韓彩霞 謝建群 羅子波

摘 要 分析電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題，提出對課程從實(shí)踐學(xué)時(shí)、考核方法到整合理論教學(xué)內(nèi)容，從理論教學(xué)方法到工程實(shí)際應(yīng)用意識的培養(yǎng)等多方面進(jìn)行教學(xué)改革。通過對課程的教學(xué)改革，使學(xué)生獲得電路基礎(chǔ)理論知識的同時(shí)，著重培養(yǎng)學(xué)生工程意識和實(shí)踐應(yīng)用技能。

關(guān)鍵詞 電路分析基礎(chǔ)；教學(xué)改革；探討

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0122-04

1 電路分析基礎(chǔ)課程的重要地位及教學(xué)現(xiàn)狀

電路分析基礎(chǔ)課程是自動化、電子信息工程、測控技術(shù)等理工科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)人才培養(yǎng)中占有重要的地位，具體分析如下。

1）該課程是整個(gè)大學(xué)教學(xué)中開設(shè)最早的專業(yè)基礎(chǔ)課程，兼具理論性、實(shí)踐性，是學(xué)生第一個(gè)接觸到的實(shí)踐課程；

2）該課程所學(xué)知識在后續(xù)開設(shè)的電機(jī)拖動、電力電子技術(shù)、自動控制原理、單片機(jī)等專業(yè)課程中都有所應(yīng)用，是其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程。

由以上分析可知，電路分析基礎(chǔ)課程在整個(gè)人才培養(yǎng)中屬于基礎(chǔ)性專業(yè)課程和實(shí)踐課程[1]，和后續(xù)專業(yè)課程聯(lián)系緊密。通過該課程的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生掌握電路分析的基本概念、基本定律和電路的分析方法，而且要獲得必需的電工基礎(chǔ)理論知識，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下必要的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，注重工程意識培養(yǎng)、自學(xué)能力培養(yǎng)，使學(xué)生具有分析、解決問題和實(shí)踐應(yīng)用技能，樹立理論聯(lián)系實(shí)際觀點(diǎn)，為培養(yǎng)高技能人才打下必要的基礎(chǔ)。

該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括電路元件介紹、電路分析方法、定理等。目前該課程教學(xué)主要存在以下問題：

一是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)含于理論教學(xué)中，受制于總學(xué)時(shí)限制，無法開展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用實(shí)驗(yàn)箱來完成，學(xué)生只需依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書通過實(shí)驗(yàn)箱連接電路即可完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不能將自身想法付諸實(shí)踐，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)；

二是課程知識點(diǎn)抽象，元器件在電路中工作特性難以理解，電路分析方法、定理眾多，難以深入理解；

三是課程教學(xué)內(nèi)容獨(dú)立于其他專業(yè)課程之外，沒有和相關(guān)其他專業(yè)課程有所聯(lián)系。

2 電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)改革方法

鑒于該課程在人才培養(yǎng)中的重要基礎(chǔ)性地位以及目前教學(xué)存在的諸多問題，進(jìn)行教學(xué)改革，具體分析如下。

修訂培養(yǎng)方案，剝離實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié) 為充分體現(xiàn)課程在人才培養(yǎng)中基礎(chǔ)性地位[2]，以夯實(shí)理論基礎(chǔ)為前提，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，通過梳理江漢大學(xué)文理學(xué)院自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案后發(fā)現(xiàn)，原有課程學(xué)時(shí)包含理論課和實(shí)踐課學(xué)時(shí)，即實(shí)踐課屬于課內(nèi)教學(xué)環(huán)節(jié)。由于受制于總課時(shí)的約束，實(shí)踐教學(xué)只能利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)箱開展一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。鑒于此，將課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1]從原有的理論教學(xué)中剝離出來，單獨(dú)開設(shè)電路分析基礎(chǔ)實(shí)踐課程，并對實(shí)踐課程采取獨(dú)立的考核方式[2]。單獨(dú)開設(shè)實(shí)踐課程后，學(xué)生在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上有充足時(shí)間來完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)加深對理論知識的理解，進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)達(dá)到感性認(rèn)識，培養(yǎng)獨(dú)立思考、創(chuàng)新能力。

