電路分析基礎課程教學改革探討

韓彩霞 謝建群 羅子波

摘 要 分析電路分析基礎課程教學存在的問題，提出對課程從實踐學時、考核方法到整合理論教學內容，從理論教學方法到工程實際應用意識的培養等多方面進行教學改革。通過對課程的教學改革，使學生獲得電路基礎理論知識的同時，著重培養學生工程意識和實踐應用技能。

關鍵詞 電路分析基礎；教學改革；探討

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0122-04

1 電路分析基礎課程的重要地位及教學現狀

電路分析基礎課程是自動化、電子信息工程、測控技術等理工科專業必修的專業基礎課，在整個人才培養中占有重要的地位，具體分析如下。

1）該課程是整個大學教學中開設最早的專業基礎課程，兼具理論性、實踐性，是學生第一個接觸到的實踐課程；

2）該課程所學知識在后續開設的電機拖動、電力電子技術、自動控制原理、單片機等專業課程中都有所應用，是其他專業課程的基礎課程。

由以上分析可知，電路分析基礎課程在整個人才培養中屬于基礎性專業課程和實踐課程[1]，和后續專業課程聯系緊密。通過該課程的學習，不僅使學生掌握電路分析的基本概念、基本定律和電路的分析方法，而且要獲得必需的電工基礎理論知識，為學習后續課程打下必要的理論基礎。同時，注重工程意識培養、自學能力培養，使學生具有分析、解決問題和實踐應用技能，樹立理論聯系實際觀點，為培養高技能人才打下必要的基礎。

該課程教學內容主要包括電路元件介紹、電路分析方法、定理等。目前該課程教學主要存在以下問題：

一是實踐教學內含于理論教學中，受制于總學時限制，無法開展綜合性、設計性實驗，實驗教學利用實驗箱來完成，學生只需依照實驗指導書通過實驗箱連接電路即可完成實驗，實驗項目為驗證性實驗，在實驗過程中學生不能將自身想法付諸實踐，不利于學生創新能力培養；

二是課程知識點抽象，元器件在電路中工作特性難以理解，電路分析方法、定理眾多，難以深入理解；

三是課程教學內容獨立于其他專業課程之外，沒有和相關其他專業課程有所聯系。

2 電路分析基礎課程教學改革方法

鑒于該課程在人才培養中的重要基礎性地位以及目前教學存在的諸多問題，進行教學改革，具體分析如下。

修訂培養方案，剝離實踐教學環節 為充分體現課程在人才培養中基礎性地位[2]，以夯實理論基礎為前提，以培養創新能力為導向，通過梳理江漢大學文理學院自動化專業人才培養方案后發現，原有課程學時包含理論課和實踐課學時，即實踐課屬于課內教學環節。由于受制于總課時的約束，實踐教學只能利用實驗室實驗箱開展一些驗證性實驗。鑒于此，將課程實踐教學環節[1]從原有的理論教學中剝離出來，單獨開設電路分析基礎實踐課程，并對實踐課程采取獨立的考核方式[2]。單獨開設實踐課程后，學生在完成驗證性實驗基礎上有充足時間來完成設計性實驗，通過驗證性實驗加深對理論知識的理解，進一步通過設計性實驗達到感性認識，培養獨立思考、創新能力。

整合理論教學知識體系，瞄準一個方向、一個定律 在該課程眾多定律、定理中，基爾霍夫定律[3]是基本定律，課程后續介紹的電阻電路分析方法、動態電路分析都是基于此定律得到的。掌握了基爾霍夫定律，就掌握了電路分析方法，由此可見它在整個課程中的重要性。它包括電流定律和電壓定律，這里只介紹電流定律。

基爾霍夫電流定律[3]（KCL）定義：在集總電路中任何時刻，對任一結點，所有流出結點的支路電流的代數和恒等于零。定義中有幾個重要的問題需要清晰。

一是電流的“代數和”。既然涉及代數和，那必然和電流的正負有關。電流的正負是根據電流是流出結點還是流入結點判斷的，若流出結點的電流前面取“+”號，則流入結點的電流前面取“-”號；反之相同。

二是怎樣判斷電流是流出還是流入結點？電流是流出結點還是流入結點，均根據電流的參考方向判斷。因此在理解基爾霍夫電流定律之前需要瞄準一個方向，即參考方向。

實際電路中電流或電壓的實際方向可能是未知的，也可能是隨時間變動的。為了對電路進行分析，當涉及某個元件電流或電壓時，要指定電流或電壓的參考方向。指定參考方向的用意在于把電流或電壓看成代數量，若電流或電壓的實際方向和參考方向相同，則認為其為正值；若電流或電壓的實際方向和參考方向相反，則認為其為負值。下面以圖1（a）的電路來分析參考方向的選取。

