“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

周蕓，蔣婷婷

(吉利學(xué)院,四川成都 641423）

“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”是我院面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)等工科類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程。但由于任課教師面臨著由于學(xué)生物理基礎(chǔ)薄弱、數(shù)學(xué)計(jì)算功底不強(qiáng)而引發(fā)的學(xué)習(xí)積極性差、求知欲望弱等問題，再加上課程安排方面，“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”比數(shù)字電路、模擬電路開課早一學(xué)期，學(xué)生模擬電路基礎(chǔ)空白，上課時(shí)長(zhǎng)被壓縮等問題，教師如何跳出之前傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容。針對(duì)注重學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)理念，推進(jìn)技能型社會(huì)人才建設(shè)，激發(fā)人才創(chuàng)新創(chuàng)造活力，加快培養(yǎng)技術(shù)技能人才，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)能力提升，在課程體系完整的前提下，讓學(xué)生高效率地接收相關(guān)知識(shí)點(diǎn)是任課教師迫在眉睫的問題。本文在分析傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題后，針對(duì)新工科院校辦學(xué)理念，重點(diǎn)以“把問題還給學(xué)生，不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合解題”“借助仿真驗(yàn)證理論”，以及“在實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真電路”3個(gè)部分，論述課程的教學(xué)改革思路。通過分析教學(xué)改革與傳統(tǒng)教學(xué)兩種形式下，同專業(yè)學(xué)生獲得的成績(jī)，能看到教學(xué)改革后學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性有了很大的提高，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和動(dòng)手實(shí)踐的能力也有了顯著的提升。

一、對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的分析

“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”課程是在高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理課程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生認(rèn)識(shí)、分析、掌握電路的能力。要求學(xué)生掌握電工技術(shù)和電子技術(shù)的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電工、電子方面實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力。在應(yīng)用和鞏固之前學(xué)習(xí)相關(guān)課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為學(xué)習(xí)后繼課程和專業(yè)知識(shí)打下良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并經(jīng)過本門課程的學(xué)習(xí)，掌握電路分析理論和電工技術(shù)、電子技術(shù)，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于本專業(yè)。

由于“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”的理論性與實(shí)踐性強(qiáng)，是一門邏輯嚴(yán)密的綜合性課程，其內(nèi)容龐雜、抽象，涉及學(xué)科多，與傳統(tǒng)工科在電路方面的教學(xué)體系相比，需要將教學(xué)內(nèi)容重新組合，加入電子學(xué)基礎(chǔ)方面的內(nèi)容[1]，因此，在面對(duì)學(xué)時(shí)壓縮，上課時(shí)長(zhǎng)不充裕的前提下，任課教師很容易為了完成教學(xué)目標(biāo)而出現(xiàn)“滿堂灌”的現(xiàn)象。學(xué)生在面對(duì)內(nèi)容晦澀難懂、知識(shí)點(diǎn)零散交雜，教師上課知識(shí)點(diǎn)密集的綜合情況下，很容易出現(xiàn)畏難退縮心理，導(dǎo)致本門課程的成績(jī)始終不理想，學(xué)生對(duì)電子學(xué)的掌握程度較差。

二、對(duì)教學(xué)改革的思考

（一）把問題還給學(xué)生，不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合解題

“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”課程知識(shí)點(diǎn)零散交雜，學(xué)生很容易出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)掌握薄弱，從而混淆新舊知識(shí)點(diǎn)的問題。因此在上課的過程中，教師除了設(shè)計(jì)如何將大量知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生以外，還要考慮怎么樣讓學(xué)生能輕松又牢固地記住所學(xué)內(nèi)容，并將內(nèi)容應(yīng)用到具體的電路分析中去。

