“電路分析”課程研究性教學探討與案例設計

楊鴻波 高晶敏 魏英 柴海莉

摘要：重點介紹了“電路分析”研究性專題案例的詳細設計，分析了以這些專題案例為核心的教學過程及具體措施。通過開放的課程資源和基于問題的學習使得學生逐漸提高自主研究和學生的能力。

關鍵詞：電路分析;研究性教學;教學案例設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0062-03

現代高等教育特別注重對學生創新素質、創新能力的培養。創新教育是以激發人的創新精神和創新能力為重點，以培養受教育者創新意識、創新思維和創新習慣為目標的教育形式[1]，涉及到整個社會教育的更新，這需要花費相當長的實踐才能實現。[2]要實現這個目標就是要在教學環節中注重對學生創新能力的滲透和培養。在創新教育的各種形式中，研究性教學受到了越來越多的重視。研究性教學的實質與靈魂是學習者知識的自主建構，研究性教學過程就是把研究和教學結合起來，就是用研究的觀點、方法和過程改造傳統的教學。研究性教學并非是新生概念，并非是學術性研究（并非是高難度），研究性教學并非具有統一模式。研究性教學不僅強調如何教，更強調如何學。在研究性教學中存在著教、學、研究相結合的特點，集中體現在課內講授與課外實踐相結合，教師引導與學生自學相結合，教材學習與廣泛閱讀相結合，傳統繼承與研究創新相結合，知識傳授、思維訓練和研究能力的培養相結合[3]。

對于工科大學生來說，創新能力的培養是一個貫穿整個本科教育周期的過程，必須通過科學完整的專業培養才能夠實現，而具體課程都是其中的一個環節。“電路分析”是工科學校內信息類和電類相關專業電子技術方面入門性質的技術基礎課，在電類相關專業的發展中占有重要地位。在“電路分析”課程的實際教學中常會遇到以下四個問題：課程內容多，信息量大，而學時相對較少;理論教學和工程應用脫節，導致學生不會運用知識;教學內容和范例主要以抽象的理論分析和計算為主，很少涉及應用[4];在“電路分析”課程教學階段由于學生還缺乏必要的知識儲備，所以創新對學生來說還是可望而不可及的。

針對上述問題，許多高校在“電路分析”或“電路原理”課程的教學中進行了研究性教學的探索和嘗試，取得了一些有益的成果。[5-7]但是考慮到“電路分析”課程在專業學習中的基礎地位以及目前我國高等教育的現狀，筆者認為研究性教學改革更為理性的目標是著重強化電路基礎教學，培養學生的創新潛能。[8]

一、“電路分析”研究性教學目的與模式

“電路分析”課程研究性教學的目的和意義在于探索以學生為本，有利于學生自主學習與科學研究的“電路分析”課程教學模式，推進工科電類專業人才培養模式的整體改革。充分發揮學生學習的主動性、積極性和創造性，提高學生自主學習與研究的能力，培養學生勇于探索、求實創新、主動學習的良好習慣，培養學生的創新精神、實踐能力和終身學習的素養，奠定學生自主學習和科學研究的基礎。“電路分析”課程是科學教育和工程教育的結合體，既強調分析問題和以邏輯方式解決問題能力的培養，又強調對綜合設計能力的培養和利用現有知識創造新的有用的事物。因此“電路分析”課程研究性教學的目的還在于有意識地培養學生科學抽象的觀點和工程創新的觀點。而只有讓學生在課內和課外均以研究的心態對待教學內容，才能有效地使學生建立這兩種觀點。[5]

為了能夠達到研究性教學的目的就要求完成以下幾項轉變：教學思路的轉變——由“知識點講解型”向“以問題為導向型”轉變;課程訓練環節多元化的轉變——由多元化課程訓練環節提高自主學習能力;教師角色的轉變——由“灌輸者”向“引導者”轉變;學生角色的轉變——由“被動接受者”向“自主學習者”轉變;教學考核方式的轉變——由“應試型”向“多元型”轉變 。

這幾項轉變決定了“電路分析”課程研究性教學采用的教學模式應該充分考慮教學基礎、教學過程和教學目標之間的關系：

“電路分析”課程教學基礎包括兩類，一是與課程相關的高等數學、普通物理等相關基礎課，二是與之相關的一些通識教育基礎課程。在以上基礎上才能開展正常的研究性教學。如果教學基礎不牢固往往造成教學目標難以實現。目前在部分高校的“電路分析”課程教學進程超前于高等數學進程的情況，這就會嚴重影響研究性教學質量。

