科教融通模式下电路分析教学改革_李健.pdf

第 43卷 第 3期 高 师 理 科 学 刊 Vol.43 No.3 2023 年 3 月 Journal of Science of Teachers College and University Mar.2023 文章编号：1007-9831（2023）03-0097-05 科教融通模式下电路分析教学改革 李健，高硕，马建国（北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191）摘要：针对电路分析课程的传统教学模式与后续实际电路分析存在较大脱节的问题，按照“强化基础、突出实践”的教学要求，强调课程内外知识的融合尤其在仿真实验教学内容与方法上进行了突破性的改革，引领学生熟悉从实际元件到其理想模型的建模过程，并通过探究类大作业，结合科研实际需求，指导学生进行合理的电路设计，促进了学生科研素质与创新能力的提升 关键词：电路分析；科教融通；教学改革 中图分类号：TM133G642.0 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2023.03.020 Teaching reform of circuit analysis course with integration of science and education LI Jian，GAO Shuo，MA Jianguo（School of Instrumentation Science and Opto-Electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）AbstractAbstract：Aiming at the problem of disconnection between the traditional teaching model and the subsequent actual circuit analysis，the integration of knowledge inside and outside the curriculum is emphasized according to the teaching requirements of strengthening the foundation and highlighting practice In particular，a breakthrough reform has been made in the teaching content and method of simulation experiments，which leads students to be familiar with the modeling process from actual components to their ideal modelsIn addition，the students are guided to carry out reasonable circuit design through inquiry based homework and combination with the actual needs of scientific research，which promots their scientific research quality and innovation ability Key wordsKey words：circuit analysis；integration of science and education；teaching reform 新工科建设背景下，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面落实立德树人根本任务，着力推进新时代高质量人才培养体系建设，打造强情怀、强基础、强实践、强融通的“四强”人才培养模式，促进人才培养的高质量内涵式发展1-2电路分析课程作为电气信息类的专业核心课程和该专业本科生面对的第一门工程类课程，其教学质量对学生的培养质量起到非常重要的作用，不仅需要夯实基础，学好知识，也要在基础中渗透综合、创新、实践能力等科研素质的培养3-4 针对传统电路分析课程在教学中存在的与后续专业课程脱节、实践性差以及学生的理论理解不深入的问题，开展教学改革优化教学内容，以工程实际问题为切入点，加深学生对理论知识的理解，加强与后续专业课程的衔接；加入课堂实验和课题探究环节，构建“基础性学习-拓展性学习-研究性学习”三位一体的课程模式，提高学生分析和解决实际电路问题的能力 收稿日期：2022-11-20 基金项目：国家自然科学基金项目（61705005）；2022 年北京航空航天大学本科教学改革研究与建设项目 作者简介：李健（1986-），男，山西长治人，助理教授，博士，从事计算机视觉、嵌入式系统研究E-mail：lijian_ 98 高 师 理 科 学 刊 第 43 卷 1 电路课程教学现状 电路分析课程讲授的主要分析方法和由此构成的经典电路理论完善于上世纪中叶，基本框架以“分析理想模型构成的电路”为主体，具体包含电阻电路分析、正弦激励下动态电路的稳态分析、动态电路的时域分析这大部分，迄今为止没有发生重大变革本专业 48 学时电路分析课程的教学内容见表 1 表 1 电路分析课程教学内容 组成部分 教学内容 电阻电路分析 电路模型和电路定律：电阻元件、电容元件、电感元件、独立电源、受控电源、基尔霍夫定律 电阻电路的等效变换：电阻和电源的串联和并联，含受控源电路的等效变换 电阻电路的一般分析：回路电流法、节点电压法 电路定理：叠加定理、戴维南定理和诺顿定理 正弦激励下动态电路的 稳态分析 相量法：正弦量和相量的基本概念、电路元件和定律的相量形式 正弦稳态电路的分析：阻抗、导纳、相量图、功率、频率特性、谐振 含有耦合电感的电路：互感、互感电压、理想变压器 