電路原理課程教學改革探索

吳國慶+張燕君+朱奇光+王偉 齊躍峰+畢衛紅

[摘 要] 針對當前專業基礎課《電路原理》教學所面臨的諸多問題，結合國內外先進教學理念，提出了適合本校《電路原理》課程的教學改革措施，從教學內容調整、教學方法改進以及實踐環節等方面進行研究，形成了一套系統的教學模式，并給出了相應的案例，通過學生與教師之間及時的教學反饋與評價，達到較好的教學效果。

[關鍵詞] 電路原理；教學內容；教學方法；實踐教學

[中圖分類號] G642.4[文獻標識碼] A[文章編號] 1005-4634（2015）04-0066-06

0 引言

針對目前各高校在教學中存在的諸多問題，教學改革勢在必行。以工程技術人才為培養目標的高等院校，針對不同工程類專業，制定了諸如創新型人才、卓越工程師等培養計劃，通過CDIO工程實踐、“產學研”互動等人才培養模式的促進，人才培養質量大大提高。

《電路原理》作為電氣信息類的第一門專業基礎工程類課程，在為后續課程（如模擬電子技術、數字電子技術、高頻電路、信號與系統等）提供必要的基礎概念的同時，也著力培養學生對電類學科的專業興趣、工科的思維方式以及分析實際電路的能力。高等院校對電類專業基礎主干課程的重視程度一直很高，在學校大范圍精簡主干課程學時的前提下，《電路原理》課程的學時僅有一次微調?！峨娐吩怼返慕虒W質量對學生的培養以及未來的就業方向起到了至關重要的作用。

本文將教學內容調整、教學方法改變以及實踐環節的大量引入納入到燕山大學《電路原理》課程的教學改革中，給出了具體的實施過程。通過這種個案分析，探索了這些改革措施在《電路原理》課程教學過程中的應用效果，提升了專業基礎課的教學質量、調動了學生的學習積極性，為工程類專業基礎課的教學改革提出了一套科學、可行的解決方案。

1 《電路原理》課程現狀

與熱門專業課程改革相比，《電路原理》課程的改革卻相對落后，主要原因在于《電路原理》課程講授的主要分析方法和由此構成的經典電路理論完善于20世紀中葉，迄今為止沒有發生重大變革。國內最著名的、各大高校用到最多的高等教育出版社邱關源先生編著的《電路》已經有30多年，到現在為止還沿用。《電路原理》課程講授的基本電路模型、基本定律、基本分析方法、基本定理均較以前沒有發生過改變，以“分析理想電路模型”為主體的電路理論的基本框架沒有改變，這就使得《電路原理》這門課程教學改革之路異常艱難。

《電路原理》課程作為燕山大學本科電氣信息類專業的基礎課，涉及專業面廣，包括電子、通信、計算機、自動化、電氣、測控等電子電氣類專業約1200人。課程內容理論知識點多、學習難度高。近些年，其它電氣類專業課程改革如火如荼，相比之下《電路原理》的講授方式除了改成多媒體教學外，和30多年前講授的內容基本不變，學生反響效果一般。因此，原有的授課方式很難適應當前人才培養的需求，目前主要存在以下問題。

1）學時減少，教學內容不變，需要提高有效學時的合理分配。隨著高校對學生知識面拓寬和專業知識加深的要求，實踐課程學時增加，理論基礎課程總學時日益減少，產生了知識量增加而學時分配卻減少的矛盾。在有限的學時里完成教學內容，需要認真分析目前傳授的內容與專業需要是否匹配，通過在主要內容上合理的分配學時，加深學生對主要知識點的把握。

2）多媒體的利用率太高，學生很少做筆記，導致消化理解課上內容的能力下降。隨著多媒體技術引入課堂教學，大大的提高了教師講課內容的容量，也節省了在黑板上書寫帶來的時間浪費，但學生的接受能力是有限度的，課堂上又很少人做筆記，就算做了筆記，也很難跟上進度，因此產生了學生接受知識的能力與大幅提高課堂容量之間的矛盾。并且，學生課后很少復習答疑，導致理解課堂上內容的能力下降，如此惡性循環，大大降低了學生對這門課的興趣。

3）以前死記硬背式的學習方法已經不適合《電路原理》課程的學習。由于《電路原理》是一門專業基礎理論課程，所以內容里很多都是大幅的理論、公式、模型，這些都需要一定時間的記憶，但大量的記憶會引起學生的反感，學生只會為了通過這門課程而學習，從而失去對這門課程的興趣，這與學校開這門課的初衷相悖。

