“互聯網+”背景下電路類課程教學方法

榆林學院信息工程學院 趙 鵬

在互聯網+背景下，基于傳統電路類課程教學過程中存在的問題，提出以簡單拓撲+問題導向+仿真的混合教學模式，經過連續2屆課程跟蹤研究表明，該教學方法能有效調動學生學習的積極，加深學生對電路物理模型和原理的理解，并提高學生實際分析問題和解決問題的能力。

電路類課程是大部分理工科專業的必修課，但在傳統的授課方式中，往往以電路的的功能講解、公式推導為主，往往忽視了電路的最簡單的物理模型。這就造成了學生對電路理解不透，掌握不深，無法實際應用。也因此造成了學生們對課堂上講授的理論知識學了就忘，從而認為理論知識可有可無的一種態度。筆者在輔導學生做設計類電路實驗或電子設計等時，經常發現學生坐著發呆，不知道從何下手，不知道如何把課堂上學習的理論應用到實際電路上。于是經過和學生們的大量溝通后，筆者提出了簡單拓撲+問題導向+仿真的混合式教學模式。以下以基礎電路中的“BUCK電路工作原理”來說明。

1 傳統教學方法

電路使用一個全控型器件V，圖1中為IGBT，若采用晶閘管，需設置使晶閘管關斷的輔助電路。設置了續流二極管VD，在V關斷時給負載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現反電動勢，如圖中Em所示。

圖1 降壓電路的原理圖及工作波形(a)電路圖 (b)電流連續時的波形 (c)電流斷續時的波形

如圖1(a)中柵射電壓UGE波形所示，t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo = E，負載電流io按指數曲線上升。

t = t1時，控制V關斷，負載電流經二極管VD續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降，為了使負載電流連續且脈動小，通常串接較大電感L使負載電流連續且脈動小。

至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作于穩態時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖1(b)所示。

負載電壓的平均值為：

式中，ton為V處于通態的時間，toff為V處于斷態的時間，T為開關周期，α為導通占空比，簡稱占空比或導通比。

由上式可知，輸出到負載的電壓平均值UO最大為E，減小占空比α，UO隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路，也稱BUCK變換器。

負載電流平均值為：

若負載中L值較小，在V關段后，到了t2時刻，如圖1(c)所示，負載電流已衰減至零，出現負載電流斷續的情況。當負載電流斷續時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續的情況。

2 混合教學模式

由于線性穩壓電路（LDO）效率太低，于是人們開始研究利用開關控制電容的充放電來實現穩壓功能（提出簡單拓撲結構），原理如圖2、圖3所示。

圖2 簡單電容拓撲

圖3 電容降壓原理

例如，需要穩壓的電壓為5V，開關閉合（t = 1），電容開始充電，當電容上的電壓大于5V時開關段開（t = 0）；此時電容上的電壓開始通過R2放電，當電壓下降到5V以下時，再次閉合開關（t = 1），給電容充電，只要合理控制開關的導通和關段時間，就可以在負載上得到5V的電壓（5V上下波動的電壓視為紋波，可以通過開關的導通關段時間控制在系統要求的范圍內），R2為負載電阻。

電路原理仿真如圖4所示。

圖4 電容充放電實現降壓原理仿真

仿真可知，該電路確實具有降壓作用，但是這個電路還有很多問題需要改進（引導學生提出改進電路的方法）：

（1）電阻始終是耗能元件，影響整個電路的效率。

（2）負載能力有限（例如，負載電阻如果是1Ω，根據分壓原理，輸出電壓就達不到5V，所以電容電壓最高值為

顯然直接以電壓為研究對象來實現降壓有問題，即電路的拓撲有問題，于是人們轉換思路，把電流當作研究對象。假如負載為1Ω，要在1Ω負載上實現電壓為5V，只需要流過該負載的電流是5A，同樣可以實現負載電壓為5V，即實現了降壓的功能。于是電路改進如下，用電感代替電阻，因為電感的研究對象只是電流。同時給電路加一個二極管，作用是再開關段開時給電感形成放電回路。如圖5、圖6所示。

圖5 簡單電感拓撲

圖6 電感降壓原理

工作原理如下：

開關閉合（t = 1），電感電流緩慢上升，當電感電流超過5A時斷開開關（t = 0）；此時電感電流開始緩慢下降，當檢測到下降到5A以下，開關閉合(t = 1)，電流又緩慢上升，不斷重復這個過程，基本可以實現電流為5A。從而負載電阻電壓為5V。仿真如圖7所示。

圖7 電感充放電實現降壓原理仿真

這個電路缺陷如下（同時引導學生提出改進方法）：

（1）紋波比較大（只要電感的電流發生變化，則電阻上的電壓就會發生變化）。

（2）一定要接負載才能工作（因為電感輸出的為電流）。

這兩個問題可以在負載兩端加個濾波電容來解決。電路繼續改善如圖8所示。

圖8 最終電路拓撲結構

在負載兩端加電容進行濾波，改善輸出紋波。這個電路的拓撲結構就是最終的BUCK電路的拓撲結構，只是在實際的電路中用一個全控型器件來代替開關，開關的導通和關段的控制信號由一個反饋系統來控制。仿真如圖9所示。

圖9 最終電路拓撲結構仿真

從仿真結果可以看出，輸出波形變平滑了，但是由于開關是手動控制，所以不夠精確，實際控制信號是一個高頻率地反饋信號，能很好的抑制電壓的紋波。

3 對比

傳統的電路類教學方法，主要側重于公式的推導，剛開始就建立各種電路模型，然后列公式來推導電路的結果。忽視了電路本身的物理模型。這樣使得學生剛開始積極性很高，聽著公式推導的過程，耗盡了一般的積極性。等到最重要的推導結果時，往往已經沒有任何興趣了，久而久之就形成了對這門課的厭惡感。而簡單拓撲+問題導向+仿真的混合式教學模式，從一開始就建立一個最簡單的電路拓撲結構，這個拓撲結構必須保證所有的同學都掌握，這樣一開始就給學生樹立了一種積極的暗示；然后在這個簡單拓撲的基礎上，不斷的提出這個電路拓撲結構的問題，然后不斷的完善該電路拓撲結構。在這個過程中老師要和學生充分的互動，充分的給于學生引導和暗示，讓學生自己提出改善電路方案。在學生提出改善的方案之后，老師再加以總結，并實時仿真驗證改善的可行性。經過這樣的學習過程之后，最明顯的進步就是學生分析電路的問題加強了，直接表現就是考試成績的提高和通過率的提升。經過筆者連續對2屆采用混合教學模式學生和之前傳統教學模式學生的訪談，采用混合教學模式學生對知識的記憶和應用要強于之前用傳統教學模式的學生。

總結：通過連續對兩屆學生運用混合教學模式，通過跟蹤學生在授課過程中表現，發現學生對電路理論知識水平和實際應用電路的水平明顯提高。這種教學方法讓老師從以前講授知識的角色轉換為一個積極引導者的角色，從而極大的調動了學生的積極性，充分激發學生分析問題、解決問題的能力，提高了實際應用電路的能力。