《電路分析基礎(chǔ)》中的課程設(shè)計(jì)

2013-08-15 00:49:44鐘洪聲王明珍李廷軍崔紅玲吳義華

實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù) 2013年4期

鐘洪聲，汪玲，王明珍，李廷軍，崔紅玲，吳義華

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731)

《電路分析基礎(chǔ)》課程是電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，稱為電子信息工程專業(yè)學(xué)生的入門課程。對(duì)于電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)起著重要的基礎(chǔ)作用。隨著電子技術(shù)本身的發(fā)展和工程設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，《電路分析基礎(chǔ)》課程的改革顯得十分緊迫。

1 課程特點(diǎn)

《電路分析基礎(chǔ)》課程核心是介紹各種分析方法，基本定理，基本概念。在滿足集總假設(shè)條件下［1－3］，電路模型簡化，對(duì)于線性非時(shí)變電路，利用線性方程組或者線性微分方程組為基本分析工具，圍繞電路模型(也是數(shù)學(xué)模型)展開分析方法的演繹，可推演出多種分析方法。課程的工程概念顯得比較淡，數(shù)學(xué)分析和推理更濃，與模擬電路課程比較，展開課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的深度不足。所以多數(shù)大學(xué)沒有在這門課程中安排課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

電子科學(xué)與技術(shù)具有很強(qiáng)工程應(yīng)用性［4］，反映在《電路分析基礎(chǔ)》課程中也出現(xiàn)工程性問題，這些問題對(duì)于初學(xué)者容易來說導(dǎo)致理解的困惑。比如，教材中對(duì)于某些輸入電壓，不自覺地稱其為輸入信號(hào)，初學(xué)者還沒有建立信號(hào)與電壓電流之間的必然聯(lián)系。

《電路分析基礎(chǔ)》課程是電子信息技術(shù)入門課，既有理論性，又有工程性。對(duì)于目前工科學(xué)生，在本門課程之前，主要學(xué)習(xí)的是純理論知識(shí)，很少接觸工程問題，因此，學(xué)習(xí)方法和思維模式需要一個(gè)轉(zhuǎn)換過程。如何才能加快學(xué)生的適應(yīng)過程，我們認(rèn)為，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐訓(xùn)練是一種比較好的方式，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解。其實(shí)，這個(gè)道理很簡單，也容易理解，但是在實(shí)際教學(xué)過程中并不是容易的事情。原因可能是在電子信息類專業(yè)課程體系設(shè)計(jì)時(shí)，往往比較重視完整的電路實(shí)驗(yàn)題目，例如放大器、濾波器等。對(duì)于電路基礎(chǔ)部分的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練不重視，例如變壓器、電容、電感的特性等。在削減課時(shí)的壓力下，基礎(chǔ)內(nèi)容更容易被刪除。

2 課程設(shè)計(jì)的思考與安排

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)電子信息工程專業(yè)的教學(xué)方式也產(chǎn)生深刻的影響，對(duì)本課程的影響也很大。例如，計(jì)算機(jī)帶來了分析計(jì)算的革命，任何復(fù)雜的電路，計(jì)算機(jī)能夠很快完成分析計(jì)算。本課程傳統(tǒng)教學(xué)中花費(fèi)很多精力介紹的各種分析方法和技巧已不再重要，而我們的思維還沒有完全轉(zhuǎn)換過來，仍然將課程的重點(diǎn)放在解題方法和技巧上，勢(shì)必影響課程教學(xué)效率，所以改革是必要的。

在《電路分析基礎(chǔ)》課程中引入計(jì)算機(jī)分析計(jì)算的方法，具有重要的意義。對(duì)于初學(xué)者不一定要求熟悉掌握計(jì)算機(jī)仿真軟件，但是必須了解這個(gè)有用的工具，一方面提升學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平，另一方面開始熟悉現(xiàn)代電路分析仿真的主流方法。

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院《電路分析基礎(chǔ)》課程中設(shè)計(jì)了3個(gè)課程項(xiàng)目:計(jì)算機(jī)輔助分析訓(xùn)練;電源設(shè)計(jì)制作;波形發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作。

(1)課程設(shè)計(jì)的第1個(gè)題目就是利用計(jì)算機(jī)完成電路的分析仿真，要求學(xué)生掌握一種計(jì)算機(jī)電路仿真軟件。先提供比較簡單的程序，例如EWB工具，這種軟件雖然功能不強(qiáng)，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)性能要求低，對(duì)于初學(xué)者來說，已經(jīng)足夠了。教師在講解幾種傳統(tǒng)的分析方法之后，就安排課外作業(yè)，要求學(xué)生利用計(jì)算機(jī)仿真完成這個(gè)作業(yè)，并按時(shí)提交，教師點(diǎn)評(píng)學(xué)生的完成情況。計(jì)算機(jī)仿真分析中，已經(jīng)開始考慮工程性問題。例如，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)分析可能出現(xiàn)很小的差距，數(shù)字結(jié)果略有誤差，教師在點(diǎn)評(píng)中，可以專門討論這些問題。