4）理論知識與實踐的脫節導致學生對《電路原理》課程的興趣降低。隨著高校對于工程類專業的重視，特別是以培養工程類人才為目標的高校，會大力開展工程類課程實踐環節的教學工作，而傳統的《電路原理》課程主要以理論講解為主，除了幾個典型的實驗外，很少有實踐內容與課堂上所講的理論相匹配。而工科類大學生一般對實踐環節比較感興趣，這就產生了理論內容過多而實踐環節缺失的矛盾，進而導致大多數學生還是停留在理論習題的掌握上，而真正到了應用相關理論去解決實際問題時又手足無措。

針對以上問題，本文從教學內容上做出了一定的調整，提出了適合本?！峨娐吩怼氛n程的教學內容改革；從教學方法上提出了類比式和互動式教學理念提高學生記憶理論知識的能力和學習的積極性；通過具體實驗、模擬仿真以及課程設計的綜合應用鍛煉學生的實際動手能力。在整個教學過程中，強調學生是學習的主體，以社會對學生的要求為主旨，培養學生學習態度、分析問題和解決問題的能力。

2 教學內容調整

教師在教學過程中應盡可能的使學生在有限的課堂時間內掌握《電路原理》的教學內容，注重該課程與后續專業課程（如模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統、自動控制原理等）之間的聯系。精選出與后續課程緊密關聯的內容，刪減那些目前應用性不強的內容。例如講解基本電路元件的外部特性時，可以引入金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），因為該器件在當今集成電路領域應用的比較多，很有代表性，也很容易引起學生的興趣；講解電阻電路的電橋平衡問題時，可以引入傳感器技術里橋路輸出的電壓靈敏度、線性度以及負載特性等；講解疊加定理時，可以引入信號與系統中的信號的可加性；講解動態電路復頻域分析中網絡函數的概念時，可以引入自動控制原理的系統響應函數等。另外對于《電路原理》課程中含有運算放大器和非線性電阻的章節，雖然這些章節內容在后續模擬電子技術課程中會作為精講內容，但是為了讓學生盡早對目前集成電路領域中常用器件有更清楚的認識，考慮把這兩部分內容作為學生自學章節，教師提出學習要求，學生利用課余時間通過圖書館、網絡信息平臺給出自己對該部分內容的理解，并形成報告，教師根據每個學生完成報告的情況給出相應的指導，并將這段學習經歷作為平時成績計入總評。這樣，不僅解決了相應課程之間教學內容的重復問題，同時也培養了學生的自學能力，讓學生知道了學習該門課程的價值所在。同時，也要對一些內容做一定的刪減，例如電阻電路的一般分析中的圖論知識點、支路電流法求解、特勒根定理、互易定理、對偶原理以及卷積積分等內容，它們對后續課程無影響，占用很多學時，并且都是偏理論的內容，學生掌握比較困難，且目前實際電路中應用很少，可以考慮刪掉或者給學生簡單解釋，學生大概理解即可，不用深入討論。

3 教學方法改革

教學方法的選擇應該與該課程的性質和內容相對應，《電路原理》課程里的理論部分有很多相似的原理、性質、模型，如果將它們進行類比分析會省去很多記憶的時間，采用聯想記憶會大大提高學生對知識點理解的程度；而互動教學通過創設積極有效的師生之間、學生之間的互動情景，將知識內容融入教學互動過程中，加深學生對知識的理解、提高學習的積極性，促進學生能力和素養的提升[1]。

3.1 類比教學法

所謂類比，就是由兩個對象某些相同或相似的性質，推斷它們在其他性質上也有可能相同或相似的一種推理形式。類比式教學方法是利用課程內容相對或相似進行的一種由此及彼的教學方法。對于電阻和電導元件進行類比教學，由歐姆定律類比開始，推導出開短路關系、電阻電路一般分析法中的回路電流法和節點電壓法方程的關系以及電阻之間的等效變換，并且指出兩種方法的區別如回路電流法中互電阻可正可負，而節點電壓法中互電導只能為負。對于電容和電感元件進行類比教學，由電壓電流的瞬時值關系類比開始，推導出兩種元件相量法中的相量、有效值、相位關系；動態電路的復頻域分析時，電容、電感的運算電路模型都是其與電壓源串聯或者和電流源并聯等效，區別在于附加電壓源的大小和方向不同。以上類比性如表1、表2所示，這樣兩類元件特性、電路模型關系等一目了然，學生對比記憶會印象深刻，教學效果也很顯著。