在上課過程中，只有真正讓學(xué)生加入到課堂教學(xué)，面對(duì)實(shí)際的電路問題，考慮如何在現(xiàn)有電路和已學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，加以改變，才能進(jìn)一步解決新的問題。在這個(gè)過程中，教師就可以自然而然地引出新的知識(shí)點(diǎn)，介紹新的電路結(jié)構(gòu)，學(xué)生就會(huì)對(duì)新電路的結(jié)構(gòu)和功能有更加深刻的印象，也能承前啟后地將所學(xué)的新舊知識(shí)點(diǎn)連接在一起，深入地理解知識(shí)點(diǎn)，這也推動(dòng)了學(xué)生分析電路、分析問題和解決問題的能力。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)經(jīng)過融入課堂，能夠聽懂知識(shí)點(diǎn)，提出新的問題，用所學(xué)知識(shí)解決問題，就會(huì)有良性循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，再帶領(lǐng)學(xué)生做題，學(xué)生就有了較強(qiáng)的興趣，并有扎實(shí)的理論作為解題基礎(chǔ)。

以“戴維南等效電路”知識(shí)點(diǎn)為例：“戴維南定理”表示，任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的對(duì)外作用，總可以用一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻相串聯(lián)的電壓源模型來等效替代。這個(gè)電壓源的電壓等于有源線性網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，串聯(lián)的電阻等于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電源均為零時(shí)的等效電阻。

在對(duì)電路進(jìn)行分析時(shí)，要求同學(xué)們根據(jù)圖1的電路求出戴維南等效電路。

圖1

根據(jù)課本和大綱教學(xué)的內(nèi)容，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行分析。從圖中可以看出有兩個(gè)電壓源，借助疊加定理求得兩個(gè)電源作用的開路電壓UOC的值。

在只有12 V電壓源工作時(shí)，電路如圖2所示。

圖2 12V 電源單獨(dú)工作的等效電路

圖3 4V 電源單獨(dú)工作的等效電路

圖4 無源等效電路

UOC'為3 Ω//(6 Ω+(3 Ω//2 Ω))電阻中，(3 Ω//2 Ω)總電阻分得的電壓值：

UOC''為 2 Ω+(3 Ω//6 Ω)電阻中，(3 Ω//6 Ω)總電阻分得的電壓值：

因此開路電壓UOC的值為

電阻值為6 Ω//3 Ω//2 Ω，即1 Ω。最終得到的戴維南等效電路如圖5所示：

圖5 戴維南等效電路

由于書本的例題都是按照電源疊加定理進(jìn)行開路電壓的計(jì)算，學(xué)生在剛接觸新的知識(shí)點(diǎn)后，很容易形成慣性思維，根據(jù)例題的模式對(duì)電路進(jìn)行分析。實(shí)際上，在學(xué)習(xí)疊加定理之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了基爾霍夫定理，因此在求開路電壓UOC時(shí)，可以根據(jù)基爾霍夫電流定律列出圖1中，c節(jié)點(diǎn)的KCL方程為：，由此可以更加簡(jiǎn)便地求解出UOC的值為4V。

在同一道題目中，通過加平時(shí)成績(jī)的形式鼓勵(lì)學(xué)生用不同的方法對(duì)電路進(jìn)行求解，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的分析能力，同時(shí)又可以對(duì)已學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧復(fù)習(xí)，加深學(xué)生的理解。

（二）用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論推導(dǎo)

如何把公式推導(dǎo)出的結(jié)論生動(dòng)形象地展示在學(xué)生面前，是課程改革提高上課效率的重中之重。“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”課程是基于電路的理論性課程，如果在教學(xué)過程中加入仿真，就可以在理論推導(dǎo)之后，讓學(xué)生看到具體電路對(duì)應(yīng)的結(jié)果，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際電路、數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。依舊以“戴維南等效電路”為例，運(yùn)用Multisim仿真軟件，在圖1電路的輸出端ab右邊接入萬用表，來測(cè)量ab端的電壓和電阻，得到如圖6所示的仿真電路。通過讀取萬用表，可以得到圖1電路的輸出電壓為4 V，等效電阻為1 Ω。

圖6 仿真電路

從以上示例可以看出，上課過程中，加入Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以讓學(xué)生在理論分析得到答案的基礎(chǔ)上，快速通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)自己的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，這樣可以在很大程度上激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲望。將枯燥乏味的電路理論課變成邊學(xué)邊驗(yàn)證的實(shí)踐課程，也可以進(jìn)一步幫助學(xué)生提高動(dòng)手能力，在使用Multisim畫電路圖時(shí)，也可以加深學(xué)生對(duì)電路結(jié)構(gòu)的梳理，進(jìn)一步幫助學(xué)生提高綜合能力。

