『電路』課程的教學方法改革

南京航空航天大學金城學院 孫金秋

總結目前電路教學中存在的問題，本文提出“重概念輕計算”理念下電路教學方法的改革。文中詳細的介紹利用仿真軟件解決電路中的計算困難和理解抽象問題。教學實踐表明，采用“重概念輕計算”可以提高電路課程的教學質量。

在工程認證的背景下，科學素養培養對于學生來說非常必要。科學素養非傳統意義上課程的機械式重復，必須在掌握知識的同時學會學生以科學方法處理問題、解決問題。需要培養學生利用計算工具解決及分析計算問題的能力。在實際中，學生并沒有真正掌握科學素養的精髓，沒有真正將計算工具與學科相結合，依然延續原有的“土辦法”，簡單使用公式加筆算，實際上在浪費時間及資源，并且沒有提高效率及準確性。因此本作者提出了“重概念，輕計算”的教學改革，提高老師的課堂效率，提高學生的科學素養以及解決工程問題的能力。

“電路”課程是許多高校自動化專業和電氣工程及其自動化專業的專業基礎課。作為電類的第一門專業基礎課，很多學生很難從高數、物理的學習思路迅速轉變到電類課程的學習中，因此很多學生從電路開始就對專業課有了畏難情緒。因此在“重概念，輕計算”的教學改革下，有必要引入更加有效的教學手段。充分利用仿真軟件對電路課程中一些重點和難點進行教學方法的改革。

本文詳細介紹仿真軟件在電路課程中各教學內容中的應用，以加強學生概念的理解，減輕手動計算的難度。

1 目前電路課程教學中存在的問題

1.1 計算繁瑣問題

電路分析的基本思路為選取變量，然后利用KCL、KVL和VCR列寫方程，列寫的方程數少則兩個，多則四五個。目前學生在求解方程的時候習慣利用初中所學的消元法，當方程數大于三個的時候，通常需要花大量的時間解方程，甚至解到最后還是錯誤的，大大挫傷了學生的學習積極性。

非正弦周期信號的分析，需要先將激勵傅里葉級數展開，然后轉化成直流穩態和正弦穩態的分析。傅里葉級數展開的數學積分運算對于學生而言難度也非常大。

1.2 理解抽象問題

直流穩態電路和正弦穩態電路中，響應也是直流或者正弦穩態，學生比較容易理解。但在動態電路的分析中，響應中包含暫態響應和穩態響應。尤其是二階動態電路分析時，學生理解不了阻尼大小跟響應的關系。

非正弦信號通過傅里葉級數展開分解成直流分量和各諧波分量，學生也覺得比較抽象。

2 仿真軟件在電路教學中的應用

2.1 利用MATLAB解決電路一般分析方法中方程組求解問題

圖1所示電路的網孔方程為：

圖1 電路的網孔分析法

如果手動計算解此方程組會花費時間較長，而且容易算錯。在MATLAB命令窗口中輸入A=[20，-10，-8；-10，24，-4；-8，-4，20],b=[-40 -2020]',X=pinv(A)*b，得到X= -3.6364-2.5078-0.9561，從而可得電流i= -0.9561A。

由此可見借助軟件計算便捷準確。

2.2 利用MATLAB軟件解決傅里葉級數展開的問題

2.3 利用MATLAB軟件解決動態電路分析的問題

二階動態電路的響應分過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過阻尼時響應為非震蕩衰減，欠阻尼時響應為振蕩衰減。RLC串聯電路零輸入相應，電容的初始電壓為5V。當R=220Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(a)所示，當R=2Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(b)所示。從仿真波形可以使學生對非振蕩衰減和振蕩衰減有直觀的感受。而且可以動態的調整RLC的參數，使得學生理解參數的大小對響應的影響。

圖2 二階動態電路的仿真分析

結論：利用計算機仿真技術，課堂可以上演示各種電路的激勵和響應的關系。學生既可以更好地掌握電路的理論知識，又可取得搭建與調試電路的經驗，使理論與實踐緊密結合。通過近兩來的教學實踐發現，在教學中使用仿真軟件，加強概念的理解，弱化學生手動計算的要求，可以使得學生從機械的計算中解放出來，有更多的精力在科學素養的培養上。