3.2 互動教學法

《電路原理》課程要想收到比較好的教學效果，還需教師改變傳統的填鴨式教學模式，在教學過程中應時刻關注學生為學習的主體這一概念，要經常注意與學生的互動交流。教師可以通過精心設計與本節內容相關的問題進行問題互動，也可以進行角色互換，鼓勵學生大膽走上講臺，做一些具體知識點如等效電阻求解小竅門、正弦穩態電路的相量圖法求解等小講座，使學生得到表達能力上的鍛煉。以上這些難點內容如果枯燥的進行講解，學生可能會難以理解，就算課堂上聽明白了，課下也會很快忘記。相反的，如果能通過查資料主動去鉆研這些內容，并且在講臺上自己能說清楚，讓其他人明白理解，自身就會有成就感，就會更加愿意去主動學習了。同時，過程中學生也會養成查資料的好習慣，時刻關注著名學校在該課程上的講授方法以及內容闡述，對于該門課也會更加有興趣。并且，學生也能體驗到教師工作背后的辛苦，會更加尊重教師的勞動，反省自己的行為，從而達到德育教育和能力教育雙重培養的目的[2]。

4 實踐環節改革

美國高校的《電路原理》課程已經基本實現與工程實踐的緊密結合[3]，而我國高校在這方面還很欠缺，基本上還停留在理論講解階段，與實際接觸較少。所以會經常出現學生通過四年的大學學習進入社會后很難很快地融入到具體的工作中去，必須通過大量的實踐鍛煉才可以上手。本文主要從以下三方面進行實踐環節的改革與探索。

4.1 電路模擬仿真環節

計算機輔助教學軟件Multisim是專門用于電路仿真和設計的工具軟件，它能夠自動建立電路的KCL、KVL以及VCR方程，并將計算結果進行處理，用圖形和動畫形式展現出來，這將使教學內容更加形象、生動，有助于學生理解和掌握。Multisim具有較好的人機交互界面，易學易用；豐富齊全和可擴充的元器件庫，包括基本元件（電阻、電容、電感、電源等）、半導體器件（二極管、三極管等）、運算放大器、TTL和CMOS數字IC、DAC、ADC及其他各種部件；豐富的測試儀器如萬用表、信號發生器、雙通道示波器、掃頻儀、邏輯分析儀瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網絡分析儀等；能提供交直流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數掃描分析、溫度掃描分析、零、極點分析、傳遞函數分析等。并且調試所得結果電路可以和Tango、Protel和Orcad等印制電路設計軟件共享，生成印制電路，自動排出印制電路版，是一種非常好的仿真軟件[4]。模擬仿真的過程還可以搬上多媒體屏幕，與《電路原理》課件有機結合，提高學生的興趣。

對于所要講解的內容，教師可以提前給學生布置相應的仿真作業，當然，這些仿真作業要具有一定的代表性，且每個學生都要獨立完成，并給出相應的結果分析以及可能會出現的問題，教師可以通過答辯的方式對每個學生的掌握程度進行評判，并作為平時成績的考量。通過這些仿真作業的獨立完成，學生能更加理解電路原理的精髓，對知識點有系統清楚地認識，對于陌生的電路能通過仿真以及自己的分析得到準確的判斷，這對于提高學生對電路原理的認識大有裨益。

例如講解含有受控源的等效電阻的求解時，會遇到負電阻的概念，學生很難理解，這時通過Multisim仿真模擬后，萬用表能測量到具體的數值30，但萬用表無法反映正負極性，如圖1（a）所示，所以通過外加電源法很容易仿真得到負電阻的結果，如圖1（b）所示，這很真切的體現了負電阻電路的特點，教師對于什么樣的電路等效電阻會是負電阻的情況加以補充，再結合負阻抗變換器概念的引入，學生們對負電阻的理解也會尤其深刻了。

例如講解一階RC電路的充放電時，學生對于動態電路的時域分析很難理解，體會不到電容電壓隨時間變化的規律是什么樣的，這時可以通過Multisim進行仿真模擬，隨著開關J2將12V電壓源的接入與短路，如圖2（a）所示，示波器實時顯示電容兩端電壓，波形如圖2（b）所示，這時可以清楚地看到充放電過程變化引起的電容電壓按照指數規律變化。改變圖2（a）中的電路元件參數，圖2（b）又會發生什么變化，最終通過仿真找出圖形變化與參數變化的關系，與一階RC電路的經典法求解得到的結果相比較，找出相同點和區別，這種可視化的設計能激發學生的學習興趣，有利于提高教學的效率和學生學習《電路原理》的積極性。

