田社平， 張 峰

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200240)

0 引言

近二十年來，電路技術的應用領域迅速擴展，從分立到集成，構(gòu)成實際電路的基本元件及其特征都發(fā)生了根本性變化，電路課程的教學也應適應這種變化[1, 2]。其目的不僅僅是讓學生理解學科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿，更重要的是培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)，為把學生培養(yǎng)成工程技術領域的卓越人才奠定良好的基礎。

本文基于我校基本電路理論課程的教學實際，于2016-2017學年第一學期在一個教學班中實施研究型教學在電路課程教學的應用。

這一教學實踐是以電路應用實例為載體，通過在課堂上針對電路應用實例開展研究型教學并在課外通過小論文撰寫開展研究型學習，以此提高學生的電路綜合素質(zhì)特別是將電路理論應用于工程實際電路的分析和設計能力。通過學生問卷調(diào)查、訪談調(diào)查來反映實際的教學效果，證明在電路理論課程教學中采用這一研究型教學模式可有效提高學生電路分析的能力以及學習電路理論課程的興趣。

1 電路課程研究型教學

研究型教學不是一個新概念，而是作為一種教學思想、方法、模式，它在大、中、小學教育中均有應用。

大學研究型教學是對應于一般的以傳承知識為中心的傳授式教學而提出的，強調(diào)教師研究性地教與學生研究性地學的有機融合，主張師生在共同研究中共享研究樂趣和研究成果，促進創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性人格發(fā)展的教學思想、方法和模式的綜合。整個教學過程是一個重過程、重應用、重體驗、重全員參與的過程，具有主體性、合作性、研究性、開放性和創(chuàng)新性等待點。它是素質(zhì)教育思想和創(chuàng)新教育思想的重要體現(xiàn)[3]。

在電路理論課程教學中采用研究型學習的模式，在國內(nèi)外的高校中已有應用的先例。如芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學從1999年開始在“基礎電路分析”課程中采用基于問題的學習教學[4]，愛爾蘭梅努斯大學在電子工程專業(yè)教學中開展了基于項目問題的學習教學[5]。我國清華大學“電路原理”課從教學方法、教學手段和教學組織三方面進行教學改革以及在專業(yè)基礎課中進行研究型教學[6]，通過普遍采用啟發(fā)式和討論式教學方法，培養(yǎng)學生的研究興趣；使用歷史追溯、現(xiàn)實聯(lián)系和未來展望式教學法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；課堂教學中有意識地進行工程研究方法訓練，培養(yǎng)學生的工程觀點。大連理工大學在“電路理論”課中針對電路頻率特性開展研究型教學，按照從感性認識到理性認識的過程，首先通過仿真方法將電路變量隨頻率變化而變化的情況展現(xiàn)給學生，然后通過啟發(fā)和討論，逐步引導學生獨立思考，并進行理論分析[7]。電子科技大學在“電路分析基礎”課程中采用研究型教學模式，通過啟發(fā)式教學、思維調(diào)動教學、總結(jié)歸納教學、現(xiàn)場仿真教學、實驗演示教學、課程設計驅(qū)動教學、課程內(nèi)容延展性教學等手段，引導學生逐步建立自主式學習、發(fā)現(xiàn)式學習、研究性學習等多樣化的學習模式[8]。

上述電路課程的教學實踐給我們開展電路研究型教學提供了很好的啟示。

2 研究型教學的實施過程

2.1 前期準備

我校的“電路理論”課程是一門具有很強工程應用背景的專業(yè)基礎課程。電路理論來源于電路的工程實際，又為電路的分析與設計提供理論指導。在工程實踐中，存在大量適合于進行研究型教學的應用實例。我們通過電路應用實例，結(jié)合這些實例的工程應用背景及其所涉及的電路理論知識開展研究型教學。為此，必須在課前準備好應用教學的電路應用實例。

電路的應用領域廣泛，具體的電路形式靈活多變。如何從無數(shù)的工程應用電路中篩選出適合于電路的實例，是首先應該明確的問題。我們認為，在選擇工程實例電路時，應注意以下幾個方面[9]：① 電路必須是典型的；② 電路的應用領域應該具有一定的專業(yè)覆蓋性；③ 電路應具有良好的工程應用價值；④ 電路的分析方法應緊密配合電路的教學；⑤ 電路具有良好的趣味性，以增強教學效果。

