面向卓越計劃的電工與電路基礎教學改革

唐鶯　陳棣湘　潘孟春

[摘 要]卓越工程師教育培養計劃對電工與電路基礎課程有了新的要求。在教學活動中，應該以提高學生工程素養和創新動手能力為目標，深入進行教學內容、教學方法和考核方式的改革，提出具體的教學改革措施。

[關鍵詞]電工與電路基礎；卓越工程師；教學改革；教學方法

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）03-0133-02

卓越工程師教育培養計劃（簡稱卓越計劃）是教育部于2010年為落實國家中長期教育改革和發展規劃綱要而推出的高等教育重大改革計劃，其目標是培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才。[1]

課程作為大學教育的主要載體，是提高人才培養的基礎，是學生獲得知識、發展創新能力、提高素質的主要途徑，歷來為中外高校所重視。

電工與電路基礎課程（以下簡稱電路課程）是面向我校各工科專業開設的專業基礎課，在卓越計劃中具有一定的指標性。通過對本門課程的學習，學生可以獲得電工與電路方面必要的基本理論、基本分析方法和基本技能，同時培養分析和解決與電學有關的實際問題的能力，使其具有一定的工程素養，建立科學的思維能力，為后續課程的學習以及從事與本課程有關的工程技術、科學研究、裝備維護工作打下堅實的基礎。

為了適應卓越計劃的要求以及相關領域迅速發展的新形勢，近年來，秉承以“能力立意”為指導思想，將知識、能力與素質融為一體，以全面提升學生的科學素質、創新能力為目標，我校對電路課程進行了一系列的教學改革。

本文就教學改革思路、內容、教學方法、評價體系環節的改革進行了探討。

一、改革思路

培養大學生的自主學習能力、綜合創新能力以及工程問題的求解能力是卓越計劃的教學目標，而電路課程作為“電”領域的入門課程，是學生接觸到的第一門工程類課程，對于學生建立工程概念有著十分重要的作用。而教學內容是課程之根本，所有教育思想、教學理念需通過教學內容的改革得以實現。過去的幾十年，電力、電子、計算機的飛速發展使得各種實際電路發生重大改變，因此需要更新教學內容，讓學生接觸到當代最常用的基本元件，引領學生在工程背景下掌握元件建模的思想，弱化解題技巧和有關公式記憶。

David A.Sousa經研究，人體大腦工作有著自身的規律特點，被動式學習如閱讀、聽講等，在學習24小時之后知識的保持率不到30%，而主動式學習如學生演講、分組討論、演示以及動手實踐等，可以將知識保持率提高到70%～90%。[2]進行教學手段和實踐教學的改革，要在課堂教學中引入適當的演示實驗和實物展示，在實踐環節強調課前的預習和仿真實驗，課后突出分組總結討論。

電路課程本身的分析方法具有辯證唯物主義的特點，比如我們在分析具體工程實際問題時常常要建立模型，它首先由具體抽象為一個電路模型，然后變成數學模型進行分析求解。最為簡單的就是手電筒照明電路，它由電池、連線和燈泡組成，我們在對其進行建模時將實際電器元件如電池等抽象為理想電路元件，得到由電源、理想導線和電阻組成的電路模型。模型法的本質就是忽略次要矛盾抓住主要矛盾，把主要矛盾解決后再考慮一個次要矛盾，再考慮下一個次要矛盾，這實際是相對真理的絕對應用，事實上絕對真理是永遠達不到的。再比如串聯電路和并聯電路具有對偶性，串聯諧振電路和并聯諧振電路同樣可以采用對偶性進行分析。因此，在本課程的教學方法上，要實施案例教學、研究型教學等多種教學方法相結合，培養學生舉一反三、歸納總結的能力以及科學思維的能力。

二、教學內容改革

電路課程是實現科學教育與工程教育有機銜接的一門重要課程。在學習本課程之前，學生主要接受的是科學知識（高等數學、大學物理是其先修課程）；它又是電子技術、計算機硬件電路、傳感器與測試技術等專業基礎課程的先導課程，教學內容更接近工程實踐。因此，電路課程在課程體系中具有承上啟下的作用，是本科生由科學教育邁向工程教育的橋梁，本課程的學習對培養學生工程素養有著十分重要的作用。

保持教學主體即電路定律和集總參數、電阻電路分析、動態電路的暫態分析以及正弦穩態電路分析構成電路基本不變，將二極管作為非線性元件，晶體三極管和場效應管作為雙端口網絡，運算放大器以及“與”、“或”、“非”基本邏輯門作為元件等引入電路課程進行介紹，使得電路課程教學突破僅僅限于理想電阻、電容、電感、獨立源和受控源等理想電路元件構成電路的分析計算，打通電路基本原理、定理與實際元件電路的橋梁，使得電路課程與實際電路建立一定聯系，提高學生學習興趣，也有助于與后續課程“模擬電子技術基礎”、“數字電子技術基礎”課程內容的合理銜接。