(2)計(jì)算機(jī)只是一個(gè)分析計(jì)算工具，對(duì)電路的理解還需要適當(dāng)引入工程實(shí)踐訓(xùn)練。為了盡快讓學(xué)生接觸電路實(shí)驗(yàn)，本課程的第2個(gè)課程設(shè)計(jì)考慮完成一個(gè)實(shí)用電路。課程介紹變壓器和電容等元件之后，學(xué)生初步了解變壓器、電容、二極管等元件基本特性，安排設(shè)計(jì)完成一個(gè)線性穩(wěn)壓電源，主要要求和技術(shù)指標(biāo)，輸入220V/50Hz，輸出5V/DC，功率5W。

由于初學(xué)者，先不要求具體掌握線性三端穩(wěn)壓器(7805)的內(nèi)部工作原理，只要求了解其性能和技術(shù)指標(biāo)，能夠知道如何應(yīng)用。這個(gè)課程設(shè)計(jì)的主要目的，一方面訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，另一方面盡早讓學(xué)生建立一定的工程概念。

(3)在課程介紹了運(yùn)算放大器之后。再安排第3個(gè)課程設(shè)計(jì)。利用運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的波形產(chǎn)生電路。第2個(gè)課程設(shè)計(jì)完成的5 V電源正好可以用上。波形頻率利用一個(gè)簡單的RC電路參數(shù)確定，與課程中的一階電路相關(guān)，可以增強(qiáng)對(duì)課程中知識(shí)點(diǎn)的理解。

在一門基礎(chǔ)課程中加入3個(gè)課程設(shè)計(jì)，豐富了教學(xué)內(nèi)容。其電源和運(yùn)算放大器電路，啟發(fā)學(xué)生動(dòng)手的興趣，制作的實(shí)驗(yàn)樣品能夠被保留，并在以后的實(shí)踐活動(dòng)中利用。同時(shí)，教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)不增加，課程設(shè)計(jì)課外完成，適當(dāng)壓縮一些傳統(tǒng)分析方法的介紹。

3 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

從2006年開始，我們就在《電路分析基礎(chǔ)》課程中安排了課程設(shè)計(jì)計(jì)劃，堅(jiān)持執(zhí)行這個(gè)教學(xué)計(jì)劃，并按平時(shí)成績的方式，計(jì)入學(xué)生的總成績。

這種課程教學(xué)改革是否有效呢?由于課程設(shè)計(jì)只是在原課程教學(xué)中添加部分教學(xué)環(huán)節(jié)，改革幅度小，不容易對(duì)比出明顯的差異，教學(xué)效果的評(píng)估也是個(gè)比較難的問題，但是本課程教學(xué)的效果還是從不同的層面表現(xiàn)出來。例如，可以從學(xué)生對(duì)電路分析基礎(chǔ)課程組老師的喜愛程度，間接反映出本課程的教學(xué)效果。2012年，電子科技大學(xué)學(xué)生會(huì)組織“我最喜愛老師活動(dòng)”中，全校有上千名不同課程的教師，《電路分析基礎(chǔ)》課程組老師有5人進(jìn)入前30名，3人進(jìn)入前10名。

本課程設(shè)計(jì)安排，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容和方式，還激發(fā)學(xué)生的工程實(shí)踐的興趣，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐訓(xùn)練奠定了一定基礎(chǔ)。

多年的實(shí)踐，本課程設(shè)計(jì)的工作也還存在些不足。例如，部分教師不愿意配合執(zhí)行，課程設(shè)計(jì)寫入教學(xué)大綱，但是沒有寫明設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，主要考慮具體執(zhí)行由各任課教師掌握，不搞一刀切。由于我校每年修這門課程的學(xué)生人數(shù)在4 000人以上，授課教師近30人，且來自不同的學(xué)院，課程教學(xué)必須執(zhí)行統(tǒng)一教學(xué)大綱，知識(shí)點(diǎn)的要求很具體，而課程設(shè)計(jì)部分沒有具體要求，給任課教師更大的選擇空間，有利于教師的個(gè)性發(fā)揮。因此，課程設(shè)計(jì)的執(zhí)行情況差異很大，不少教師選擇很好的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，也有部分教師選擇比較簡單的方式。

從學(xué)生方面看，部分學(xué)生積極性不高。不少學(xué)生還習(xí)慣讀書、做題、考試的學(xué)習(xí)方式，認(rèn)為課程設(shè)計(jì)對(duì)考試分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)不大(一般只占總成績的5)。加之設(shè)計(jì)分小組完成，有興趣的學(xué)生會(huì)主動(dòng)承擔(dān)更多的任務(wù)，不少同學(xué)會(huì)自己放棄訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。