根據(jù)上述原則，我們選取的工程實例電路如表1所示[10]。

表1 電路應用實例列表

30負電阻電路94單相異步電動機電路31電梯呼叫按鈕(電容接近開關)95分解器移相電路32三極管小信號模型96利用運放實現(xiàn)回轉(zhuǎn)器33負反饋放大電路97低通濾波電路34自舉式高輸入電阻放大電路98移相電路35人體生物電阻測量電路99電容三點式振蕩電路(考比茲振蕩器)36開關電容電路100壓電傳感器電路37電平平移電路101濾波電路設計38電壓-電流轉(zhuǎn)換電路(Howland 電流泵)102白熾燈調(diào)光電路39電平轉(zhuǎn)換電路103雙T陷波濾波器電路40采用梯形電阻電路的DAC電路104無源放大電路41改進的Howland 電流泵105由運放OP07構(gòu)成的放大電路42等比例步進衰減電路106由運放構(gòu)成的考比茲振蕩器43同軸電纜衰減器電路107變相器(phase con-verter)電路44電路圖論分析的計算機編程108相序指示器電路45運算放大器的正、負反饋解法109一功率表測量對稱三相三線制電路功率46穩(wěn)壓電路110相序指示器電路47整流電路111相序指示器電路48限幅電路112變相器電路49箝位電路113電力系統(tǒng)故障分析50隧道二極管114低壓三相電路51恒流二極管電路115三相電路的負載設計52對數(shù)、指數(shù)運算電路116直流穩(wěn)壓電源濾波電路53超二極管117電源抗干擾電路54單二極管全波整流電路118諧振陷波濾波器電路55二極管邏輯門電路119電氣設備的接入與斷開56多倍壓整流電路120PID調(diào)節(jié)器電路57用低壓直流電源產(chǎn)生高壓脈沖的電路121全通電路58理想積分電路122電感三點式振蕩電路(哈特雷振蕩器)

59數(shù)字集成電路的頻率極限123電容倍增器60示波器探頭補償電路124含運放全通電路61繼電器電路125補償分壓器電路62采用開關電感的電加熱器電路126電氣設備的接入與斷開63理想微分電路127由運放構(gòu)成的哈特雷振蕩器64RC微分電路和RL微分電路

依托電路應用實例，采取兩種教學形式：①選取部分應用實例作為例子在課堂上開展研究型討論；②將所有電路應用實例分發(fā)給學生，供學生在課外開展研究型學習，具體體現(xiàn)形式為小論文撰寫。

實施過程為：

(1)在教學的第一周即向教學班級介紹教學安排，包括開展基于電路應用實例的研究型教學，以取得學生的理解和配合。將電路應用實例電子版分發(fā)給學生。

(2)按照正常的教學內(nèi)容和進度，將基于電路應用實例的研究型教學嵌入其中，以保證不影響現(xiàn)有教學時數(shù)的分配為準。針對具體的應用實例采用合適的研究型教學方法。

(3)小論文撰寫安排在后半學期(第8周之后)，以組為單位，每組由3～5名學生自由組成，每組由一名組長負責，最后的學習成果表現(xiàn)為撰寫一篇電路理論方面的小論文(以組為單位)。

(4)在教學過程中安排訪談調(diào)查，教學結(jié)束之時進行一次問卷調(diào)查，用于了解學生對研究型教學的看法以及對本課程教學的評價。

(5)在整個學期的教學過程中，注意觀察、分析教學效果，對教學過程進行適度地調(diào)整，以取得最佳的教學效果。

(6)對該學期研究型教學情況和數(shù)據(jù)進行分析，得出分析結(jié)論。

2.2 教學實施過程

在“電路理論”課程中開展研究型教學，主要有如下兩種類型。

1)課堂研究型教學

電路應用實例因其具有明確的工程應用目的，為開展研究型教學創(chuàng)造了非常有利的條件。在教學中，電路應用實例，可從工程應用背景、所涉及的電路理論、設計要求、工程實現(xiàn)、成本等多方面開展研討，使學生既能掌握電路理論的基本知識，又能提高其對電路工程應用的理解。下面舉例說明。

電加熱器電路是一種采用開關、電感的電加熱器電路，如圖1(a)所示，開關S周期性地在位置1、2切換，從而將能量傳輸?shù)诫姛嵩H。為使加熱器具有溫度調(diào)節(jié)功能，RH吸收的平均功率范圍為100～400 W。假定開關S周期性接通位置2的時間為t2=6 ms，試確定開關S周期性接通位置1的時間t1。

(a) 采用開關電感的電路

(b) 采用電位器的電路圖1 電加熱器電路

(1)教學分析—加熱器是一種常見的產(chǎn)品，為大家所熟悉，在工程中加熱器的實施方案有多種，一種容易被理解的方案是采用電位器來調(diào)節(jié)加熱器的功率，如圖1(b)所示。這就是加熱器電路的工程應用背景。設計加熱器電路時，一個重要的指標是電源的能量傳輸效率。