圖1（a）中，流過電阻電流實際方向未知的情況下，分析電路時到底選擇哪種參考方向？為說明問題，仿真圖中根據不同參考方向連接兩個電流表，如圖1（b）、1（c）所示，仿真結果如圖2所示。

仿真后實際電流方向如圖2箭頭流動方向（即順時針方向）。在圖2（a）中選擇參考方向為逆時針，即和電流實際方向相反，電流表示數為-0.01 A；圖2（b）中選擇參考方向為順時針，即和電流實際方向相同，電流表示數為+0.01 A。對于同一個電路選擇不同參考方向后得到電流大小是相同的，只是有正負的區別，若得到電流為正值，則說明選擇的參考方向和實際方向相同；反之相反。

因此，分析電路時參考方向可以任意指定，并不影響電路的實際情況。由此，在使用基爾霍夫電流定律時可簡化處理，即：流入結點電流代數和等于流出結點代數和。

互動、提問式教學，透過現象看本質 電容和電感元件是交流電路里常用元件，這兩種元件的電壓和電流的約束關系和電阻元件的不同，它是通過導數（或積分）表達的，所以稱為動態元件，又稱為儲能元件。對動態元件的理解、掌握將關系到一階、二階動態電路的分析。

通過互動、提問引出電容、電感元件的特性。給出如圖3所示電路，首先提出問題：分別將開關切換到電阻、電容和電感元件所在電路時，電路中燈泡會有什么現象？讓學生討論問題。然后利用仿真軟件[4]仿真，會觀察到開關切換到電阻電路時，燈泡立刻點亮，亮度始終不變化；開關切換到電容電路時，燈泡點亮，但亮度逐漸變暗，最后熄滅；開關切換到電感電路時，燈泡不亮，然后逐漸變亮，最后亮度穩定下來。為什么會出現這樣的現象？

對結果詳細分析：由仿真圖4可以看出，電阻電路電壓U1始終不變，所以燈泡開始就點亮而且亮度不變；由仿真圖5可以看出，電容電路開始時電壓U2為零，電源電壓都加在燈泡上，所以燈泡點亮，隨著時間的變化，電容兩端電壓逐漸增大，燈泡的電壓則逐漸減小，亮度逐漸變暗，最后電源電壓完全給電容充電，燈泡則熄滅；由仿真圖6可以看出，電感電路開始時電流為零，燈泡不亮，隨著時間逐漸變化，電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮。

最后引導學生通過觀察各電路中燈泡呈現的不同現象結合仿真圖進行分析，電容電壓由零到最大是一個動態過程，電感電流由零到最大也有一個動態過程，所以兩個電路中燈泡會出現上述現象，即它們是儲能元件。

進一步引申問題：有電容元件存在的電路，當通電時間足夠長后，電容兩端相當于斷路；有電感元件存在的電路，當通電時間足夠長后，電感相當于短路。

通過以上提問、互動的過程，學生會容易理解有電容、電感元件的電路是動態電路，通過圖表分析可以清晰、直觀地對動態電路元件性能進行分析，明白在動態電路中電容電壓、電感電流是如何變化的。

由點及面，由淺入深，理論向實際應用轉化 二極管是電路設計中常用的電子元件，具有單向導電性，即在二極管兩端加正向電壓時二極管導通，加反向電壓時二極管截止。針對這一特性，考慮在實際電路設計時，二極管的這個性質有什么用處？給出圖7所示電路和電路輸入電壓波形圖，如圖8所示，讓學生分析電壓探針U2處電壓波形。

分析可知，當輸入信號處于正半周期時，二極管導通；當輸入信號處于負半周期時，二極管截止。圖7是利用二極管的單向導電性實現工程上常用的半波整流電路。電壓探針U2處電壓波形如圖9所示。

通過以上對實際電路的分析，逐漸建立學生的工程意識，培養學生理論聯系實際的能力。

3 結論

通過對課程進行教學改革，給予學生充分實踐、創新的時間，發揮學生主動思考能動性；以參考方向和基爾霍夫定律為主線展開理論教學，降低課程學習難度，使學生容易理解、掌握電路分析的基本方法；由電路現象來分析電路本質，以及通過由點及面將理論知識轉化為實際應用，啟發學生工程思維，鍛煉學生工程意識。

參考文獻

[1]陸國棟.實驗教學改革的思考與實驗分類研究[J].中國大學教育，2010（9）：72-74.

[2]周蕾等.“電路分析”課程的改革與探討[J].電氣電子教學學報，2014（5）：32-33.

[3]邱關源.電路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

[4]馮瑞鈺.Proteus仿真在“電路”課程教學中的應用[M].中國電力教育，2014（12）：55-56.