摘 要:本文对我校自动化专业基础必修课程“电路原理”的教学改革进行研究和探讨。针对传统电路教学信息量大,知识点分散,偏重理论,脱离实际工程的教学模式,提出从系统化角度来调整课程内容与结构、建立课程之间的联系。将各种工程软件引入教学,使学生从枯燥的计算中解脱出来。同时,把市场上流行的元器件引入教学分析中,培养训练学生工程设计的能力。最后提出对考核指标和步骤的改革措施。近几年的实践表明,从系统的角度来改革教学内容、教学手段和考核方法取得了较好的教学效果。
关键词:电路原理;系统化;工程软件;教学改革
中图分类号:G642.0 ? 文献标识码:A??文章编号:1672-3791(2015)09(b)-0000-00
Reform and Research on Systematic Teaching for Circuit Theory Course
FAN Jin-rong
( South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China )
Abstract: This paper explores the teaching reform practice of Circuit Theory course for the students in Automation. The traditional teaching mode is divorced from the practical engineering application. On the systematic point of view, the reform details are elaborated, including teaching contents, structure, approaches, methods and evaluation index. Better teaching effect has been achieved after many practices in recent years.
Keywords: Circuit Theory; systematic; teaching reform
0 引言
“电路原理”课程是自动化专业的第一门专业课程。近三十年来,传统教学和相关的经典教材[1,2]都是将上个世纪已经成熟完备的经典理论体系作为教学重点,对理想化的元器件构建精美的电路进行计算。其内容也停留在线性电阻、电容和电感元件电路分析和理论计算。市面流行的场效应管,光耦器件都不涉及。这种脱离现实,枯燥的教学无法使培养学生的工程意识,更不利于创新性人才培养。在高校“十二五”规划 “少学时”培养方案要求下,如何在有限学时内让学生理解掌握该课程分析方法,如何安排该课程的知识点,使之符合学生的认知规律?如何处理课程与后续专业课程的联系?笔者通过多年的教学实践改革经验,提出系统化的角度来改革“电路原理”的教学内容、教学手段和课程考核方法。
1 系统化的教学内容改革
作为大一新生,其思维模式停留在中学物理中的欧姆定律。我们首先从系统的角度对“电路原理”课程以欧姆定律为出发点,整理成表1,使学生从系统的整体性来把握课程的学习内容及与该专业后续课程的联系。表1中可以看出,自动化专业课程内容看似繁杂,包罗万象,从分立元件到简单系统再到复杂系统。但从系统的角度来看,学习的过程是不断地抽象与化简,建立统一的系统模型。将日常生活中熟悉的系统如空调,动漫游戏引入,引起学生的探知欲望,激发学习兴趣,也消除了畏难情绪。
表1 系统化“电路原理”教学思路
阶段
教学内容及延伸
物理抽象
课程名称
1
电压电流基本测量
欧姆定律
大学物理
2
集总参数元件
KCL、KVL
电路原理
3
放大器
门电路、组合逻辑电路
数字电子技术
4
滤波器
模拟电路
模拟电子技术
5
模拟系统(变压器、调节器、RF放大、电源、继电器等等)
指令系统、程序语言、软件系统
汇编语言、C语言、Matlab、操作系统
6
各类应用控制系统(鼠标、烤面包机、声呐系统、空调、电玩、太空舱等等)
电信号转换,数据采集,反馈,识别
信号与系统分析、控制理论、模式识别等等
