問題啟發(fā)式電路原理實(shí)驗課程的設(shè)計與實(shí)踐

楊 飛，王一群，周素華

問題啟發(fā)式電路原理實(shí)驗課程的設(shè)計與實(shí)踐

楊 飛，王一群，周素華

（北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100192）

從學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，提出了一種基于問題啟發(fā)式教學(xué)思想的電路原理實(shí)驗課程改革思路和方法。即立足于學(xué)生在平時實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)的簡單問題，從這些問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)問題的原因，并最終通過實(shí)驗手段解決問題。該方法在實(shí)際應(yīng)用中可以有效提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力和解決實(shí)際問題能力，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索興趣。

電路原理；實(shí)驗課程；問題啟發(fā)式教學(xué)；教學(xué)改革

“電路原理”是面向電類專業(yè)開設(shè)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是所有強(qiáng)電專業(yè)和弱電專業(yè)的必修課。該課程以分析電路中的電磁現(xiàn)象、研究電路基本規(guī)律及電路的分析方法為主要內(nèi)容，課程理論嚴(yán)密、邏輯性強(qiáng)，具有廣闊的工程背景。通過本課程的學(xué)習(xí)，對學(xué)生樹立嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn)，培養(yǎng)科學(xué)思維能力、分析計算能力、實(shí)驗研究能力和科學(xué)歸納能力有重要作用[1]。

電路理論是電氣工程和電子科學(xué)技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)，是一門研究電路分析和網(wǎng)絡(luò)綜合與設(shè)計基本規(guī)律的基礎(chǔ)工程學(xué)科，在過去的30多年，其教學(xué)內(nèi)容相對固定，主要變化體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)過程組織、教學(xué)方法和手段改革等方面。其中，“電路原理實(shí)驗”是重要的實(shí)驗教學(xué)課程，其目的不僅是幫助學(xué)生鞏固并加深理解所學(xué)的理論知識，更重要的是要訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗技能，使學(xué)生樹立工程實(shí)際觀點(diǎn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)[2-3]，因此它是反映教學(xué)和科研水平、檢驗教學(xué)質(zhì)量的一個重要方面[4-6]。

1 “電路原理實(shí)驗”課程改革現(xiàn)狀及思考

對“電路原理實(shí)驗”課程的改革一直是高校基礎(chǔ)課程建設(shè)的一項重點(diǎn)工作，眾多高校從理念、手段、方法等多個層面進(jìn)行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。文獻(xiàn)[7]在電路實(shí)驗教學(xué)中采用規(guī)定內(nèi)容與自擬內(nèi)容相結(jié)合、“教”與“導(dǎo)”相結(jié)合、開卷考試及寫論文的教學(xué)方式，使學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力得到提高。文獻(xiàn)[8]提出，要進(jìn)行電路實(shí)驗教學(xué)改革首先要實(shí)現(xiàn)教學(xué)觀念變革，要把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神作為實(shí)驗教學(xué)改革的目標(biāo)，采用分層次實(shí)驗教學(xué)和開放式實(shí)驗教學(xué)等方法，通過建立適應(yīng)實(shí)驗教學(xué)的成績評定標(biāo)準(zhǔn)等措施,逐步將電路實(shí)驗室建成培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的基地。文獻(xiàn)[9]介紹了計算機(jī)輔助電路分析在實(shí)驗教學(xué)改革中的應(yīng)用，著眼于提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識提高及可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[10]提出，要想通過電子電路實(shí)驗課強(qiáng)化實(shí)踐動手能力培養(yǎng)，必須變被動式的教學(xué)模式為自主式的教學(xué)模式，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí),這樣才能提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識能力、創(chuàng)新能力及獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力。文獻(xiàn)[11]提出了若干電路實(shí)驗課程教學(xué)改革措施,包括合理安排實(shí)驗儀器面板、合理設(shè)置軟硬件實(shí)驗、逐步改變教學(xué)方式、鼓勵學(xué)生進(jìn)行故障排查、綜合改革考核方式等。文獻(xiàn)[12] 設(shè)計并開發(fā)了一個電路原理實(shí)驗網(wǎng)上預(yù)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，以MyEclipse為開發(fā)工具，以MySQL為后臺數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上預(yù)習(xí)測試功能。文獻(xiàn)[13]以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對電路實(shí)驗課程內(nèi)容進(jìn)行層次化、階梯式的改革，其中選擇部分實(shí)驗項目試行了“實(shí)驗先于理論”的自主測試歸納式教學(xué)模式，相應(yīng)的教學(xué)組織形式為翻轉(zhuǎn)課堂模式。文獻(xiàn)[14]對電路實(shí)驗教學(xué)進(jìn)行了全方位立體化的改革，把改革思維系統(tǒng)地貫穿到實(shí)驗內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗平臺以及考核方式等各個方面，積極探索研究性教學(xué)，全面引入“多角度”的實(shí)驗教學(xué)方法，通過“全方位立體化”的實(shí)驗項目設(shè)計，努力提高電路分析實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量。