4.2 電路實驗環節

《電路原理》不僅有理論部分，還包括重要的實驗內容。教研組開設了直流電路的測量、疊加原理的驗證、戴維南定理的驗證、交流參數測定、互感電路測量、三相電路、功率因數提高以及一階RC電路的響應八個實驗。每個實驗都包含實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗內容、實驗注意事項、預習思考題和實驗報告。教師在理論知識點的講解過程中穿插上一節的仿真模擬后，如果再通過相關的實驗內容加以體會，學生就可以加深對該電路內容的理解，提高動手能力以及學習興趣。例如實驗“疊加原理的驗證”，因為該實驗涉及到每個獨立電源單獨作用電路，需要對每個電源進行置零操作，而電壓源置零需要短路，電流源置零需要開路，通過電源部分開、短路的接法鍛煉了學生電源操作部分的動手能力，在后續課程以及實驗中也可以更加深刻的理解該知識點。并且該環節可以同4.1節的仿真內容相聯系，學生在實驗前可以通過先仿真再實驗找出實驗中可能會出現的問題，然后再根據實驗中的參數將重新仿真得到的結果與之前相比較，通過以上的相似點和不同點總結該電路的性質，給出該電路最終的結果分析，這樣對于典型的電路就會有一個清楚深刻的認識。

4.3 課程設計環節

在學生具備理論分析、電路軟件仿真和基本動手能力基礎上，為了進一步加深學生對實際電路的理解和掌握，將電路課程設計引入到《電路原理》課程實踐教學環節中。教師設計一些簡單的題目或引導設計方向，學生通過查閱相關資料，自主選題，設計方案，采用Multisim、Proteus等仿真軟件對方案進行模擬仿真，驗證設計的方案是否可行，制作硬件調試系統，在調試過程中學生通過查閱資料對硬件進行反復修改調試，并不斷改進系統。教師在這期間給予適當指導，通過一系列的鍛煉和培養，學生提高了自己的實際動手能力，為后期更深一步學習打下良好的基礎。例如在講解直流電壓源時，可讓學生自行設計直流電壓源，要求提供±12V和±5V的直流電壓。圖3是學生設計出的電路原理圖以及相應的實物圖，其中直流電壓源包含變壓、整流、濾波、穩壓等功能，這些內容雖然是后續模擬電子技術里面講授的內容，但現在通過學生的自己動手操作，可以直觀的感受到直流電壓是如何產生的，學生真切的體會到了具體電路的設計過程，提高了學習積極性。

5 學習過程的反饋與評價

《電路原理》課程的教學改革方法各高校有所不同，但出發點都集中在學生這一主體身上，因此在教師教學、學生學習的過程中，一定要引入必要的反饋機制去了解、掌握學生學習的動態，包括積極性、興趣點（理論分析還是實踐驗證環節）等等，并且教師要針對學生的狀態對每一階段的教學狀況做出合理的評價，學校在每個學期的中期也會讓學生通過調查問卷方式對教師以及這門課程做出評價，比如學生最感興趣的知識點、最不感興趣的知識點、最難的知識點、能聽懂課堂講授內容的百分比、仿真對學習是否有幫助及課堂演示實驗對教學是否有幫助、課程設計最難的是什么等等[5]。這些評價都為以后該門課程教師的教學工作指明了方向。

6 結束語

本文通過對燕山大學《電路原理》課程內容特點以及教學現狀進行分析，總結了當前該課程教學中存在的問題，提出了適合本校《電路原理》課程的教學內容改革方法；從教學方法上提出了類比式和互動式教學理念提高學生記憶理論知識能力和學習的積極性；通過模擬仿真、具體實驗驗證以及課程設計的綜合應用鍛煉學生的實際動手能力。未來的《電路原理》教學中可以嘗試以小班形式采用PLB（ProjectBasedLearning）或CDIO（ConceiveDesignImplementOperation）模式授課。盡可能的接近真實工程項目的設計、分析、研制和展示過程，以促進學生對《電路原理》課程各知識點的深入理解，為國家和社會培養有真本領的人才。

參考文獻

[1]張燕君，吳國慶，等.電路原理課程的多維互動課堂教學探索[J].教學研究，2014，37（6）：71-75.

[2]張麗，陳松，楊彥從.電路原理課程的教學改革探索[J].中國教育技術裝備，2014，（24）：132-133.

[3]J.W.Nilsson，S.Riedel.ElectricCircuits9th[M].London：PrenticeHall，2010.

[4]左麗霞.Multisim在《電路原理》教學改革中的應用[J].科技信息，2008，（30）：479，486.

[5]于歆杰，朱桂萍，陸文娟，等.“電路原理”課程教學改革的理念與實踐[J].電氣電子教學學報，2012，（1）：1-8.