(yīng)[4]。進而要求學(xué)生對如何利用實驗室提供的信號發(fā)生器獲取正半周、零半周的方波信號進行思考，學(xué)生結(jié)合信號發(fā)生器的有關(guān)使用說明，通過信號發(fā)生器的電平控制旋鈕使輸出波形的直流電平達到設(shè)定值，從而得到正半周、零半周的方波信號，而不是一知半解地調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出正、負半周的方波信號作為激勵信號。通過這樣探究式的研究性教學(xué)環(huán)節(jié)，促使學(xué)生在對待每一個實驗環(huán)節(jié)上，都要進行周密、嚴謹?shù)乃伎己脱芯?。在設(shè)計積分電路和微分電路時，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料，對所設(shè)計的RC電路元件參數(shù)進行計算和選擇，所選擇的元件參數(shù)是不盡相同的，有的學(xué)生還利用仿真軟件對實驗內(nèi)容進行仿真研究、分析，對利用電阻、電感元件組成積分、微分電路進行了思考。在完成上述三個實驗任務(wù)時，雖然實驗電路結(jié)構(gòu)均是RC串聯(lián)分壓電路，但考慮到示波器與信號發(fā)生器應(yīng)共地連接，當輸出信號取自不同元件時，所設(shè)計的實驗線路的連線也應(yīng)有所不同，這就要求學(xué)生應(yīng)充分考慮實驗設(shè)備的實際使用情況，而不僅僅從理論上考慮實驗方案和實驗線路圖。

3 實驗效果分析與體會

在“電路分析實驗”中融合設(shè)計性和研究性，從實驗方案、實驗線路的設(shè)計及實驗步驟的擬定，到實驗的具體實施，均由學(xué)生自己完成；采取基于問題驅(qū)動、啟發(fā)、研討式研究性教學(xué)模式，學(xué)生不是機械地根據(jù)教師的安排做實驗，而是主動學(xué)習(xí)、認真思考，探究式地完成實驗任務(wù)，這拓展了學(xué)生的思維，提高了學(xué)生自主實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。有的學(xué)生在疊加定理實驗總結(jié)報告中表示：通過該實驗，不僅加深了對疊加定理相關(guān)理論內(nèi)容的理解和掌握，還學(xué)會了應(yīng)根據(jù)實際情況，來設(shè)計切實可行的實驗方案和實驗線路，如直流穩(wěn)壓電源只能發(fā)出功率，電阻元件的功率不能超過其額定功率，所測電流不能超過電流表的最大量程等等；通過自擬實驗步驟這一環(huán)節(jié)，體會到實驗安排既要嚴謹又要講求實效。有學(xué)生在一階電路的研究實驗報告中寫到：通過該實驗，進一步理解和掌握了一階電路零狀態(tài)、零輸入響應(yīng)的物理含義，同時還了解了一階電路的典型應(yīng)用，拓展了知識面；還懂得了在設(shè)計實驗方案的每一個環(huán)節(jié)上，都應(yīng)全面考慮、周密思考。

4 結(jié)語

研究性、設(shè)計性不僅體現(xiàn)在復(fù)雜的綜合、設(shè)計性實驗項目中，也可從一個實驗環(huán)節(jié)或一個基礎(chǔ)的實驗項目中加以挖掘。本文以元件伏安特性測試、戴維南定理的研究、疊加定理的研究和一階電路的研究幾個實驗為例，分析了將設(shè)計性和研究性融入到電路分析實驗中的思路和做法。對于象“電路分析實驗”這種專業(yè)基礎(chǔ)課程來說，不失為一種行之有效的做法。

[1] 邱關(guān)源.電路[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 王艷松，何新霞，馬文忠.電路分析實驗與學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2007.

[3] 薛 來，蔡毅飛.驗證性實驗中融合探究性和實戰(zhàn)性的探索與實踐[J]．北京：實驗技術(shù)與管理，2010，27(11)：162-164.[4] 沈一騎，萬 凱.電路分析實驗的改進與研究性拓展[J]. 北京：實驗技術(shù)與管理，2013，30(4)：24-26．

[5] 王靜，邢冰冰，羅文．電路分析實驗教學(xué)改革的實施[J]．北京：實驗技術(shù)與管理，2009，26(9)：131-134.

[6] 劉貴棟, 王淑娟.應(yīng)用Multisim 的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”研究性教學(xué)實踐[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32(5)：60-62.

[7] 呂偉鋒．電阻電感RL積分/微分實驗電路及仿真分析[J]．北京：實驗技術(shù)與管理，2010，27(1)：83-85．

Exploration on the Fusion of Research and Designability in Circuit Analysis Experiments

HE Xin-Xia, WANG Yan-Song, MA Wen-Zhong, LIU Xi-Chen

(CollegeofInformationandControlEnginneering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao266580,China)

The paper introduces an innovative method and process of mining the experiment link and content with research and designability from a particular experiment content or a experiment project, based on the verification experiments, by considering the features of Circuit Analysis Experiment course. Several examples are described, including experiments on element volt-ampere characteristic test, Thevenin theorem verification, superposition theorem authentication and first-order circuit analysis, to illustrate the practice on the fusion of research and designability in Circuit Analysis Experiment.

designability; research; circuit analysis experiment

2015-08-11;

2016-11- 11

中國石油大學(xué)(華東)校級重點教學(xué)改革項目(JYR-A201210)

何新霞(1966-)，女，碩士，副教授，主要從事電力傳動及控制方面的教學(xué)和研究工作，E-mail:upc_hxx@126.com

G642.0

A

1008-0686(2016)03-0120-04