整合理論教學(xué)知識體系，瞄準(zhǔn)一個(gè)方向、一個(gè)定律 在該課程眾多定律、定理中，基爾霍夫定律[3]是基本定律，課程后續(xù)介紹的電阻電路分析方法、動態(tài)電路分析都是基于此定律得到的。掌握了基爾霍夫定律，就掌握了電路分析方法，由此可見它在整個(gè)課程中的重要性。它包括電流定律和電壓定律，這里只介紹電流定律。

基爾霍夫電流定律[3]（KCL）定義：在集總電路中任何時(shí)刻，對任一結(jié)點(diǎn)，所有流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零。定義中有幾個(gè)重要的問題需要清晰。

一是電流的“代數(shù)和”。既然涉及代數(shù)和，那必然和電流的正負(fù)有關(guān)。電流的正負(fù)是根據(jù)電流是流出結(jié)點(diǎn)還是流入結(jié)點(diǎn)判斷的，若流出結(jié)點(diǎn)的電流前面取“+”號，則流入結(jié)點(diǎn)的電流前面取“-”號；反之相同。

二是怎樣判斷電流是流出還是流入結(jié)點(diǎn)？電流是流出結(jié)點(diǎn)還是流入結(jié)點(diǎn)，均根據(jù)電流的參考方向判斷。因此在理解基爾霍夫電流定律之前需要瞄準(zhǔn)一個(gè)方向，即參考方向。

實(shí)際電路中電流或電壓的實(shí)際方向可能是未知的，也可能是隨時(shí)間變動的。為了對電路進(jìn)行分析，當(dāng)涉及某個(gè)元件電流或電壓時(shí)，要指定電流或電壓的參考方向。指定參考方向的用意在于把電流或電壓看成代數(shù)量，若電流或電壓的實(shí)際方向和參考方向相同，則認(rèn)為其為正值；若電流或電壓的實(shí)際方向和參考方向相反，則認(rèn)為其為負(fù)值。下面以圖1（a）的電路來分析參考方向的選取。

圖1（a）中，流過電阻電流實(shí)際方向未知的情況下，分析電路時(shí)到底選擇哪種參考方向？為說明問題，仿真圖中根據(jù)不同參考方向連接兩個(gè)電流表，如圖1（b）、1（c）所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真后實(shí)際電流方向如圖2箭頭流動方向（即順時(shí)針方向）。在圖2（a）中選擇參考方向?yàn)槟鏁r(shí)針，即和電流實(shí)際方向相反，電流表示數(shù)為-0.01 A；圖2（b）中選擇參考方向?yàn)轫槙r(shí)針，即和電流實(shí)際方向相同，電流表示數(shù)為+0.01 A。對于同一個(gè)電路選擇不同參考方向后得到電流大小是相同的，只是有正負(fù)的區(qū)別，若得到電流為正值，則說明選擇的參考方向和實(shí)際方向相同；反之相反。

因此，分析電路時(shí)參考方向可以任意指定，并不影響電路的實(shí)際情況。由此，在使用基爾霍夫電流定律時(shí)可簡化處理，即：流入結(jié)點(diǎn)電流代數(shù)和等于流出結(jié)點(diǎn)代數(shù)和。

互動、提問式教學(xué)，透過現(xiàn)象看本質(zhì) 電容和電感元件是交流電路里常用元件，這兩種元件的電壓和電流的約束關(guān)系和電阻元件的不同，它是通過導(dǎo)數(shù)（或積分）表達(dá)的，所以稱為動態(tài)元件，又稱為儲能元件。對動態(tài)元件的理解、掌握將關(guān)系到一階、二階動態(tài)電路的分析。

