歐陽宏志 陳文光

摘要：為了改變“電路原理”課程教學(xué)重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)狀，使學(xué)生體驗(yàn)抽象的理論知識(shí)其實(shí)就在社會(huì)生活實(shí)際中，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，給出若干個(gè)工程實(shí)例，包括人體的電阻模型、萬用表的測(cè)量誤差、延時(shí)開關(guān)、無線充電器、雙音多頻撥號(hào)鍵盤等。實(shí)踐表明，此舉提高了學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也培養(yǎng)了其工程意識(shí)和工程能力。

關(guān)鍵詞：電路原理；工程實(shí)例；教學(xué)改革

作者簡介：歐陽宏志（1982-），男，湖南衡陽人，南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師；陳文光（1968-），男，湖南株洲人，南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。（湖南 衡陽 421001）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0042-02

“電路原理”是一門理論性和技術(shù)性較強(qiáng)的電類基礎(chǔ)課，通過學(xué)習(xí)該課程掌握電路的基本理論知識(shí)、基本分析方法和初步實(shí)驗(yàn)技能，為后續(xù)課程建立必要的理論基礎(chǔ)，最終目的是作為工程研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和指導(dǎo)，集中體現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程意識(shí)和工程能力的培養(yǎng)。教育部已經(jīng)啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)適用經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的工程技術(shù)人才，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力?！半娐吩怼弊鳛橐婚T重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，特別適合做改革試點(diǎn)的排頭兵。在教學(xué)實(shí)踐中，教師如果一味去推導(dǎo)復(fù)雜的公式，演算抽象的習(xí)題，再加上國內(nèi)的教材普遍枯燥乏味，學(xué)生會(huì)逐漸失去學(xué)習(xí)的熱情，更談不上應(yīng)用和創(chuàng)新。電路課程的課堂講授與工程實(shí)例相融合，是提高教學(xué)效果，開闊視野，啟迪思維的一種有效途徑。

筆者嘗試在課堂教學(xué)中融入工程實(shí)例，根據(jù)長期的教學(xué)和科研實(shí)踐，總結(jié)出電阻等效變換、戴維寧定理、動(dòng)態(tài)電路、變壓器原理、諧振電路、無源濾波器、非正弦交流電路等電路理論在工程實(shí)際中的應(yīng)用，為電路基本理論的教與學(xué)提供一些鮮活的例子。[1]

一、人體的電阻模型

人體是導(dǎo)體，人體阻抗是包括人體皮膚、血液、肌肉、細(xì)胞組織及其結(jié)合部在內(nèi)的含有電阻和電容的全阻抗。人體阻抗是確定和限制人體電流的參數(shù)之一。它受皮膚狀態(tài)、接觸電壓、電流、接觸面積、接觸壓力等多種因素的影響，在很大的范圍內(nèi)變化。人體電容很小，工頻條件下可忽略不計(jì)，于是可以得到圖1所示的簡化人體電阻模型。RN表示頭部的電阻，RA表示手臂的電阻，RT表示軀干的電阻，RL表示腿部的電阻。

這個(gè)案例可以讓學(xué)生看到電路建模的過程，了解工程近似的方法，也可以理解電阻星三角的聯(lián)結(jié)關(guān)系以及安全用電等知識(shí)點(diǎn)?？梢蕴峁┙o學(xué)生一些講義，讓他們分析：10mA以下的電流流經(jīng)人體哪一條路徑相對(duì)是安全的？人在遭受生理刺激時(shí)，阻抗會(huì)變化嗎？國家規(guī)定的安全電壓有哪幾種？進(jìn)而引起大家對(duì)于安全用電的重視。

二、數(shù)字式萬用表的測(cè)量誤差

數(shù)字式萬用表是將測(cè)量的電壓、電流、電阻等電參數(shù)值直接用數(shù)字顯示出來的測(cè)試儀表，是一種常見的儀表。它靈敏度高，準(zhǔn)確度高，顯示清晰，但是如果使用不當(dāng)，也會(huì)帶來較大的誤差。[2]圖2所示為萬用表測(cè)量電壓的示意圖。

