將美育融入電類本科實驗教學(xué)與工程實踐探究

摘"要：核物理學(xué)家錢學(xué)森先生說過：“科學(xué)家不是工匠，科學(xué)家的知識結(jié)構(gòu)中應(yīng)該有藝術(shù)，因為科學(xué)里面有美學(xué)?！币虼?，以電類本科生專業(yè)基礎(chǔ)課“電路分析”為例，嘗試將美育的教育理念與課程相融合，探索電類本科基礎(chǔ)實驗教學(xué)的方法。通過設(shè)計實驗《二階電路的時域仿真與實測分析》，借助比較完整的理論分析、實物測試驗證、電路設(shè)計相結(jié)合的實驗探索過程，達(dá)到學(xué)習(xí)研究、軟件仿真、電路設(shè)計、結(jié)果分析、思考總結(jié)等目標(biāo)。以此改變傳統(tǒng)教學(xué)給人留下的枯燥、乏味的初始印象，增強學(xué)生對電類課程的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、跨學(xué)科交叉能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；大學(xué)美育；工程實踐能力；實驗案例；二階電路

中圖分類號：G420

大學(xué)教育需全面加強和推進(jìn)學(xué)校美育，堅持以美育人、以文化人，提高學(xué)生審美和人文素養(yǎng)。當(dāng)前電類本科生實踐教學(xué)中存在著教學(xué)方法單一落后、教學(xué)內(nèi)容枯燥、學(xué)生興趣和動力不足等現(xiàn)象，亟須高等教育工作者在實驗教學(xué)模式、方法、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行探索與實踐，以嘗試將美育的教育理念與電類專業(yè)教學(xué)融合，引導(dǎo)學(xué)生從內(nèi)心中感受美、發(fā)現(xiàn)美，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性［1］。

“電路分析”課程理論嚴(yán)密，對學(xué)生樹立理論聯(lián)系實際的科學(xué)觀點和提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，都有重要的作用［2］。針對傳統(tǒng)的“電路分析”課程中內(nèi)容更新較快、學(xué)時有限等問題［3］，在指導(dǎo)學(xué)生和教學(xué)的過程中，教師團隊結(jié)合學(xué)科國防軍工特色和科研優(yōu)勢，將“CDIO”［4］理念引入課堂，與時俱進(jìn)地進(jìn)行了教學(xué)資源體系的建設(shè)，包括實行理論和實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革［5］。此門課程作為電類專業(yè)本科一年級必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生很難將理論和實踐結(jié)合起來［6］。二階RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程是電類本科生“電路分析”課程教學(xué)的難點［7］，這不僅是因為二階系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上需要經(jīng)過復(fù)雜的高數(shù)公式推導(dǎo)，而學(xué)生于大學(xué)一年級時并未掌握牢固的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，更是因為這個階段的學(xué)生還未經(jīng)過科學(xué)探究的訓(xùn)練。傳統(tǒng)的實驗研究二階動態(tài)電路的目的為研究二階動態(tài)電路響應(yīng)的特點、觀察二階電路響應(yīng)的三種變化曲線及其特點［8］。但二階電路的理論和實際工程應(yīng)用之間仍然相互獨立，未形成完整的體系［9］，缺乏對學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和實驗技能的培養(yǎng)。對高等教育工作者而言，如何指導(dǎo)本科生將理論與實際應(yīng)用有效結(jié)合起來［10］，是實驗案例設(shè)計的重要研究課題。

本實驗設(shè)計正是在二階電路響應(yīng)的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生難以將電路參數(shù)與電路動態(tài)過程建立直觀聯(lián)系的問題，設(shè)計的基于二階電路時域仿真與實測的探究實驗。本設(shè)計采用線上線下混合式教學(xué)［11］，翻轉(zhuǎn)式課堂［12］教學(xué)相結(jié)合的方式，采用易派EPIEWB302+口袋實驗室［13］進(jìn)行了二階電路的實測，同時基于二階電路原理設(shè)計音符發(fā)聲電路。經(jīng)過理論分析、實驗仿真、實測驗證、啟發(fā)性思考環(huán)節(jié)，形成完整工程實踐的閉環(huán)。

1"二階電路響應(yīng)基本原理

二階RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程，在電路理論及高等數(shù)學(xué)都有很成熟的解法。自動控制原理在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上引入阻尼系數(shù)和振蕩系數(shù)的概念，可以簡化二階電路暫態(tài)響應(yīng)的計算公式［14］。對于一個RLC串聯(lián)電路，電路在過渡過程的性質(zhì)由特征方程的特征根來決定。該特征根是二階常系數(shù)齊次微分方程的解。

LCp2+RCp+1=0（1）

p1，2=-R2L±R2L2-1LC（2）

二階常系數(shù)齊次微分方程的特征根分三種情況來分析：

R＞2LC，p1，2是兩個不相等的負(fù)實根，電路過渡過程的性質(zhì)是過阻尼非振蕩過程；

R=2LC，p1，2是兩個相等的負(fù)實根，電路過渡過程的性質(zhì)是臨界阻尼過程；

R＜2LC，p1，2是一對共軛復(fù)根，響應(yīng)的電壓、電流具有衰減振蕩的特點，稱為欠阻尼狀態(tài)。響應(yīng)為：

uc（t）=e-δt（K1cosωdt+K2sinωdt）=ke-δtcos（ωdt+φ）（3）

式中，

ωd=1LC-R2L2=ω02-δ2，δ=R2L，ω0=1LC（4）

δ是衰減系數(shù)，ωd是衰減振蕩角頻率，可以通過示波器觀測電容電壓的波形求得。RLC串聯(lián)電路接至方波激勵時，呈現(xiàn)衰減振蕩暫態(tài)過程的波形如圖1所示。