通過互動、提問引出電容、電感元件的特性。給出如圖3所示電路，首先提出問題：分別將開關(guān)切換到電阻、電容和電感元件所在電路時(shí)，電路中燈泡會有什么現(xiàn)象？讓學(xué)生討論問題。然后利用仿真軟件[4]仿真，會觀察到開關(guān)切換到電阻電路時(shí)，燈泡立刻點(diǎn)亮，亮度始終不變化；開關(guān)切換到電容電路時(shí)，燈泡點(diǎn)亮，但亮度逐漸變暗，最后熄滅；開關(guān)切換到電感電路時(shí)，燈泡不亮，然后逐漸變亮，最后亮度穩(wěn)定下來。為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？

對結(jié)果詳細(xì)分析：由仿真圖4可以看出，電阻電路電壓U1始終不變，所以燈泡開始就點(diǎn)亮而且亮度不變；由仿真圖5可以看出，電容電路開始時(shí)電壓U2為零，電源電壓都加在燈泡上，所以燈泡點(diǎn)亮，隨著時(shí)間的變化，電容兩端電壓逐漸增大，燈泡的電壓則逐漸減小，亮度逐漸變暗，最后電源電壓完全給電容充電，燈泡則熄滅；由仿真圖6可以看出，電感電路開始時(shí)電流為零，燈泡不亮，隨著時(shí)間逐漸變化，電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮。

最后引導(dǎo)學(xué)生通過觀察各電路中燈泡呈現(xiàn)的不同現(xiàn)象結(jié)合仿真圖進(jìn)行分析，電容電壓由零到最大是一個(gè)動態(tài)過程，電感電流由零到最大也有一個(gè)動態(tài)過程，所以兩個(gè)電路中燈泡會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，即它們是儲能元件。

進(jìn)一步引申問題：有電容元件存在的電路，當(dāng)通電時(shí)間足夠長后，電容兩端相當(dāng)于斷路；有電感元件存在的電路，當(dāng)通電時(shí)間足夠長后，電感相當(dāng)于短路。

通過以上提問、互動的過程，學(xué)生會容易理解有電容、電感元件的電路是動態(tài)電路，通過圖表分析可以清晰、直觀地對動態(tài)電路元件性能進(jìn)行分析，明白在動態(tài)電路中電容電壓、電感電流是如何變化的。

由點(diǎn)及面，由淺入深，理論向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化 二極管是電路設(shè)計(jì)中常用的電子元件，具有單向?qū)щ娦?，即在二極管兩端加正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)二極管截止。針對這一特性，考慮在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，二極管的這個(gè)性質(zhì)有什么用處？給出圖7所示電路和電路輸入電壓波形圖，如圖8所示，讓學(xué)生分析電壓探針U2處電壓波形。

分析可知，當(dāng)輸入信號處于正半周期時(shí)，二極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號處于負(fù)半周期時(shí)，二極管截止。圖7是利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)工程上常用的半波整流電路。電壓探針U2處電壓波形如圖9所示。

通過以上對實(shí)際電路的分析，逐漸建立學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

3 結(jié)論

通過對課程進(jìn)行教學(xué)改革，給予學(xué)生充分實(shí)踐、創(chuàng)新的時(shí)間，發(fā)揮學(xué)生主動思考能動性；以參考方向和基爾霍夫定律為主線展開理論教學(xué)，降低課程學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生容易理解、掌握電路分析的基本方法；由電路現(xiàn)象來分析電路本質(zhì)，以及通過由點(diǎn)及面將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生工程思維，鍛煉學(xué)生工程意識。

參考文獻(xiàn)

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[3]邱關(guān)源.電路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

[4]馮瑞鈺.Proteus仿真在“電路”課程教學(xué)中的應(yīng)用[M].中國電力教育，2014（12）：55-56.