已知在不同量程下萬用表內(nèi)阻RV的大小，求解電壓的相對(duì)測(cè)量誤差，一般用電阻的混聯(lián)等效的方法計(jì)算，比較麻煩。但如果應(yīng)用戴維寧定理，把被測(cè)電路看成有源二端網(wǎng)絡(luò)，等效成電壓源和內(nèi)阻的形式后，用分壓公式計(jì)算會(huì)簡單很多。通過這個(gè)實(shí)例，可以進(jìn)一步引發(fā)同學(xué)思考：數(shù)字式萬用表測(cè)量電壓的原理是什么？其內(nèi)阻與量程有何關(guān)系？如何測(cè)量交流電壓？

三、樓道延時(shí)開關(guān)

住宅小區(qū)的樓道里現(xiàn)在使用的都是聲光控觸摸延時(shí)開關(guān)，方便又節(jié)能。一個(gè)簡單的延時(shí)開關(guān)電路如圖3所示。它是如何實(shí)現(xiàn)延時(shí)的呢？當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)燈常亮，當(dāng)K斷開時(shí)，LED發(fā)光，電容C通過R2及D5，D6被充電，可控硅SCR得到觸發(fā)電流導(dǎo)通，電燈在開關(guān)斷開后仍然亮，隨著時(shí)間的延長，電容兩端的電壓漸漸升高，充電電流逐漸減小，經(jīng)過一段時(shí)間后，可控硅截止，電燈熄滅，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)照明的功能。

這是電容充放電（動(dòng)態(tài)電路）應(yīng)用的典型實(shí)例，由于和日常生活密切相關(guān)，同學(xué)們都表現(xiàn)出極大的興趣。[3]這時(shí)可順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生在課堂上研究：時(shí)間常數(shù)怎樣估算？如果想延長電燈點(diǎn)亮的時(shí)間，怎么改造電路？通電延時(shí)開關(guān)可以怎樣設(shè)計(jì)？

四、無線充電技術(shù)

無線充電器是指利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行充電的設(shè)備，原理上類似于空心變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流給電池充電。能量的傳送和信號(hào)的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送這一想法早已有之，但因?yàn)橐恢睙o法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。這種用比較簡單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無線傳能，將使便攜式電子設(shè)備面臨一次新的變革。

有些同學(xué)已經(jīng)體驗(yàn)到了無線充電器的樂趣，這也是一個(gè)時(shí)髦的話題。從這個(gè)例子還可以引出功率和效率的問題，什么情況下主要考慮功率？什么情況下主要考慮效率？可以讓學(xué)生探究無線供電還有哪些應(yīng)用，第二代身份證的識(shí)別又是什么原理。學(xué)生查閱資料后會(huì)頓悟，原來所學(xué)的東西就是高科技的基礎(chǔ)，要把基礎(chǔ)打牢，才能建好高樓大廈。

五、三分頻音箱

很多同學(xué)是音樂發(fā)燒友，對(duì)音質(zhì)要求很高。對(duì)于音響系統(tǒng)，通常需要獨(dú)立地調(diào)節(jié)低音、高音和中音。音箱分頻器是一種由電感和電容組成的組合式濾波器。如二分頻器就是由一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器組成。三分頻則又增加了一個(gè)用于中音通道的帶通濾波器，如圖4所示。濾波器在分頻點(diǎn)附近呈現(xiàn)較陡斜率的衰減特性。通常把相鄰曲線衰降相交叉處叫做分頻點(diǎn)。由于濾波器的斜率不能絕對(duì)陡峭，在分頻點(diǎn)附近就會(huì)有一段重疊的頻帶，在這一段頻帶內(nèi)，兩只揚(yáng)聲器都有輸出。理論上要求濾波器的衰減率越大越好。但是衰減率越大，元件越多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，且插入損耗亦越大。

電路的頻率特性這一知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜而且抽象，用分頻器作為實(shí)例不失為一個(gè)很好的策略。講解完分頻器電路的原理后，可以用萬用儀軟件或者音頻編輯軟件在課堂上處理流行的歌曲，讓學(xué)生感受不同類型濾波器的過濾效果，并學(xué)會(huì)計(jì)算截止頻率，繪制波特圖，設(shè)計(jì)簡單的無源濾波器。[4]