從管理方面看，課程設(shè)計(jì)帶來教學(xué)成本增加，不僅是教師增加了教學(xué)指導(dǎo)工作量，工具和元器件也產(chǎn)生一定費(fèi)用。前些年，學(xué)校教務(wù)處采取統(tǒng)一采購，學(xué)生租借的方式，但是四年后，等學(xué)生還回時(shí)損耗很大，沒有價(jià)值。近2年來，學(xué)校教務(wù)處經(jīng)費(fèi)增加了，統(tǒng)一為全校所有工科學(xué)生免費(fèi)發(fā)放一套工具以及實(shí)驗(yàn)用元器件。我校大學(xué)生人手一個(gè)工具箱，已經(jīng)成為學(xué)校的一道風(fēng)景線。

4 電路基礎(chǔ)課程改革思考

課程設(shè)計(jì)其實(shí)只是教學(xué)改革的一小步，整個(gè)課程體系的改革趨勢(shì)已經(jīng)擺在我們面前。

電子技術(shù)的進(jìn)步，反過來不斷促使教學(xué)內(nèi)容和方式的改革。傳統(tǒng)分析方法的確失去價(jià)值，盡快適應(yīng)新方法勢(shì)在必行。有專家提出取消《電路分析基礎(chǔ)》課程或者合并到《模擬電路》課程之中，美國MIT大學(xué)的核心課程《電路與電子學(xué)》，2006年開始，整合了《電路分析基礎(chǔ)》《模擬電路》和《數(shù)字電路》的核心內(nèi)容。

面對(duì)這種巨大的變革，我們能否適應(yīng)，這是個(gè)很大的問題。我們也在思考這個(gè)問題，并探索嘗試必要的改革方式。今天的課程設(shè)計(jì)正是基于這種考慮，在課程組的范圍內(nèi)先行嘗試。國外教學(xué)過程中，也大量加入課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。以MIT為例，《電路與電子學(xué)》課程中安排了4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

國外先進(jìn)大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)我們是很難學(xué)習(xí)到的，例如，其管理模式，教師的講授是線條型的，不詳細(xì)講解，要求學(xué)生自學(xué)，一般按1∶6的時(shí)間配置(即教師講解1小時(shí)，學(xué)生課后復(fù)習(xí)6小時(shí))，這個(gè)在國內(nèi)很難達(dá)到。另外，國外實(shí)驗(yàn)課題或者作業(yè)，學(xué)生按自己的時(shí)間預(yù)約進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，自己完成，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師簽字認(rèn)可。實(shí)驗(yàn)室采用開放模式，沒有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求講解，也沒有專門的測(cè)試設(shè)備應(yīng)用講解。學(xué)生能夠在沒有監(jiān)督的情況下，主動(dòng)完成各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)。如果沒有完成，無法獲得該課程學(xué)分。

直接引入國外的教材和教學(xué)方式，不僅我們的教師難以適應(yīng)，我們的學(xué)生也很難適應(yīng)。因此我們選擇漸進(jìn)式的改革方式。先在課程教學(xué)中引入課程設(shè)計(jì)，作為改革的一個(gè)有益嘗試。

5 結(jié)束語

課程設(shè)計(jì)在國外是一種很普遍的教學(xué)方式，在國內(nèi)，特別是在基礎(chǔ)理論教學(xué)中，還是很少長期堅(jiān)持的。多年來，課程組始終堅(jiān)持在理論教學(xué)同時(shí)執(zhí)行教學(xué)大綱的課程設(shè)計(jì)計(jì)劃。取得比較明顯的教學(xué)效果。持續(xù)不斷地提升了學(xué)生的工程實(shí)踐興趣。

近幾年來，持續(xù)不斷地堅(jiān)持課程設(shè)計(jì)以及各種形式的實(shí)踐教學(xué)改革［5－9］，取得了比較突出的成績。例如，在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，我們學(xué)校連續(xù)4屆(2005年－2011年)獲得好成績，國家獎(jiǎng)(一、二等)總數(shù)，1屆排名第二名;3屆排名第一。在其他形式電子設(shè)計(jì)比賽中也取得優(yōu)異成績。這種大面積的好成績，盡管不是《電路分析基礎(chǔ)》一門課程的功效，但是基礎(chǔ)課程的推動(dòng)作用，是不可忽略的。

［1］胡翔駿.電路分析［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2007.

［2］William H Hayt， Jack E Kemmerly， Steven M Durbin.Engineering Circuit Analysis［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［3］李翰蓀.電路分析基礎(chǔ)［M］.第3版.北京:高等教育出版社，1993.

［4］鐘洪聲，崔紅玲.工程電路分析基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［5］鐘洪聲.實(shí)驗(yàn)在電路理論教學(xué)中的重要意義［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2012，58(2):194－196.

［6］鐘洪聲.電子信息專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與建設(shè)［J］.云南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，33(1):355－357.

［7］鐘洪聲.電子類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的建設(shè)［C］.2008年全國高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)協(xié)作會(huì)議論文集.北京:郵電大學(xué)出版社，2008.

［8］鐘洪聲.鼓勵(lì)大學(xué)生參加科研活動(dòng)［C］.2007年全國高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)協(xié)作會(huì)議論文集.北京:電子工業(yè)出版社2007.