圖1"RLC串聯(lián)電路接至方波激勵的衰減振蕩的波形

相鄰兩個最大值的間距為振蕩周期Td，Td在示波器上通過光標(biāo)直接讀出。振蕩角頻率求解為式（5）所示，衰減系數(shù)為式（6）所示。

ωd=2πfd=2πTd（5）

δ=1Tdlnh1h2（6）

2"仿真測試

用Multisim仿真工具繪出電路，電容的容值為0.1μF，電感值為47mH，電阻分別設(shè)為0Ω、300Ω、1370Ω、2500Ω，信號源為頻率是50Hz、占空比50%、電壓幅度為2V的方波。用瞬態(tài)分析法仿真電阻為不同取值時對二階電路響應(yīng)的影響，圖2為仿真結(jié)果。表1為在欠阻尼振蕩情況下測量振蕩角頻率ωd、衰減系數(shù)δ與理論計算值的比較。

當(dāng)電阻值為0時，若電容有初始儲能，電感與電容發(fā)生無阻尼諧振，電容電壓將以諧振頻率、以初始電壓為振幅呈現(xiàn)等幅正弦變化。樂曲中不同的音符實質(zhì)上是不同頻率的波形信號，與揚聲器相連接即可實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。選擇一首樂譜，設(shè)計L和C的數(shù)值，最終使電腦輸出該音符的聲音。

3"工程測試

采用易派EPIEWB302+口袋實驗室，如圖3所示。RLC串聯(lián)電路接入方波信號源參數(shù)，設(shè)定為：重復(fù)頻率=50Hz，占空比=50%，電壓幅度=2V。調(diào)節(jié)可變電阻R的值分別為0Ω、300Ω、1370Ω、2500Ω，通過虛擬儀器當(dāng)中的示波器觀測電容兩端的電壓響應(yīng)的波形，記錄在表2中。

通過實物測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R=0Ω時，理論上響應(yīng)為無阻尼的情況在實際工程當(dāng)中并不存在。究其原因，在理想化分析情況下，雖然電感線圈是作為一個純電感元件進(jìn)行分析，但是在實際工程中，電感線圈由繞組繞制而成，存在寄生電阻，并且電感和電容元件的實際值與理論值之間存在誤差。

4"實驗教改成果

本實驗案例從2021年開始實施，目前已經(jīng)有兩屆約320名學(xué)生完成了本次實驗。實驗考核包括五大方面：預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)二階電路衰減系數(shù)，振蕩頻率的測量方法，音樂電路設(shè)計，啟發(fā)性思考，實驗報告（數(shù)據(jù)分析、結(jié)果處理、思考與總結(jié)）。實驗學(xué)時為4學(xué)時，包括課內(nèi)2學(xué)時、課外2學(xué)時。從學(xué)生完成實驗的情況來看，絕大多數(shù)的學(xué)生能完成實驗內(nèi)容。其中有學(xué)生在實驗過程中積極地思考與探索，通過設(shè)計電路參數(shù)，針對多首歌曲進(jìn)行了電路設(shè)計。實驗設(shè)置中的啟發(fā)性思考問題為請同學(xué)簡述自己所理解的電路之美，針對此問題，學(xué)生各抒己見，通過與本次實驗的結(jié)合紛紛給出了自己獨特的理解。

本實驗設(shè)計正是在當(dāng)前國家大力提倡發(fā)展大學(xué)生美育教育的背景下而進(jìn)行的教育教學(xué)改革的探索，并獲得了“第九屆全國高校電工電子基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)案例設(shè)計競賽”全國一等獎、北京信息科技大學(xué)首屆“五育之星”教學(xué)設(shè)計大賽二等獎。

結(jié)語

通過課余與學(xué)生的座談，學(xué)生普遍認(rèn)為“電路分析”這門課程是最枯燥、最難懂的課程之一，大家普遍缺少對“電路分析”這門課程學(xué)習(xí)的熱情與動力。歸根到底是因為學(xué)生未感受到電路的魅力。本實驗將二階電路的仿真、實測、音樂電路設(shè)計結(jié)合，將美育植入學(xué)生的心中，使學(xué)生獲得藝術(shù)與科技的深層理解，高瞻遠(yuǎn)矚，能夠達(dá)到使學(xué)生面向未來構(gòu)建自己的知識結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新體系的目標(biāo)。

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項目來源：北京信息科技大學(xué)2022年度高教研究課題“CDIO”工程教育背景下電路分析雙語課程改革問題研究（2022GJYB12）；2024年北京信息科技大學(xué)“青年骨干教師”支持計劃（YBT202417）

作者簡介：譚玲玲（1986—"），女，漢族，山東青島人，博士，講師，研究方向：有源網(wǎng)絡(luò)綜合、網(wǎng)絡(luò)安全。