“電路分析”課程的教學過程是以學習方法和訓練載體為核心組成的。其中學習的方法有很多種，常用的有啟發式、問題式、案例式、設計式、研究式等。訓練的載體包括了“電路分析”課程的主要內容結構以及課程研究性專題案例組成。采用學習的方法利用訓練載體進行訓練完成教學目標。

“電路分析”課程教學目標是培養學生科學抽象的觀點和工程創新的觀點，進而提升學生自主學習、研究與創新的能力。以上目標的達成需要基礎牢固、教學過程完善才能實現。

由以上分析可以看出，“電路分析”課程研究性教學模式是一種三層結構，如圖1所示：

二、“電路分析”實施過程與案例設計

一般地，研究性教學的實施過程如圖2所示。在研究性教學實施過程中，課程開放資源、學習者學習、研究性教學方案設計、學生的研究設計及報告都緊緊圍繞研究性專題和案例而進行。通過“電路分析”課程研究性教學模式可以看出，對于研究性教學而言，與傳統的教學方法比較，研究性專題和案例的設計是核心內容，它是主要體現研究性教學特性的核心要素。因此，研究性專題、案例的設計和選取在很大程度上決定了研究性教學的質量。在研究性專題和案例的基礎上師生通過創設情境、啟發思考、自主（或小組）探究、協作交流、總結提高達到學習知識的目的。

但相對于一些專業課程的研究性教學而言，“電路分析”的研究性專題和案例的設計面臨著一個困難。一方面，電子信息領域是一個發展迅速、不斷創新的領域，電路理論的應用背景、研究的側重點和分析手段也有變化和更新。作為精簡的“電路分析”基礎課程，一方面要回歸電路分析最基本的概念和方法，另一方面也需要將現代電子技術的最新發展介紹給學習者。這就需要通過學習者自己的努力，突破教材內容的限制，通過參考資料的搜集和閱讀了解新知識、新領域和新方法。而另一方面作為專業入門的基礎課程，學習者還不具備完整的理論體系，對工程應用背景理解并不深入。在電子工程、控制工程和通信工程的許多實際問題中，雖然電路分析的理論和方法都起著重要作用，但要想解決這些問題不是“電路分析”一門課程就可以完成的。

因此在“電路分析”課程研究性教學中的專題案例設計不能簡單地使用工程實踐的案例，應該從培養學生的創新潛能出發，對所選實例進行化簡和抽象，提煉有一定挑戰性的現實問題，以問題為導向的主動式學習來激發學生學習知識的興趣，使學習者挖掘與利用開放性、多樣化資源，相互溝通、合作、分享不同的視角與觀點，思考并嘗試解決問題，有助于同學們理解電路課程的知識體系，加深對于所學理論和方法的理解。

基于以上考慮，“電路分析”研究性專題案例可以采用三種不同的類型進行設計。這三種類型的專題案例分別是認知型、分析型、綜合設計型。在多年的教學工作中，北京信息科技大學電路分析課程組逐漸摸索和設計了一些具有特點的研究性專題案例，題目如表1所示。

表1 電路分析研究性教學專題案例

序號 專題案例題目 類型

1 無源器件的認識 認知型

2 Matlab在電路分析中的應用 認知型

3 使用Multisim進行電路仿真 認知型

4 戴維南定理的應用意義 分析型

5 一階電路-閃光燈電路的原理分析 分析型

6 相量是定義、使用和意義 分析型

7 RLC電路的動態特性綜合研究 綜合設計型

8 射頻識別卡原理研究 綜合設計型

認知型案例包括“無源器件的認識”、“Matlab在電路分析中的應用”和“使用Multisim如何進行電路仿真”三項。其中：

案例1：無源器件的認識。對于剛剛接觸電路分析知識的學習者而言，無源器件的電氣特性、伏安關系需要重點掌握。而在實際應用中，必須了解各種類型的無源元件（包括同一種類，但不同原理、原料和封裝的元件）。另外，隨著科技的進步，學習者有必要了解一些最新研究成果，例如：憶阻器的定義、伏安關系、最早如何發現、如何制備等等。只有通過深入研究和調研，學習者才能有所收獲與體會。

案例2：MATLAB在電路分析中的應用。電路分析不僅為后繼課程提供了深厚的理論基礎，也為電路的分析計算提供了各種方法。利用MATLAB軟件，學生自主編程實現支路電流、回路（網孔）電流和結點分析等分析算法，計算和分析典型直流電阻電路、動態電路、正弦穩態電路例題。這樣可以使學習者通過編程的過程，能夠深入掌握一般的電路分析方法。

