關(guān)于換路定律的教學(xué)設(shè)計(jì)

曾晗+趙文靜+崔婧娜

摘 要 本文拋開高深理論推導(dǎo)，將傳統(tǒng)教學(xué)手段和現(xiàn)代化教學(xué)手段相結(jié)合，從實(shí)際案例引入，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。本文主要從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)思路和教學(xué)手段三方面介紹換路定律的教學(xué)設(shè)計(jì)，采用問(wèn)題牽引式的教學(xué)方法，使學(xué)生理解換路定律的內(nèi)涵并學(xué)會(huì)使用換路定律分析解釋實(shí)際生活中的現(xiàn)象，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 換路定律 教學(xué)思路 教學(xué)手段

中圖分類號(hào)：TMl33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

換路定律是《電路基礎(chǔ)》一書中的基本定理之一，主要用來(lái)分析求解動(dòng)態(tài)電路的過(guò)渡過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，利用換路定律可以搭建各種延時(shí)電路，因此，研究換路定律具有重要的實(shí)際意義。

1教學(xué)目標(biāo)

本課程授課對(duì)象為高職高專學(xué)生，采用的教材是西安電子科技大學(xué)出版社出版，由孔凡東、蔣卓勤等人編著的《電路基礎(chǔ)》一書。高職高專學(xué)生大多文化基礎(chǔ)薄弱，渴望動(dòng)手實(shí)踐，應(yīng)用需求與能力不匹配。因此，在培養(yǎng)目標(biāo)上更加注重實(shí)踐能力的養(yǎng)成。

換路定律是本書第三章的核心重點(diǎn)內(nèi)容，主要用來(lái)分析直流動(dòng)態(tài)電路，這與前三章直流電阻電路有著很大的不同，這就需要學(xué)生更加深入的了解這兩種電路。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)課設(shè)置了針對(duì)性強(qiáng)的教學(xué)目標(biāo)：

（1）使學(xué)生掌握理解換路定律。

（2）要求學(xué)生學(xué)會(huì)使用換路定律分析實(shí)際電路問(wèn)題。

2教學(xué)思路

根據(jù)授課內(nèi)容以及學(xué)生的原有知識(shí)結(jié)構(gòu)，本次課主要分五個(gè)步驟實(shí)施：知識(shí)回顧、課堂引入、重點(diǎn)內(nèi)容、實(shí)際應(yīng)用、課堂小結(jié)。下面具體介紹課程的實(shí)施情況。

（1）知識(shí)回顧：動(dòng)態(tài)元件、動(dòng)態(tài)電路，以及電容和電感的伏安關(guān)系。

（2）課堂引入：由USB killer引入，播放USB killer燒毀電腦的視頻。提出問(wèn)題，USB killer如何將電腦燒毀，引發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)求知欲。

（3）重點(diǎn)內(nèi)容：利用幻燈演示更加直觀的使學(xué)生理解掌握換路的概念以及電路換路的方式。根據(jù)的課前知識(shí)回顧，學(xué)生已經(jīng)了解到要想在直流動(dòng)態(tài)電路中獲得變化的電壓和電流，可以通過(guò)改變電路的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路狀態(tài)的改變稱為換路。接下來(lái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的手電筒電路來(lái)展示電路狀態(tài)改變的三種方式：電路接通、斷開電源；電路中電源的升高或降低；電路中其他參數(shù)改變。強(qiáng)調(diào)，本節(jié)課只討論由開關(guān)的閉合或者斷開引起的電路換路。

根據(jù)組成電路的元器件的不同，可以將換路無(wú)儲(chǔ)能元件電路換路（純電阻換路）和有儲(chǔ)能元件電路換路（電容換路和電感換路）。接下來(lái)分別具體分析這兩種類型的電路換路。

（1）無(wú)儲(chǔ)能元件電路換路：引導(dǎo)學(xué)生討論換路瞬間電阻兩端的電壓以及流經(jīng)電阻的電流的變化情況。電阻是無(wú)儲(chǔ)能元件，也就是即時(shí)性元件，開關(guān)閉合瞬間，電壓電流均發(fā)生突變，沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程。

（2）有儲(chǔ)能元件電路換路：以RC串聯(lián)電路為例，如圖1。強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)分析電容兩端的電壓在換路前后的變化情況。提出問(wèn)題：開關(guān)閉合前，電路中有沒(méi)有電流通過(guò)？電容兩端的電壓是多少呢？開關(guān)閉合后，電路發(fā)生換路，對(duì)于電容而言，電壓源對(duì)其進(jìn)行充電，一段時(shí)間后，電容充電完畢，此時(shí)電容兩端的電壓又是怎樣的呢？拋出諸多問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考，同時(shí)畫出電容兩端電壓隨時(shí)間的變化情況。引出新的穩(wěn)定狀態(tài)和舊的穩(wěn)定狀態(tài)的概念，再次拋出關(guān)鍵問(wèn)題：電容電壓在換路后直至到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)之間又是如何變化的呢？并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論。