(2)研究型問題—可列出5個小題：①圖1(a)電路的工作原理是什么？② 理論上圖1(a)電路電源的能量傳輸效率是多少？③ 工程實際中有哪些因素影響圖1(a)電路電源的能量傳輸效率？④ 分析圖1兩個電路的能量傳輸效率。⑤ 電路工程實現(xiàn)時，有哪些問題需要解決？

(3)教學過程—實際教學過程可圍繞(2)節(jié)所述問題開展，回答問題①，可幫助學生掌握和鞏固電感元件VCR、功率和能量的課程知識點。假設電感的初始電流為零，開關S周期性接通位置1的時間為t1，則S接通位置1后，電感的電流為

S接通位置2后，電路的時間常數(shù)為L/R=1 ms，經(jīng)過6 ms，亦即6倍的時間常數(shù)，電感的電流可認為下降為零。電熱元件吸收的平均功率為

當P=100 W時，可求得t1=1.6 ms；當P=400 W時，可求得t1=3.7 ms。

電感的電流為

從上述分析可知，由于電路只存在電熱元件消耗電能，因此很自然地得出理論上圖1(a)電路電源的能量傳輸效率是100%的結(jié)論。但這并不意味著在工程實際中仍然能夠保證100%的能量傳輸效率，這是因為實際的電感器和開關都存在電阻分量，不可避免地要消耗能量。工程實際中能量傳輸效率一般可以達到95%以上。

而圖1(b)電路中調(diào)節(jié)加熱器功率的電位器RA本身就是電阻，要消耗能量，經(jīng)過計算，電源的傳輸效率為η=1/(1+RA)，η隨RA的增大而逐漸降低。

圖1(a)電路工程實現(xiàn)時，還須解決的問題有：電感元件作為功率元件，如何實現(xiàn)？如何實現(xiàn)開關S周期性地切換？24V電源如何實現(xiàn)？雖然這些問題的解決還涉及后續(xù)課程知識，但它們的提出，有助于激發(fā)學生的思考以及學習興趣。

2.3 課外研究型學習

課外研究型學習的開展以研究小組的形式進行。小組學習方式是一種自主、合作、探究的學習方式，它有利于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。課外研究型學習的成果形式為以組為單位撰寫一篇小論文。

整個實施過程包括選題、研究型問題形成與討論、生生與師生間交流、資料查閱、結(jié)論形成、論文撰寫、成果匯報等。在實施過程中值得注意的問題包括：

(1)小組的形成。分組的目的在于組員可以就某一問題進行深入研究和討論。為提高學習效果，每組人數(shù)不宜過多，一般4人一組。組員間的關系應比較融洽，每組設組長，負責整個小組的討論。

(2)選題。問題的選擇是否合適，直接關系小組合作學習的效果。問題太難，無法進行深入研究，問題太易，則學習的興趣和效果均有限。選題由小組自定，可以通過閱讀電路應用實例來確定，也可選擇在課程學習中出現(xiàn)的問題，還可閱讀其他電路理論資料來確定。題目選定后，任課教師要與小組交流討論以確保題目在合理的可研究范圍之內(nèi)，同時就研究的大致內(nèi)容予以明確。

(3)任務分工。為保證組員的學習效果，對學習任務如資料查閱、結(jié)論形成、論文撰寫、成果匯報等應加以明確分工。任務分工由小組自行完成。

(4)考核與評價。整個學習過程的考評在學生總評成績占比為10%。為保證考核的公平合理，采取組員互評、教師觀察評價、口頭匯報和書面匯報相結(jié)合的綜合評價方式。

(5)教學秩序的維持。整個學習進程由教師事先進行規(guī)劃，形成文件分發(fā)給學生，保證教學秩序的正常進行。

(6)教師的作用。教師主要起指導、促進的作用，對小組學習中出現(xiàn)的問題應及時響應并予以解決。

3 研究型教學的實施效果

通過問卷調(diào)查、訪談調(diào)查以及教師的觀察來評價“電路理論”課程研究型教學的實施效果。整個教學班共有69名學生，其中49名為應屆二年級學生，其他為重修生，學生專業(yè)包括微電子、信息工程、生物醫(yī)學工程、測控技術與儀器等。

3.1 學生問卷調(diào)查結(jié)果分析

調(diào)查問卷圍繞著教學總體情況和電路應用實例研究型教學共設計了31個調(diào)查變量，分別見表2和表3。采用5點評定量表，即對調(diào)查內(nèi)容完全不同意——1；不同意——2；不確定——3；同意——4；完全同意——5。采用匿名調(diào)查形式，共發(fā)出63份有效的電子問卷，回收57份，有效問卷57份，有效問卷回收率90.5%。調(diào)查結(jié)果平均值/標準差見表2和表3。分析結(jié)論如下：