案例3：使用Multisim進行電路仿真。使用EDA工具進行電路仿真是電路分析學習者需要理解和掌握的知識。Multisim是在后續的電子技術課程中有廣泛使用的EDA軟件，該案例要求學習者了解Multisim軟件中自帶的元件庫中的各種類型元件;掌握Multisim軟件中自帶的各種類型的虛擬儀器使用;了解Multisim軟件自帶的各種電路分析工具使用。設計簡單的仿真實驗、驗證基爾霍夫定律、疊加原理和戴維南定理。

分析型案例包括“戴維南定理的應用意義”、“一階電路-閃光燈電路的原理分析”和“相量是定義、使用和意義”三項。其中：

案例4：戴維南定理的應用意義。戴維南定理是最常用的電路簡化方法。由于戴維南定理都是將有源二端網絡等效為電源支路，所以統稱為等效電源定理或等效發電機定理。學習者在案例研究中閱讀戴維南定理原始文獻，分析戴維南定理的使用范圍，總結運用戴維南定理分析線性電路的方法和意義。最后需要總結整個電路分析課程中涉及到戴維南定理的各個知識點。

案例5：一階電路—閃光燈電路的原理分析。一階電路的時間常數是電路分析課程中重要的概念，在電子技術中有重要作用。除了掌握一階電路的求解之外，學習者有必要掌握利用RC一階電路時間常數的概念實現時間的自動控制。該案例以閃光燈電路為例，要求學習者查閱資料，選定電子器件設計一個自動定時汽車閃光燈裝置，模擬汽車轉向時其轉向燈的閃爍過程。對電路設計進行Multisim軟件仿真。調整電容和電阻的大小，觀察閃光燈閃動頻率的變化。

案例6：相量定義、使用和意義。該案例要求閱讀1893年德國科學家、IEEE（電氣與電子工程師協會）前主席斯坦梅茨（Charles Proteus Steinmetz，1865～1923）的故事。總結相量法求解正弦穩態電路的算法。確定相量法的使用條件，明確相量法結果的物理概念，對比時域經典方法與相量法在正弦穩態電路分析中的對比。學習者需要報告自己對相量法的認識，對它的重要性的體會。通過觀察，總結出關于響應的幾條性質。

綜合設計型案例包括“RLC電路的動態特性綜合研究”和“射頻識別卡原理研究”。其中：

案例7：RLC電路的動態特性綜合研究。案例要求學習者分析、仿真RLC串聯、并聯電路的動態響應與元件參數的關系;分析、仿真測量諧振狀態附近電路變量的變化情況、諧振狀態的測量;了解諧振電路Q值與元件參數關系、Q值對頻率響應曲線的影響;查找一種RLC頻率處理電路的應用，并進行仿真。

案例8：射頻識別卡原理研究。近距離的射頻識別系統采用耦合線圈。學習者利用Multisim的頻率掃描分析，測量頻率從變化時，初級線圈電容上電壓幅度的變化情況;當控制電壓為方波時，觀察初級線圈電容上電壓波形;設計一種電容電壓幅度檢測電路。

以上的專題案例共8項，其中認知型案例3項、分析型案例3項、綜合設計型案例2項。這些案例的研究覆蓋了“電路分析”課程學習中需要掌握的重點和難點內容，同時也注重引導學習者逐步提高使用計算機工具完成電路設計、仿真和分析的能力。除了綜合設計型案例難度較大之外，其他的專題案例都是在學習者力所能及的范圍之內的。通過實踐情況看，認知型和分析型的專題案例大多數學生可以完成，也很感興趣。

從研究性教學過程來看，研究性教學方案的設計是教學過程的開始，目標是通過教學方案的設計驅動學生在系列研究專題的分析與設計過程中，基于問題的驅動，逐步掌握科學研究的一般過程與成果的表達，以培養學生的創新精神、實踐能力和終身學習的素養。因此需要精心進行教學方法設計，需要在基于問題的課堂理論講授、課內實驗、開放實驗、專題研究、專題報告、課外作業教學網站輔助等方面進行一系列探索。

三、結論

“電路分析”是信息和電類相關專業電子技術方面入門性質的技術基礎課，是培養學生動手能力和創新能力的重要課程，在信息和電類相關專業的發展中占有重要地位。由于“電路分析”在整個課程體系中處于基礎層，所以該階段的研究性教學應該以培養和挖掘學生的創新潛能為主。本文介紹了“電路分析”課程中研究性教學的目的和理念，重點分析了研究性教學的實施過程及案例設計。在今后更長期的時間里，要不斷深入教學改革，不斷探索結合實際的教學方法和手段，才能培養學生自主學習的興趣，提高研究性教學質量，實現學習者創新潛質的提升。

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[8]楊鴻波，高晶敏，等.“電路分析”課程教學改革的探索與實踐[J].中國電力教育，2011，（2）：99-100.

（責任編輯：王祝萍）