與此同時，二極管、晶體三極管在不同工程背景下需要建立不同的等效模型，這有利于學生理解和掌握電路中的建模思想。

引入大量工程實例，包括：警示燈電路，波形變換電路，汽車點火電路，MOSFET構成的常用邏輯門電路，CMOS門電路的靜電保護與過流保護原理，萬用表分壓分流電路，家用有害氣體報警電路，二極管整流電路、限幅電路、穩壓電路，同相程控增益放大電路，溫度測量與控制電路，高壓開關滅弧性能試驗電路，移相器電路，電視機聲像信號分離電路，互感線圈同名端測量電路，電功率表與線圈參數三表法測量電路，三相電路的功率測量等。這些工程實例既緊密結合電路的知識點，即電路的能量處理和信號處理兩個方面，又涉及后續課程模擬電子電路和數字電子電路，充分地體現電路的工程應用性，也有助于培養交叉學科人才的應有的創造性。

三、改進教學方法

教學內容、教學方法和教學手段等是教學實踐活動的幾大要素。教學內容要想有效地啟發學生，需采取行之有效的教學方法和教學手段。基于以學生為主體、教員為主導的教學理念，以案例式教學法為核心，綜合運用對比分析、交互討論等多種教學方法，培養學生歸納總結、舉一反三、觸類旁通的能力，尤其是科學思維的能力。以諧振電路為例，由一個演示實驗引入課程內容：采用200W燈泡模擬電阻元件，將燈泡、電感元件和電容元件串聯構成RLC串聯電路，改變電容值，設計電容值由小到大變化，引導學生觀察燈泡的明暗程度并思考：燈泡為什么先由暗到亮再變暗？問題的實質是什么？什么條件下燈泡最亮？最亮時燈泡工作在什么狀態？學生們探究這些問題的過程就是培養科學思維的過程，他們已有的知識、信息和經驗等會被喚醒：燈泡的亮暗反映了流過電流的大小，而電流的大小又與電路的阻抗有關，由此可以得出串聯諧振的條件，總結歸納串聯諧振電路的特點；引導學生利用對比分析方法，自行分析RLC并聯諧振電路特點，得出諧振電路的共性；可以實現對源的放大，再引入具體實例，如收音機電路以及科研案例懸臂梁結構，加深學生對所學知識的理解。

又比如，一階電路的響應，在分析基本概念、電路特性基礎上，分析時間常數的物理意義，引入閃光燈電路、汽車點火電路等具體案例，步步深入，既能激發學生的興趣，又能讓學生學以致用。

四、評價體系環節改革

學生成績的評定是重要的教學環節之一。為了能夠客觀、全方位地對學生的綜合能力和素質進行評定，需要拓展傳統的考核方式方法，實施以全面衡量學員能力為前提的課程全程跟蹤式多種考核方式的有效結合。根據電工與電路基礎課程理論性和實踐型強的特點，改革課程閉卷考試試題內容，以突出考查學員分析問題、解決電路實際綜合應用能力；實施隨堂測試和階段性考試相結合，學生最終成績由30%的平時成績和70%的期末筆試成績組成。平時成績是課堂測驗和課后作業的綜合體現，包括學生平時課堂表現，如回答問題、參與課堂討論、完成作業任務等的評價。

課堂學習的時間是一定的，學生的能力與素質能否得到一定的提高，關鍵在課外。秉承這一理念，在一些課后大作業的布置和專題研討內容的安排上，需要學生進行自主設計，以及進行文獻調研，撰寫學習報告，非常有利于訓練學生的科學思維能力，有利于考查學生對于問題的理解能力。例如，在學習諧振電路這部分內容時，布置課后訓練題有：1.包含兩個頻率分量ω1、ω2（ω1<ω2）的激勵u1（t）：u1（t）=u11（ω1）+u12（ω2），要求響應uo（t）只含有ω2頻率分量，如何實現？2.諧振電路其他一些實際應用，或自行設計電路（無論可以實現什么，重要的是設計具有獨創性、可行性），諧振電路又有哪些危害？3.對于低內阻和高內阻激勵源，如何選取諧振電路？課后作業的布置體現出自主性和一定程度的開放性。

五、結束語

在科學技術飛速發展的今天，大學教育到底應該教給學生什么，如何教？這是所有高校教師都應該思考的問題。目前，我們就學校的公共基礎課程電工與電路基礎的教學內容和教學方法等的改革進行了初步探索，實施時間不長，還處于摸索階段。面對卓越計劃的目標和要求，以提高學生的自學能力、工程素養和創新動手能力為首要任務，如何進一步改革教學方法、如何加強實踐教學環節等，還有待下一步的思考和實踐。

[ 注 釋 ]

[1] 劉浩，楊上河，尚建華，等.面向卓越計劃的“電路與模擬電子”的教學改革[J].計算機教育，2012（1）.

[2] David A.Sousa.How the Brain Learns[M].Corwin Press Inc（3rd Revised edition），2006.

[責任編輯：鐘 嵐]