一階動態電路教學方法的研究

摘要：在分析了“電工學”教學的現狀和存在的問題的基礎上，以一階動態電路的教學為突破口，從學生的認知規律出發，探討了基于問題驅動的教學法（PBL）、基于多媒體的混合板書授課模式、將Multisim仿真技術融入到課堂教學的多種教學模式共存的教學方法，使學生加深對課堂內容的理解和掌握，有助于學生掌握一階電路的難點——時間常數的物理意義。教學實踐證明，這種多種教學模式共存的教學方法既能使課堂教學生動有趣，又能大大調動學生的學習積極性和主動性，提高了學生理論與實踐相結合的能力，以及分析問題、解決問題的能力，還能將教學難點問題輕松化解。

關鍵詞：一階動態電路；時間常數；PBL；Multisim仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0057-02

“電工學”是高等學校非電類專業的一門技術基礎課。該課程的教學目標是使學生掌握電工及電子方面的基本理論、基本分析方法和基本應用（即“三基”），培養學生的創新意識，提高學生的邏輯推理能力、分析和解決工程實踐問題的能力，為學習后續專業課程以及相關的工程實際工作奠定良好的基礎。

“電工學”課程開設的專業面越來越廣，中南大學有應化、材料、復合材料、材化、遙感、地質、生物、物流、粉體、環境、安全、工程力學、制藥、礦物、采礦、土木等十幾個專業開設“電工學”這門課程。隨著現代電子技術和計算機技術的迅猛發展和普及，使得非電類專業與電工電子技術出現了越來越多的交叉、滲透和融合。通過這門課程的學習能夠使學生深刻認識到不同學科的知識具有內在和廣泛的聯系，從而使學生具備站在學科交叉點上去開拓新領域的能力。

本課程內容豐富，分析方法繁多，與工程實際聯系較為緊密，并具有較強的理論性，知識更新很快。在以往的教學過程中，一方面有些學生對“電工學”課程不感興趣，主要是“電工學”內容比較抽象。另一方面，有很多學生盡管很用功，可是從宏觀的角度把握本專業學科的知識架構、邏輯關系，對所學課程在本專業體系中的地位和作用卻非常模糊，學習目標不明確。在教學效果上，學生不知道所學知識將來有何用、如何用，學習的主動性不夠。這就要求教師在教學中針對知識型、能力型、素質型人才的要求，對該課程的教學內容、教學方法和教學手段等各方面進行積極的探索和改進，因材施教，才能收到好的教學效果。本文以一階動態電路的教學為例，探討了多種教學方法，收到了良好的教學效果。

一、基于PBL教學法的一階動態電路的教學思路

“基于問題的教學法”（Problem-Based Learning，PBL）是一種以問題為核心，以解答問題為驅動力，以分組討論、展示及相互交流為手段，“教師為主導”的主動式教學方法，它是一種能激發學生積極主動自學，培養學生創新思維，引導學生綜合應用信息來解決問題為主要目標的教學模式。

筆者在一階動態電路（以圖1為例）的教學過程中，引入PBL教學法，具體做法如下：首先，在介紹一階電路之前，以閃光燈電路、樓道延時開關電路為例，通過學生所熟悉的實際電路、實際電子產品，提出問題：閃光燈電路都由哪些元件構成的，這些元件的參數是如何確定的？樓道觸摸式延時開關用手按一下燈就會亮，過一會兒燈就自動滅了，那燈亮時間的長短能不能控制？如果要控制，要控制哪些物理量？以這兩個學生平時常用到并易于理解的問題來引起學生思考、調動學生的學習興趣，激發學生主動學習，進而實現教學目標。這樣，圍繞所提出的問題展開分析、討論。問題的解答安排在一階零狀態響應的講解之后，給出一個樓道觸摸式延時開關電路，通過電路工作原理的分析，得出亮燈時間的長短其實就是由一個零狀態響應的時間常數來控制，需要延長燈亮的時間，可以通過增加時間常數中的電阻或電容值來實現。而課前提到的閃光燈電路設計為自學的方式，通過教師的啟發，以學生自行查閱資料、分組討論的形式來得到解答。其次，請學生思考：假設一個家電維修人員，在維修一臺彩電的電源電路板上有一個10μF的電容，其電壓已經達到250V，如果用一個100KΩ的電阻對其放電，請估計何時去接觸這個電容人體才會是安全的？（人體安全電壓為36V）這就是一個一階RC零輸入響應。解答設計在講完一階零輸入響應后給出。通過這個問題，提醒學生，雖然工程上認為經過（3～5）時間常數電容放電基本結束，但對于高壓電路還要考慮到人體的安全電壓等實際問題，提高學生的安全意識，用知識武裝和保護自己。

通過引入PBL教學法，將一階動態電路的學習內容與問題掛鉤，強調以學生的主動學習為主，旨在使學生構建寬厚而靈活的知識基礎，培養有效的分析問題、解決問題的能力，發展自主學習和終生學習的技能。