非正弦周期电流电路：非正弦周期信号及分解、有效值、平均值和平均功率 动态电路的时域和 频域分析 时域分析：动态电路的方程及其初始条件，一、二阶电路的零输入响应、零状态响应、全响应、阶跃响应、冲击响应 频域分析：拉普拉斯变换、运算电路分析 受学时限制，本专业电路分析课程强调经典电路理论和分析方法的教学，沉湎于“分析理想模型构成的电路”，使得学生缺乏从实际元件到电路模型的建模观点教师的授课围绕电阻、电感、电容和受控源等最基本的理想元件，学生的学习仅限于完成列方程求解由理想元件构成的电路习题，与分析实际电路有较大脱节，相当多学生在学完电路课程后，面对实际电路往往无法有效使用电路分析方法首先，这种教学模式使学生在认知和应用相关知识时产生隔膜学生后续学习模拟电路、自动控制原理等课程时，不能将电路分析的相关知识点融会贯通，影响了整体培养效果其次，理论教学基本不考虑实际问题，如误差和噪声等，一旦在实验和实践中出现与理论分析不完全吻合的情况，学生很难理解5 电路分析作为学生接触的第一门工程类课程，应该在强化基本理论知识的基础上，更加着力培养学生的创新精神和创新意识让学生建立适当的工程概念，了解当代电气工程领域中被广泛使用的元件，接触并学会分析若干典型工程实例6，熟悉常见工程元件的建模过程，掌握电路的工程化直觉求解方法，尝试电路设计时所需的一些工程化考虑，具备提出和解决实际电路问题的能力 2 电路课程教学改革实践 在电路分析课程的教学过程中，贯彻教研一体、科教融通的理念，充分发挥该课程在基础和专业、理论和实践中的桥梁作用，以研促学，学以致用，使学生在本科高年级顺利开展专业知识的学习和科研项目的研究教学改革方案设计见图 1，教学过程中引入仿真试验，带领学生共同分析实验结果，理解元件特性及工程概念，强化基础知识7-8，同时引导学生利用仿真工具分析其他一些常用元件，对其进行建模，将原先多学时教学大纲中的内容放到课后进行拓展学习，有效解决了学时少而内容多的矛盾9 电路课程的一大特点是涉及领域广泛，概念性知识比较多，若将学生局限于每一个单独的知识点，就事论事，无疑增大了学生学习的难度，而在每一部分知识的讲解中，梳理相互之间的联系，将所学知识相互印证，不仅减轻学习的压力，更能巩固知识掌握程度电路课程的学习，向学生打开了专业的大门，不少人会产生朦胧未知的感觉，有一些迷茫和担心实属正常，但更多是对未知的好奇和探索，教学过程中要充分调动学生的求知欲和学习兴趣，建立与后续专业课的联系，为学生后续学习指明方向在此基础上，指导学生开展探究性大作业，最终将知识有机地融合起来，达到知行合一的培养目标，提升学生的成就感和永攀高峰的信心 基础专业实践理论课内知识关联专业课程过渡综合项目探索仿真实验分析 图 1 教学改革方案设计 第 3 期 李健，等：科教融通模式下电路分析教学改革 99 2.1 仿真实验分析 通过在教学过程中嵌入电路的仿真验证，带领学生熟悉从实际元件到其理想模型的建模过程，将抽象的符号公式变成电脑屏幕上可视直观的电路现象，加深学生对所学知识的理解压控电流源的仿真实验见图 2，受控源是学生学习中遇到的新元件，课上带领学生分析场效应管的直流特性，发现经过电源2V的电流2I受电源1V控制，在恒流区具有21IV=的关系，进而抽象得到压控电流源的符号和特性方程教学过程中自然而然地融入了等效的工程概念以及模拟电路的知识，使学生在后续学习中更加容易接受 V1V2Q1 a 仿真电路图 V1/VI2/A b 直流扫描分析结果 图 2 压控电流源仿真实验 在熟悉电路仿真软件后，课下进一步拓展教学内容运算放大器作为学生科研实践的常用元件，受学时限制未在教学中体现针对这一问题，遵循由简入难的原则，首先要求学生通过仿真研究运算放大器的电气特性（见图 3），经过工程近似得到运算放大器电路的分析方法（即“虚短”和“虚断”），有效解决了教学内容和学时之间的矛盾同时介绍了运算放大器在信号放大、信号加减等方面的应用，如电压跟随器及其隔离作用，为教学后期综合项目探索打下良好的基础 V3 V2 15 V15 VV1 V3/V输出电压输出电压/V a 仿真电路图 b 参数扫描分析结果 图 3 运算放大器的电气特性仿真 2.2 课内知识关联 教学过程中要注重课程前后知识的关联，通过从多种角度对问题进行剖析，建立各种分析方法之间的联系，巩固知识掌握程度例如：电容和电阻构成一阶动态电路可以很好地帮助理解积分器与低通滤波之间的关系从信号与系统的角度看，电容与电阻组成的电路系统是一个积分器，系统的输入为加在电路两端的电压，输出为电容两端的电压电容充电的过程为：当电路中突然加上电压之后，电容开始逐步充电，也即是电容两端的电压从 0 逐步增大，直到电容两端的电压与加在电路两端的电压相等为止从时域角度分析，电容容值越大，时间常数越大，电压增大越慢，因此输入电压脉冲越短时，输出电压变化不明显从傅里叶分析的观点来看，电压脉冲越短，高频成分越丰富 也就是说，突然的变化包含着更多的高频分量 从输入输出信号的关系看，高频分量被抑制了，这正好就是一个低通滤波器这样就建立了过渡过程和频率特性的关系又如：在讲授动态电路的复频域分析方法时，无法避开却经常忽略的一件事情就是，传递函数和频率特性的联系如果在教学过程中稍微进行引申，将输入为正弦激励代入传递函数计算电路输出，并考虑时间趋向于时电路的稳态响应，对比发现频率特性就是将传递函数的自变量s用jw替换所得到同时复频域分析涵盖了时间和频率分别从 0 到的所有特性，最终将电路 3 大部分内容统一起来 100 高 师 理 科 学 刊 第 43 卷 2.3 专业课程过渡 教学过程中要注重后续专业课程的衔接和电气信息类知识体系的构建在讲解动态电路的复频域分析 方法时，提示学生课程所分析的电路，其传递函数的极点实部均小于 0，当时间趋向于时，暂态响应趋近于 0，只包含稳态响应，因此系统是稳定的而当存在实部大于 0 极点时，系统不稳定而无论是传递函数还是频率特性均与输入无关，只由系统结构和参数来决定，虽然频率特性描述了系统在正弦激励下的稳态响应特性，却包含了系统自身的所有特