表2 教學總體情況調(diào)查結(jié)果

表3 電路應用實例研究型教學調(diào)查結(jié)果

(1)學生對課程教學的總體評價及自我評價均為正面。例如，對A1變量，只有4人表示“不能肯定”，其他均為“同意”或“完全同意”；對A2變量，只有1人表示“不能肯定”，1人表示“不同意”，其他均為“同意”或“完全同意”。

(2)變量B1、B2的平均值均達到4.4，說明學生對通過電路應用實例開展研究型教學持正面肯定態(tài)度。但變量B3的平均值只有3.2，說明不能肯定學生在課后認真地閱讀了《電路應用實例集》。這說明課堂研究型教學效果可能優(yōu)于課外研究型教學效果。

(3)總體來看，學生對以研究小組的形式進行開展研究型教學持正面支持態(tài)度，其中變量B11、B26的平均值均達到4.5，說明學生最認可“對電路的工程背景有了一定的理解”、“電路問題具有一定的實用價值”。

(4)從變量B24、B25的平均值可以看出，任課教師對教學的投入得到了學生的認可。

3.2 學生訪談調(diào)查結(jié)果分析

學生訪談調(diào)查由課程助教完成。隨機選取20名學生作為訪談對象，其中5名為重修生。訪談由助教安排在私密的環(huán)境，通過面對面交談、記錄的形式完成。訪談內(nèi)容由學生自由表達。訪談過程持續(xù)整個學期。結(jié)果歸納如下：

(1)學生總體認可電路理論的研究型教學。如“C1：相比其他老師，上課會花很多時間和精力傳授電路實例，感覺非常實用和有趣，在日后應該也是有所應用的?！薄癈2：很有意義，偏向老師講解電路應用實例?！薄癈3：碰到有意思的電路，會很感興趣，覺得可以在電路實例中融入電路解題技巧的講解?！钡灿袑W生提出了教學對考試、專業(yè)的影響，如“C21：但想到期末考試，功利地講，也還是需要講解電路解題技巧，感覺現(xiàn)在的上課模式不錯，兩方面都有所顧及?！薄癈22：覺得電路應用實例可能對自己今后的學業(yè)幫助不大。還是希望多講電路解題技巧，對考試比較有幫助。”

(2)學生總體認可電路應用實例對研究型教學的作用。如“D1：看了實例集感覺學的知識在日后很有用，小論文也是從中找的靈感。”“D2：很有意義，學理工科主要是為了解決實際的生活問題，尤其是電路應用實例這塊是需要有經(jīng)驗的老師來傳授的，而電路解題技巧這一部分可以通過自身努力彌補。”“D3：有很多例子跟現(xiàn)在所學的數(shù)字電子有所掛鉤，可以相互理解應用。希望增加更多跟數(shù)電相關的例子?！钡珜W生也反映由于課余時間緊張，課業(yè)負擔比較重，無法對《電路應用實例集》進行深入研究。這與問卷調(diào)查的結(jié)論也是吻合的(見表3變量B3)。

3.3 任課教師的教學觀察

任課教師通過對教學過程的觀察，得出如下印象：

(1)采用研究型教學更能激發(fā)學生的學習積極性。具體表現(xiàn)在，相比于往屆教學情況，本屆學生提問積極性明顯增強。

(2)采用研究型教學能提高課堂教學效果。具體表現(xiàn)在，在課堂講解電路應用實例時，學生發(fā)言踴躍，討論、甚至爭論的氣氛濃厚。

(3)課外小組學習盡管增加了學生的一定負擔，但也得到了學生的積極響應。具體表現(xiàn)在不斷有小組/學生向任課教師就討論的問題進行交流。

4 結(jié)語

(1)以電路應用實例為載體，在“電路理論”課程中開展研究型教學，對提高學生綜合素質(zhì)如自主學習能力、收集信息、資料的能力、團隊協(xié)作能力、書面交流(寫作)能力、口頭報告(演講)能力、利用理論解決實際問題的能力、從事科學或工程研究的能力、組織和領導能力等都有積極效果。(田社平等文)

(2)通過學生問卷調(diào)查和訪談調(diào)查以及教師的教學觀察，表明學生認可電路理論研究型教學過程。

(3)研究型教學只是一種教學模式或形式，它服務于課程教學目標。因此，研究型教學必須根據(jù)課程的特點來開展。盡管在電路理論課程研究型教學中以電路應用實例為載體，較好地體現(xiàn)了課程的工程應用背景，但如何合理安排教學內(nèi)容、時間、形式，改善教學效果、提高學生課業(yè)成績，還有待進一步完善。這也是將來的工作方向。