在教學過程的設計中，引入“系統”的概念，把一階電路看成是一個小系統，電容、電感的儲能就是系統的初始狀態，系統的輸入就是一階電路的激勵，系統的輸出就是一階電路的響應。進一步解釋了僅由外施激勵所引起的響應是零狀態響應；僅由系統的初始儲能所引起的響應是零輸入響應；既有外施激勵又有初始儲能所引起的響應是全響應。這樣，加深了學生對一階零輸入響應、零狀態響應和全響應的理解。

此環節的目的是傳遞給學生“高屋建瓴”的學習思想，讓學生建立電類課程的思維，調動學生的學習積極性。讓學生明白該課程的地位和作用，從而對學習本課程高度重視，為后續專業課的學習打下一個良好的基礎。同時，讓學生大致了解所學課程的知識框架以及它們之間內在的邏輯關系，這對學生宏觀把握知識體系是很有幫助的。

二、基于多媒體的混合板書授課模式的教學方法

直流激勵下的一階電路是最簡單的動態電路。從學生容易理解的角度，先從RC充、放電過程開始，列寫微分方程進行求解，然后應用對偶性原理直接得出一階RL電路的零輸入響應、零狀態響應和全響應。采用經典法分析直流激勵下的一階動態電路，物理概念清晰，簡單方便，易于理解。

在教學形式上應用基于多媒體的混合板書授課模式，讓多媒體和板書優勢互補。采用混合板書授課模式尊重學生的認知規律和視聽感受，“點”到的同時留給學生一些“悟”的時間，與學生開展近距離的交流，增強師生之間的互動，獲得了較好的教學效果。

采用啟發式教學，在講完一階零輸入響應和零狀態響應之后，啟發學生利用線性電路疊加原理直接推導出一階RC電路的全響應，即為一階零輸入響應和零狀態響應的疊加。進而，引導學生總結出直流激勵下一階動態電路三要素法的一般公式：

上式中：為初始值，為穩態值，τ為時間常數。

從微分方程的特征根引出時間常數的概念。時間常數是動態電路的一個重要參數，它是由電路結構和電路參數本身所決定的，一階電路的所有響應都具有相同的時間常數，因此，應稱為電路的時間常數，而不是電路中某個響應的時間常數。

通過板書（如圖2所示）的逐漸推進，能夠更好地加深學生對講授內容的理解和掌握，準確地抓住教學重點和難點，記憶更加深刻，教學效果極為顯著。

三、Multisim 仿真軟件在一階動態電路教學中的應用

美國NI公司推出以Windows 為平臺的Multisim仿真軟件。目前，Multisim 13.0是NI 公司推出的最新版本。Multisim仿真軟件既可以進行原理電路設計，又能夠完成電路功能測試，把抽象的電路分析簡單化、形象化，幫助學生快速且輕松地將學到的理論知識用計算機仿真真實地再現出來，便于學生更好地理解課堂教學內容，加深對概念、原理的理解，并能熟悉常用的實驗儀器的測量方法，進一步培養學生的自學能力、綜合能力和創新能力，提高了課程教學效果。學生在學習新知識、新內容的同時，開闊了思路，拓寬了視野，為學生盡快適應飛速發展的電子時代打下良好的基礎。

一階RC動態電路的仿真電路原理圖如圖3所示，一階零輸入響應和零狀態響應電容電壓uC的仿真波形圖如圖4所示。應用Multisim仿真，可以形象、直觀地描述出一階RC動態電路電容電壓uC的充、放電過渡過程的變化規律，加深學生對初始值uC（0+）和穩態值uC（∞）的理解。通過改變圖3所示電路的電阻和電容值，得到不同時間常數的仿真波形圖，如圖5所示。圖5清晰、準確地反映出時間常數對一階動態電路的影響，使得學生快速且輕松地理解一階動態電路時間常數的物理意義，并熟悉了常用的實驗儀器的測量方法，啟發了學生采用由初始值、穩態值、時間常數來確定一階動態電路響應的三要素法。

將仿真分析與課堂理論教學有機結合起來，這樣既可以適應學時的精簡，又可以在教學中強調工程背景、物理意義和實際應用，還可以提高學生分析問題和利用計算機解決實際問題的能力。

四、結束語

教學實踐證明，從學生的認知規律出發，采用PBL教學法，基于多媒體的混合板書授課模式，踐行了以學生為本，教師為主導的主動式教學。將Multisim仿真軟件引入一階電路的教學中，把抽象的理論知識通過仿真形象化，增強了課堂教學的生動性和直觀性，加深了學生對概念、原理的理解和掌握，便于開拓思路，增強求知欲，運用教學策略，科學合理地設計教學過程，提高了學生的獨立性與自主性，從而提高了教學質量和教學效果。

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（責任編輯：王意琴）