利用模擬仿真軟件Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，如圖2，直觀形象的展示電容兩端電壓從舊得穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的變化情況，即電容兩端的電壓在換路前后沒(méi)有發(fā)生突變，而是經(jīng)歷了一段過(guò)渡期。定義過(guò)渡期為暫態(tài)過(guò)程。并給出0-和0+時(shí)刻的定義和數(shù)學(xué)物理意義。接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生討論暫態(tài)過(guò)程形成的原因。是由于電路內(nèi)部含有儲(chǔ)能元件 C、L，電路在換路時(shí)能量發(fā)生變化，而能量的儲(chǔ)存和釋放都需要一定的時(shí)間來(lái)完成。

提出問(wèn)題：直流動(dòng)態(tài)電路的分析，是從換路開始直到電路進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)，它的起點(diǎn)就是電路中的初始值，那么動(dòng)態(tài)元件在電路發(fā)生換路的瞬間，他們的電壓電流的初始值會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？引出本節(jié)課的重難點(diǎn)——換路定律。

對(duì)于電容而言，通過(guò)列寫一階微分方程，并結(jié)合電容兩端電壓與電荷量的關(guān)系，分析得到：換路瞬間，若電容電流保持為有限值，則電容電壓（電荷）換路前后保持不變。 同樣，對(duì)于電容而言，換路瞬間，若電感電壓保持為有限值，則電感電流（磁鏈）換路前后保持不變?？偨Y(jié)換路定律的內(nèi)容，即

強(qiáng)調(diào)其使用條件：電容電流和電感電壓為有限值是換路定律產(chǎn)生的條件。換路定律只對(duì)uC、iL有約束。

（1）實(shí)際應(yīng)用：換路定律的內(nèi)容其實(shí)很簡(jiǎn)單，但應(yīng)用卻很廣泛。本次課的難點(diǎn)就是利用換路定律分析實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，實(shí)際問(wèn)題的分析也是本次課堂設(shè)計(jì)的特色環(huán)節(jié)，突出應(yīng)用性。分別對(duì)RC換路和RL換路應(yīng)用舉例，總結(jié)利用RC電路換路可以組成延時(shí)電路，而RL電路則可以實(shí)現(xiàn)直流升壓功能，這對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

最后，回到課前的問(wèn)題：USB killer如何將電腦燒毀。USB killer使用的是升壓斬波電路，利用電容量較大的電容和電感量較大的電感，通過(guò)自動(dòng)開關(guān)，不斷的進(jìn)行換路，在此過(guò)程中電容和電感不斷的充放電，從而使輸出端電壓不斷增加，直至燒毀電腦。

（2）課堂小結(jié)：總結(jié)本節(jié)課的重難點(diǎn)，并設(shè)置思考題：換路前后，除了電容電壓和電感電流不能發(fā)生突變外，電路中其他的電壓和電流在換路時(shí)又發(fā)生了怎樣的變化呢？通過(guò)課下的思考問(wèn)題引出下次課的內(nèi)容。

3教學(xué)手段

（1）視頻——USB killer燒毀電腦的視頻，吸引學(xué)生注意力，激發(fā)好奇心。

（2）實(shí)驗(yàn)——利用模擬仿真軟件Multisim，直觀形象展示動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)過(guò)程，使學(xué)生對(duì)知識(shí)更加的清晰明了。

（3）動(dòng)畫演示——通過(guò)動(dòng)畫演示換路定律的應(yīng)用，是學(xué)生體會(huì)到換路鼎爐的實(shí)用性。

4教學(xué)反思

本次課最大程度的避免枯燥理論的講解，采用問(wèn)題牽引式的教學(xué)方法，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

不足之處在于，雖然已經(jīng)設(shè)置了很多貼近實(shí)際的講授環(huán)節(jié)，但學(xué)生沒(méi)有實(shí)際動(dòng)手操作搭建電路，動(dòng)手能力沒(méi)有得到訓(xùn)練，針對(duì)這一問(wèn)題，可以結(jié)合內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)操作課程，鞏固學(xué)生的知識(shí)掌握。

5結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明，純粹的理論講解并不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)共鳴。本文根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了相對(duì)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一堂課，在這里與大家分享。希望通過(guò)更多的教學(xué)探索，使我們的課堂變得更加生動(dòng)有趣。

參考文獻(xiàn)

[1] 孔凡東.電路基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[2] 王進(jìn)明.換路定律的適用性討論[J].蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（02）：8-10.

[3] 田社平，孫盾，張峰.關(guān)于電容電壓和電感電流躍變的討論[J].電子電器教學(xué)學(xué)報(bào)，2014（06）：56-58.endprint