以“RLC串聯(lián)諧振”電路為例，首先引入理論知識(shí)：

RLC串聯(lián)電路中，阻抗是

在講完理論推導(dǎo)之后，借助Multisim仿真軟件，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為交流信號(hào)的輸入，連接RLC串聯(lián)電路圖，將萬用表串聯(lián)進(jìn)電路作為交流電路表對(duì)電路的電流進(jìn)行測(cè)量，在負(fù)載R兩端并聯(lián)電壓表，測(cè)量加在電阻R兩端的電壓值。輸入不同的值，檢測(cè)電路中電流I和加在電阻R兩端電壓的大小，仿真圖如圖7所示：

圖7 RLC 串聯(lián)諧振電路仿真圖

上圖是RLC諧振電路的仿真電路圖，給定R=1 kΩ，L=25 mH，C=0.01 μF的值，根據(jù)公式確定諧振頻率為10 kHz。在函數(shù)信號(hào)發(fā)生器中，給定輸出電壓的有效值為4 V，設(shè)置不同信號(hào)源的頻率，記錄串聯(lián)在電路中電流表和加在電阻R兩端電壓的值I和Uo，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 RLC 串聯(lián)電路的輸出電流和電壓值

通過對(duì)每組頻率和對(duì)應(yīng)的I、Uo分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)源的值等于諧振頻率時(shí)，電阻兩端的電壓值等于輸入電壓的有效值4V，此時(shí)電路中電流也達(dá)到最大值，最大值為阻抗只有電阻R=1 kΩ時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值4 mA。

在這樣的學(xué)習(xí)過程中，不僅能讓學(xué)生理解理論公式的推導(dǎo)，也進(jìn)一步向?qū)W生直觀地展示了理論推導(dǎo)的數(shù)據(jù)在實(shí)際電路圖中的應(yīng)用，以及對(duì)整個(gè)電路的影響。加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，也為后續(xù)在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)際電路連線奠定了基礎(chǔ)。

三、在實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真電路

為了進(jìn)一步對(duì)標(biāo)應(yīng)用型本科的要求，學(xué)校在推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革過程中，加大了對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的財(cái)政投入，逐步健全實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)必備的教學(xué)設(shè)備與設(shè)施，已經(jīng)有了滿足現(xiàn)代化教學(xué)手段的推廣應(yīng)用和立體化教學(xué)模式的改革和實(shí)施。實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建能最大化地解放學(xué)生思想，鼓勵(lì)了學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)室的整體建設(shè)滿足學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際連線的需求。在之前的學(xué)習(xí)過程中，通過理論學(xué)習(xí)時(shí)借助仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)有了理論到實(shí)踐的過渡，而實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐課程可以幫助學(xué)生把電路圖從電腦里搬回實(shí)驗(yàn)室，最終完成理論知識(shí)到實(shí)際電路的過渡。真正幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，既能學(xué)會(huì)理論知識(shí)，又能將理論應(yīng)用于實(shí)際，做到應(yīng)用型本科教學(xué)的宗旨。

四、對(duì)課堂氛圍的調(diào)動(dòng)

由于“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”理論性較強(qiáng)，上課過程中，學(xué)生比較容易出現(xiàn)注意力不集中、思想走神的情況。這就要求教師在上課過程中，不僅要有節(jié)奏地傳授上課內(nèi)容，還需要和學(xué)生實(shí)時(shí)互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍和積極性。上課過程可以借助教學(xué)軟件，隨機(jī)抽取學(xué)生回答問題，也可以鼓勵(lì)學(xué)生用不同方法解決電路問題，讓學(xué)生注意力時(shí)刻與老師保持同步，這樣既加強(qiáng)了學(xué)生的參與度，又有效督促了課堂上每一位學(xué)生的思考。

課程的考核方式也由之前的平時(shí)作業(yè)成績(jī)+期末考試成績(jī)改為更加多元化的組成，包括課堂表現(xiàn)成績(jī)+課后作業(yè)完成成績(jī)+仿真成績(jī)+實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)成績(jī)+期末考試成績(jī)組成。具體信息如表2所示。