“电路原理”是自动化专业课程系统的一个元素,从系统化角度来讲,元素之间是相互联系的相互左右,不是孤立的。现有经典教材中,由于学时限制,往往没有给出课程内容之间的联系。如“数字电子技术”中简单门电路,往往是一个符号。在教学中,可以用一个简单电压源Vs,电阻R和一个开关K来构成图1所示简单电路来阐述非门(反相器)工作原理。从而引导学生建立“模拟信号”与“数字信号”的物理含义,将后续专业课程与基础课程联系起来。当然,进一步作电路开关元件的并联,可以建立图2所示的或非门电路。这样在课堂上五分钟的内容延伸与讲解,学生容易理解基本电路的作用。进一步提出思考,如何设计与非门电路?学生在问题驱动下,立刻举一反三,激发兴趣,课堂也活跃起来。此时再引入“模拟电子技术”课程中的二极管元件,调整图1中电源大小,通过仿真软件观察输出结果,引导学生建立真值表。在此基础上,进一步引入MOSFET元件,替换图1中的开关,布置练习作业让学生课外查找资料来认识MOSFET元件特性。这样的教学内容改革,不但使学生很快意识到不同元器件来实现同样功能电路的设计理念,而且架构了本课程与后续课程联系纽带,将分散的知识点构成整体性系统,便于理解与掌握。同时将专业后续课程在这里提及,使学生对专业课程设置有系统化认识和了解。
图1 非门电路
图2 或非门电路
“电路原理”本身概念比较多,知识点分散,从系统化角度,将授课内容划分为直流电阻电路、动态电路的时域分析和正弦稳态电路三大块。直流电阻电路中在集总参数约束下给出电路理论中的基石:元件的VCR和基尔霍夫定律(KCL和KVL)。参照实际电力系统网络,每个节点电压是各电力设备的额定电压来确定的,系统中瞬息万变的电流才是我们要分析和控制的变量,电力系统的最严重的故障就是短路故障。显然仅有VCR和基尔霍夫定律不能快速准确地获取各支路电流,对系统进行监控或分析。各种分析计算方法,如网孔法、回路电流法、节点电压法就是为了提高计算速度而整理的方法。作为电气工程师,只需要快速列写标准化的矩阵方程,计算的工作由各类软件来实现。此时将MATLAB语言[3]引入到电路计算分析中,一方面可以让学生掌握这门控制科学仿真设计中不可或缺的工具,另一方面使学生养成规范地列写矩阵方程的习惯,为后续专业课程如“信号与系统分析”、“自动控制原理”奠定工具的基础。电力网络瞬息万变,某一支路参数的突然变化都需要重新列写整个系统的方程,这显然不能满足电网监控中快速性的要求。于是电路等效变换,戴维南定理(诺顿定理)及时“出现”来解决这个问题。为了让学生更好地掌握“等效”和“化简”这两个始终贯穿电路理论教学的概念,我们调整了经典教材中的授课次序,将第三大块正弦电路分析提前到这里。相量分析将正弦交流变量转换成相量后,第一块中的定律、分析计算工具和方法都在这里再次应用,仅仅在描述符号上有差别(矢量符号代替标量符号)。这样的内容调整,学生巩固复习前面的知识。特别是对称三相正弦电路的学习,应用相量分析,将电压(或电流)正弦时域表达式变换到相量表达式,将对称三相电路变换到单相电路,用戴维南等效化简电路到电源、内阻抗和负载阻抗的串联。“化简”的分析思路在这些过程中不断地展现,让学生不断领悟到表1中所示的思路:从系统的角度,我们的各种设计与发明创造都是在化简系统。如同面对一辆小车,尽管内部电路错综复杂,但对驾驶员而言,仅需控制油门、刹车和方向盘。将动态电路放在最后讲授,此时同时进行的高等数学中的微分方程求解正好作为计算工具来应用。大学物理中电磁学理论学习也正好结束,这个时候用来分析耦合、充放电、变压器原理,正好理论与实际应用相结合,学生很好掌握。
2 系统化教学手段改革
教学内容的扩充,传统的手工绘制电路原理图形,用计算器来计算电压电流参数耗时费力的学习方式也必须进行相应的改革。作为教辅工具我们引入PSpice AD Student分析软件[4],来帮助学生理解和监控电路系统工作运行情况。在课堂上进行例题讲解中,先让学生以2~3人小组的形式讨论问题的思路,所要用到的定理、方法。计算的过程及结果直接用软件仿真完成,既节省了繁杂计算的时间,也能清晰地展现电路中各参数之间的关系。特别是受控源器件,抽象的数学表达式学生很难准确理解变量之间的控制关系。PSpice软件采用导线将某一支路电流或某一节点电压连接到需要控制的支路或节点上,学生直观清晰地理解了“受控”的真正含义。这虚拟仪器上的接线,也“映射”到学生在实际实验中,指导实验中正确串联电流控制量和并联电压控制量。同时PSpice软件能够提供灵敏度、可靠性分析,这是实际工程中不可或缺的,通过使用软件让学生建立了适当的工程化概念。