六、雙音多頻信號(hào)

雙音多頻（DTMF，Dual Tone Multi Frequency）是由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電話系統(tǒng)中電話機(jī)與交換機(jī)之間的一種用戶信令。DTMF編解碼器在編碼時(shí)將擊鍵或數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成雙音信號(hào)并發(fā)送，解碼時(shí)在收到的DTMF信號(hào)中檢測(cè)擊鍵或數(shù)字信息的存在性。一個(gè)DTMF信號(hào)由兩個(gè)頻率的音頻信號(hào)疊加構(gòu)成。這兩個(gè)音頻信號(hào)的頻率來自兩組預(yù)分配的頻率組：高頻組和低頻組。每一對(duì)這樣的音頻信號(hào)唯一表示一個(gè)數(shù)字或符號(hào)。通信設(shè)備，比如手機(jī)，就能自動(dòng)根據(jù)對(duì)方系統(tǒng)提示恢復(fù)數(shù)字或者符號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)功能，這在如今的電話銀行、語音菜單、分機(jī)呼叫系統(tǒng)中使用效果尤其明顯，可見DTMF在手機(jī)上的使用可以帶來更多的便利和精彩。如表1所示，雙音多頻的撥號(hào)鍵盤是4×4的矩陣，每一行代表一個(gè)低頻，每一列代表一個(gè)高頻。每按一個(gè)鍵就發(fā)送一個(gè)高頻和低頻的正弦信號(hào)組合，比如“1”相當(dāng)于697Hz和1209Hz。交換機(jī)可以解碼這些頻率組合并確定所對(duì)應(yīng)的按鍵。

表1 雙音多頻信號(hào)頻率

高頻群頻率（Hz）

低頻群頻率（Hz） 1209 1336 1477 1633

697 1 2 3 A

770 4 5 6 B

852 7 8 9 C

941 * 0 # D

在課堂上，可以用Pspice等軟件仿真讓學(xué)生看到DTMF信號(hào)的波形，也可以利用加法器使學(xué)生理解：非正弦周期信號(hào)可以由不同頻率的正弦量疊加而成，這是線性系統(tǒng)的重要思想。嘗試進(jìn)一步發(fā)問：DTMF信號(hào)如何編碼和解碼？當(dāng)利用VoIP（Voice over Internet Protocol）技術(shù)等進(jìn)行聲音壓縮傳輸時(shí)，還能直接發(fā)送原始信號(hào)嗎？這樣使得通信類學(xué)生有了一定的專業(yè)素養(yǎng)。

七、結(jié)束語

“電路原理”是電類專業(yè)學(xué)生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生以后的專業(yè)學(xué)習(xí)有著深遠(yuǎn)的影響。與工程應(yīng)用融合的教學(xué)方法在考驗(yàn)著教師的工程素質(zhì)、研究經(jīng)歷和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，課堂教學(xué)又是大學(xué)教育的主戰(zhàn)場(chǎng)，教師在對(duì)電路理論分析和計(jì)算的同時(shí)，應(yīng)盡可能把內(nèi)容融合工程實(shí)例，把抽象的概念現(xiàn)實(shí)化，給學(xué)生以電路相關(guān)應(yīng)用的啟示和工程實(shí)際的體驗(yàn)，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，在潛移默化中培養(yǎng)工程意識(shí)和創(chuàng)新理念。[5]

參考文獻(xiàn)：

[1][美]海特.工程電路分析[M].周玲玲，蔣天樂，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]劉敏華，吳桂峰.電路分析基礎(chǔ)課程案例教學(xué)法探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（23）.

[3]李悅麗，張漢華，黎向陽.電路原理課程中培養(yǎng)學(xué)生工程觀念的實(shí)踐[J].中國電子教育，2013，（2）.

[4]胡巖，袁宏，高有華，等.電路理論在電氣工程中的若干應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（1）.

[5]焦永功，常青.技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)中對(duì)學(xué)生工程觀念和方法的培養(yǎng)問題[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（3）.

（責(zé)任編輯：王意琴）