表2 課程成績(jī)組成

從表中可以看出，通過課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)的打分，能督促學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，并考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。仿真能進(jìn)一步幫助學(xué)生加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，并作為實(shí)驗(yàn)的過渡，將理論與實(shí)際電路連接起來。有了理論基礎(chǔ)和仿真作為鋪墊，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)也能更加熟練地分析電路組成，更清晰地掌握所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際生活中的應(yīng)用[2-3]。

五、對(duì)改革效果的統(tǒng)計(jì)

通過“把問題還給學(xué)生，不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合解題”，學(xué)生在課堂上形成了良性競(jìng)爭(zhēng)，不再是被動(dòng)地接收教師教授的知識(shí)點(diǎn)和解題方法，開始嘗試是否可以用其他方式處理電路，學(xué)生上課態(tài)度明顯更加活躍。通過“用仿真數(shù)據(jù)加強(qiáng)理論推導(dǎo)”，一些數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)也可以通過仿真結(jié)果更加理解理論推導(dǎo)的過程，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲，甚至反向推進(jìn)學(xué)生對(duì)理論公式的探索精神。通過“在實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果”，很大程度上解決了學(xué)生對(duì)于理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象，進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生對(duì)于電路學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)一步加強(qiáng)了“理論聯(lián)系實(shí)踐”的辦學(xué)宗旨。

分析同一位任課教師在同一專業(yè)不同班級(jí)，分別使用傳統(tǒng)教學(xué)方式和使用“把問題還給學(xué)生，不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合解題”+“借助仿真作為理論和實(shí)踐過渡”改革后的教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生的作業(yè)和成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如表3所示。

表3 不同教學(xué)模式下班級(jí)對(duì)比

上表中，電子信息工程1班是采用傳統(tǒng)教學(xué)手段進(jìn)行授課的班級(jí)，電子信息工程2班是改革之后進(jìn)行授課的班級(jí)?！罢n堂回答問題占比”可以從每節(jié)課，學(xué)生通過學(xué)習(xí)通軟件回答問題的統(tǒng)計(jì)中求得。

分析表中數(shù)據(jù)，在加入多角度分析模式后，2班同學(xué)的課堂回答問題占比超出1班同學(xué)30.2%，可以看出“把問題交給學(xué)生去尋求解決辦法”的模式能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生上課的積極性，促進(jìn)他們掌握學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)知識(shí)點(diǎn)加以應(yīng)用。從課后作業(yè)的雷同率下降20.9%可以看出，只要學(xué)生積極融入課堂學(xué)習(xí)中，掌握了所學(xué)的知識(shí)，課后的習(xí)題就會(huì)自己主動(dòng)去解決，而不再是一味地依靠班級(jí)中部分“好學(xué)生”的作業(yè)[4-5]。

通過對(duì)兩個(gè)班學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，搭建電路的平均用時(shí)進(jìn)行分析，可以看出，在平時(shí)的課堂中，加入“用仿真數(shù)據(jù)加強(qiáng)理論推導(dǎo)”，幫助學(xué)生增強(qiáng)了對(duì)電路的分析能力。因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生用在電路搭建的時(shí)間就會(huì)縮短，這也反映了仿真作為理論與實(shí)踐連接的必要性。

最后，從期末成績(jī)的平均值可以看出，采用了改革模式的電子信息工程2班比采用傳統(tǒng)教學(xué)的電子信息工程1班成績(jī)高出16分，進(jìn)一步證實(shí)了改革對(duì)于教學(xué)效果提升的重要性。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)之前傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容存在的問題進(jìn)行分析，本文提出從“把問題還給學(xué)生，不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合解題”“借助仿真驗(yàn)證理論”“在實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真電路”3個(gè)方面，解決“電路與電子學(xué)基礎(chǔ)”課程中，任課教師面臨的學(xué)生物理基礎(chǔ)薄弱、數(shù)學(xué)計(jì)算功底不強(qiáng)、求知欲望弱等問題。針對(duì)注重學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)理念，推進(jìn)技能型社會(huì)人才建設(shè)，激發(fā)人才創(chuàng)新創(chuàng)造活力，加快培養(yǎng)技術(shù)技能人才，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)能力的提升。