從上述文獻(xiàn)中可以看到，對電路實(shí)驗課程改革，不論是教學(xué)理念改革，還是教學(xué)方法和教學(xué)手段改革，其首要目標(biāo)是提高學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，在“做”中“學(xué)”，同時也在“學(xué)”中“做”。由于電路實(shí)驗課程是電類專業(yè)的入門課程，學(xué)生此時的專業(yè)知識有限，動手能力有限，因此在進(jìn)行電路實(shí)驗課程改革時必須因人而異、有的放矢。也就是說，在進(jìn)行課程改革時，既要考慮實(shí)驗設(shè)置的工程性和創(chuàng)新性，又要注意不能使課程內(nèi)容過于復(fù)雜，超過學(xué)生的能力范圍，這是進(jìn)行電路實(shí)驗課程改革必須注意的問題。

本文從學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，提出了基于問題啟發(fā)式教學(xué)思想的電路原理實(shí)驗課程改革思路和方法。即立足于學(xué)生在平時實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)的簡單問題，從這些問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)問題的原因，并引導(dǎo)學(xué)生利用基本的實(shí)驗手段來解決問題，從而達(dá)到對學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練的目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力。

2 問題啟發(fā)式教學(xué)思想

問題啟發(fā)式教學(xué)（PHT）是結(jié)合基于問題的教學(xué)理論和啟發(fā)式教學(xué)理論而提出的一種教學(xué)方法。PHT教學(xué)方法就是結(jié)合要講授的理論知識，從具體事例出發(fā)，以問題解決為著眼點(diǎn)，組織學(xué)生進(jìn)行分析、討論和探究。在解決問題過程中，教師與學(xué)生通過不斷發(fā)問與回答的形式，使問題分析逐步深入。在不斷駁辯和啟發(fā)的過程中，學(xué)生通過辨析，自行理解并提出明確觀點(diǎn)，進(jìn)而掌握相關(guān)理論知識。因此，PHT的核心在于從問題入手，培養(yǎng)學(xué)生主動思考的習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維[15-16]。

為實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的教學(xué)目的，問題啟發(fā)式教學(xué)對問題的設(shè)置，應(yīng)力圖對學(xué)生的學(xué)習(xí)思維有定向性、限制性和指導(dǎo)性，應(yīng)緊扣教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)。在電路原理實(shí)驗課程中，學(xué)生面對的是實(shí)際電路元件，在創(chuàng)設(shè)問題時可因地制宜地利用學(xué)生實(shí)驗過程中遇到的實(shí)際問題，譬如電阻標(biāo)稱值的誤差、信號源的內(nèi)阻、實(shí)際電感的串聯(lián)電阻等。受這些因素影響，學(xué)生在實(shí)驗中往往發(fā)現(xiàn)實(shí)驗結(jié)果與理論分析不符的問題。但傳統(tǒng)教學(xué)模式往往忽略此類問題的重要性，只做簡單解釋，讓學(xué)生按照簡單方法進(jìn)行處理了事。而問題啟發(fā)式教學(xué)將以學(xué)生自己在動手實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的這些問題為切入點(diǎn)，進(jìn)行后續(xù)的啟發(fā)式研究，在不增大課程難度的同時充滿探索的樂趣。

3 問題啟發(fā)式實(shí)驗教學(xué)案例

下面以RLC串聯(lián)諧振電路為例，介紹問題啟發(fā)式實(shí)驗教學(xué)案例的設(shè)計。

3.1 問題導(dǎo)入和問題發(fā)現(xiàn)