提到Matlab作为强大的数值运算工具在自动化后续专业课程中得到广泛的应用。在“电路原理”教学中,利用Matlab强大的计算功能,可以把学生从繁杂的手工计算中解脱出来。在动态电路分析和实验中,利用Matlab可得到精确解和相应的波形曲线,可视化图形让学生理解时间常数,衰减度等工程概念。相比于C语言,Matlab是一门接近科学计算的语言,编程十分容易,学生可以方便地利用M编写通用函数,建立工程模块化概念。同时,也在实验中引导应用Matlab中的Simulink功能构建电路模型,改变元器件参数,变换激励的幅度、频率和初始相位等参数,对不同响应进行分析与比较。这样通过使用Matlab工具,采用两种方式来对电路系统建模和仿真,让学生在分析比较中理解电路分析的方法,掌握相应的原理。
当然,适合于“电路原理”教学的软件还有许多,如Multisim,Proteus等等。作为学习工具,在教学中,我们将这些工具介绍给学生,让他们根据自己的喜好自由选用。这些工具代替传统笔和计算器等文具,学生很容易理解,完全利用课外时间就可以掌握使用。从大一就开始学习使用这些必不可少的工程软件,培养了学生工程设计的理念。这样从系统整体角度,把各类软件自然融合到“电路原理”的学习中,不用另设软件学习相关课程,实现了“有需求就学,边学边用”的教学模式。
3 系统化改革课程考核
传统单一的期末闭卷考试让很多学生平时不用功,到考试周临时抱佛脚,甚至死记硬背公式来应对。我们将课程考核按多形式多阶段进行改革,具体措施如下。
(1)形式多样化。课堂实例讲解分析中,我们只给出思路和步骤,模型建立,参数计算和数据分析由学生课外自己完成整理。每个学生抽查10次,记录为练习成绩。5次实验前,先布置预习任务,学生用软件建模仿真,记录预习成绩。如果没有完成,要补充完成后方允许进入实验室。实验完成后,记录过程,比较结果,分析数据,以报告形式规范书写整理成册,记录为实验成绩。还有2次课程小设计任务,分别在直流部分完成和动态响应部分完成后。要求给出设计思路、分析原理、设计电路原理图、仿真结果,撰写设计报告。这样处理,既让学生带着问题来学习仿真软件的使用,也训练了学生撰写规范的工程文档的能力。另外根据前文划分的三大块内容,每部分完成后,设置45分钟的开卷单元小测试。最后是学期末的闭卷考试。
(2)调整成绩合成比例。系统化学习的过程,是一个分阶段,有反馈的过程。在上面分阶段进行的考核中,学生通过测试来检查自己掌握的程度。教师也通过测试反馈及时把握学生的学习状态,调整授课的进度与重点。把以往重视结果的单一期末考试转化为重视过程的考核形式。综合成绩的合成也调整为平时成绩占60%,期末考试占40%.其中平时成绩为上文所列出的练习成绩、实验成绩、课程小设计、单元小测试,各部分在平时成绩中的权重比例为25%。另外,期末考试的重点在动态电路的时域分析和正弦稳态电路。因为在直流部分中的定理和方法在转换形式后应用在这动态和稳态电路中。这样对学生而言,分阶段有步骤掌握知识点,思路清晰,也减轻了期末集中复习考试的压力和焦虑。
4 结语
本文分析传统电路教学中存在的问题,从教学内容、教学手段和考核形式提出了电路教学改革。目前我们将此方法应用于“电路原理”教学中,学生消除了畏难情绪,课程不及格率下降了。更重要的是,学生对专业课程体系有了明确的认识与理解,提高了对专业课程学习的积极性。
参考文献:
[1] 邱关源, 罗先觉主编. 电路(第5版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006年6月
[2] 于歆杰, 朱桂萍, 陆文娟. 电路原理[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2008年3 月
[3] Cleve B.Moler著.张志涌等译. MATLAB数值计算(2013修订版)[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2015年1月
[4] 章涛,卢晓光,李海.电路分析基础课程引入仿真实验平台应用实践[J]. 实验室科学, 2015年04期:59-61.
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