（1）理論計算。在圖1電路中，電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，U=。取=9 mH，=50 Ω，=0.033 μF，正弦波電源電壓m=2 V，理論計算結(jié)果如表1所示。

圖1 RLC串聯(lián)電路

表1 諧振電路初步理論計算數(shù)值表

（2）實(shí)際測試。按圖2組成測量電路，將信號源輸出正弦波峰峰值設(shè)為4 V，并通過雙通道示波器同時觀測信號源輸出電壓和電阻兩端電壓的波形。

圖2 諧振測量電路示意圖

（3）找出電路的諧振頻率0。令信號源的頻率由小逐漸變大，當(dāng)示波器上顯示的兩路波形同相位時，信號源輸出信號的頻率值即為電路的諧振頻率0，如圖3所示。測量此時的波形數(shù)據(jù)，填入表2。

圖3 電路諧振時示波器觀測波形

表2 諧振電路初步實(shí)測數(shù)值表

在完成表2測量之后，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)表2的實(shí)測數(shù)據(jù)與表1的理論計算值之間存在較大差異。

3.2 分析問題

在學(xué)生通過自己動手實(shí)驗發(fā)現(xiàn)上述問題后，應(yīng)進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)問題，引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)探究欲望：

（1）為什么信號源輸出電壓實(shí)測值為1.11 V，而理論值為2.0 V，電壓降在了哪里？

（2）諧振時Um測量值0.89 V為什么小于信號源輸出電壓實(shí)測值1.11 V，電壓降在了哪里？

（3）引導(dǎo)學(xué)生思考上述問題并得出如下結(jié)論：信號源的電壓被實(shí)際電路中的其他未知電阻分擔(dān)了，而在理論分析時沒有對這些額外的電阻加以考慮，這主要包括信號源的輸出電阻和電感等器件的寄生電阻，而這兩部分電阻在實(shí)驗中是不可避免的。

3.3 解決問題

接下來要引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗手段解決問題，即通過實(shí)驗測試測量出信號源內(nèi)阻和電感的寄生電阻，并重新改進(jìn)RLC串聯(lián)諧振電路，如圖4所示。

圖4 考慮信號源內(nèi)阻和寄生電阻的諧振電路

參照圖4電路，對RLC串聯(lián)諧振電路重新進(jìn)行理論計算、仿真和實(shí)際測試，得到的仿真波形如圖5所示，對比圖3的實(shí)測波形，可以發(fā)現(xiàn)二者基本一致。最后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表，達(dá)到了理論和實(shí)踐的統(tǒng)一。

圖5 考慮內(nèi)阻和寄生電阻的仿真波形

4 結(jié)語

本文將問題啟發(fā)式教學(xué)思想應(yīng)用到電路原理實(shí)驗課程改革中，按照工程教育理念，從創(chuàng)設(shè)啟發(fā)問題開始，引導(dǎo)學(xué)生對問題的分析逐步深化，并最終通過實(shí)驗手段解決問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的實(shí)踐動手能力。

雖然該方法所需實(shí)驗時間較長，但從實(shí)驗教學(xué)改革角度來說，卻是完全必要的。同時本文所提到的問題啟發(fā)式教學(xué)并不需要運(yùn)用到電路實(shí)驗課程的所有實(shí)驗中，只需從中選取2、3個典型案例即可產(chǎn)生很好的效果。

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Design and practice of Circuit Principle Experiment course based on problem-heuristic idea

YANG Fei, WANG Yiqun, ZHOU Suhua

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

According to the students’ actual situation, this paper puts forward a new idea and method of curriculum reform of circuit principle experiment based on problem-based heuristic teaching idea. That is to say, based on the simple problems that students find in their experiments, students are guided to analyze the causes of the problems, and ultimately solve them by means of experiments. This method can effectively improve students’ practical ability and their ability to solve practical problems, and stimulate their interest in learning and exploring.

circuit theory; experiment course; problem-heuristic teaching; teaching reform

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0158-03

2019-01-11

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)基金項目（U1636208）；2018年精品在線開放課程建設(shè)項目（2018KGZX16）；北京信息科技大學(xué)2016年度教學(xué)改革立項（2016JGYB57）

楊飛（1982—），男，山東威海，博士，講師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

E-mail: feiyounger@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.040