面向卓越計(jì)劃的電工與電路基礎(chǔ)教學(xué)改革

唐鶯　陳棣湘　潘孟春

[摘 要]卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃對(duì)電工與電路基礎(chǔ)課程有了新的要求。在教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)該以提高學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新動(dòng)手能力為目標(biāo)，深入進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式的改革，提出具體的教學(xué)改革措施。

[關(guān)鍵詞]電工與電路基礎(chǔ)；卓越工程師；教學(xué)改革；教學(xué)方法

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）03-0133-02

卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)卓越計(jì)劃）是教育部于2010年為落實(shí)國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要而推出的高等教育重大改革計(jì)劃，其目標(biāo)是培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。[1]

課程作為大學(xué)教育的主要載體，是提高人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，是學(xué)生獲得知識(shí)、發(fā)展創(chuàng)新能力、提高素質(zhì)的主要途徑，歷來(lái)為中外高校所重視。

電工與電路基礎(chǔ)課程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電路課程）是面向我校各工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在卓越計(jì)劃中具有一定的指標(biāo)性。通過(guò)對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以獲得電工與電路方面必要的基本理論、基本分析方法和基本技能，同時(shí)培養(yǎng)分析和解決與電學(xué)有關(guān)的實(shí)際問(wèn)題的能力，使其具有一定的工程素養(yǎng)，建立科學(xué)的思維能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事與本課程有關(guān)的工程技術(shù)、科學(xué)研究、裝備維護(hù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了適應(yīng)卓越計(jì)劃的要求以及相關(guān)領(lǐng)域迅速發(fā)展的新形勢(shì)，近年來(lái)，秉承以“能力立意”為指導(dǎo)思想，將知識(shí)、能力與素質(zhì)融為一體，以全面提升學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力為目標(biāo)，我校對(duì)電路課程進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。

本文就教學(xué)改革思路、內(nèi)容、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)體系環(huán)節(jié)的改革進(jìn)行了探討。

一、改革思路

培養(yǎng)大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合創(chuàng)新能力以及工程問(wèn)題的求解能力是卓越計(jì)劃的教學(xué)目標(biāo)，而電路課程作為“電”領(lǐng)域的入門(mén)課程，是學(xué)生接觸到的第一門(mén)工程類(lèi)課程，對(duì)于學(xué)生建立工程概念有著十分重要的作用。而教學(xué)內(nèi)容是課程之根本，所有教育思想、教學(xué)理念需通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的改革得以實(shí)現(xiàn)。過(guò)去的幾十年，電力、電子、計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展使得各種實(shí)際電路發(fā)生重大改變，因此需要更新教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生接觸到當(dāng)代最常用的基本元件，引領(lǐng)學(xué)生在工程背景下掌握元件建模的思想，弱化解題技巧和有關(guān)公式記憶。

David A.Sousa經(jīng)研究，人體大腦工作有著自身的規(guī)律特點(diǎn)，被動(dòng)式學(xué)習(xí)如閱讀、聽(tīng)講等，在學(xué)習(xí)24小時(shí)之后知識(shí)的保持率不到30%，而主動(dòng)式學(xué)習(xí)如學(xué)生演講、分組討論、演示以及動(dòng)手實(shí)踐等，可以將知識(shí)保持率提高到70%～90%。[2]進(jìn)行教學(xué)手段和實(shí)踐教學(xué)的改革，要在課堂教學(xué)中引入適當(dāng)?shù)难菔緦?shí)驗(yàn)和實(shí)物展示，在實(shí)踐環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)課前的預(yù)習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)，課后突出分組總結(jié)討論。

電路課程本身的分析方法具有辯證唯物主義的特點(diǎn)，比如我們?cè)诜治鼍唧w工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)常常要建立模型，它首先由具體抽象為一個(gè)電路模型，然后變成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解。最為簡(jiǎn)單的就是手電筒照明電路，它由電池、連線和燈泡組成，我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行建模時(shí)將實(shí)際電器元件如電池等抽象為理想電路元件，得到由電源、理想導(dǎo)線和電阻組成的電路模型。模型法的本質(zhì)就是忽略次要矛盾抓住主要矛盾，把主要矛盾解決后再考慮一個(gè)次要矛盾，再考慮下一個(gè)次要矛盾，這實(shí)際是相對(duì)真理的絕對(duì)應(yīng)用，事實(shí)上絕對(duì)真理是永遠(yuǎn)達(dá)不到的。再比如串聯(lián)電路和并聯(lián)電路具有對(duì)偶性，串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路同樣可以采用對(duì)偶性進(jìn)行分析。因此，在本課程的教學(xué)方法上，要實(shí)施案例教學(xué)、研究型教學(xué)等多種教學(xué)方法相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、歸納總結(jié)的能力以及科學(xué)思維的能力。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

電路課程是實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育與工程教育有機(jī)銜接的一門(mén)重要課程。在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生主要接受的是科學(xué)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理是其先修課程）；它又是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件電路、傳感器與測(cè)試技術(shù)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的先導(dǎo)課程，教學(xué)內(nèi)容更接近工程實(shí)踐。因此，電路課程在課程體系中具有承上啟下的作用，是本科生由科學(xué)教育邁向工程教育的橋梁，本課程的學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)有著十分重要的作用。

保持教學(xué)主體即電路定律和集總參數(shù)、電阻電路分析、動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)分析以及正弦穩(wěn)態(tài)電路分析構(gòu)成電路基本不變，將二極管作為非線性元件，晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管作為雙端口網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)算放大器以及“與”、“或”、“非”基本邏輯門(mén)作為元件等引入電路課程進(jìn)行介紹，使得電路課程教學(xué)突破僅僅限于理想電阻、電容、電感、獨(dú)立源和受控源等理想電路元件構(gòu)成電路的分析計(jì)算，打通電路基本原理、定理與實(shí)際元件電路的橋梁，使得電路課程與實(shí)際電路建立一定聯(lián)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也有助于與后續(xù)課程“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容的合理銜接。

與此同時(shí)，二極管、晶體三極管在不同工程背景下需要建立不同的等效模型，這有利于學(xué)生理解和掌握電路中的建模思想。

引入大量工程實(shí)例，包括：警示燈電路，波形變換電路，汽車(chē)點(diǎn)火電路，MOSFET構(gòu)成的常用邏輯門(mén)電路，CMOS門(mén)電路的靜電保護(hù)與過(guò)流保護(hù)原理，萬(wàn)用表分壓分流電路，家用有害氣體報(bào)警電路，二極管整流電路、限幅電路、穩(wěn)壓電路，同相程控增益放大電路，溫度測(cè)量與控制電路，高壓開(kāi)關(guān)滅弧性能試驗(yàn)電路，移相器電路，電視機(jī)聲像信號(hào)分離電路，互感線圈同名端測(cè)量電路，電功率表與線圈參數(shù)三表法測(cè)量電路，三相電路的功率測(cè)量等。這些工程實(shí)例既緊密結(jié)合電路的知識(shí)點(diǎn)，即電路的能量處理和信號(hào)處理兩個(gè)方面，又涉及后續(xù)課程模擬電子電路和數(shù)字電子電路，充分地體現(xiàn)電路的工程應(yīng)用性，也有助于培養(yǎng)交叉學(xué)科人才的應(yīng)有的創(chuàng)造性。

三、改進(jìn)教學(xué)方法

教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等是教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的幾大要素。教學(xué)內(nèi)容要想有效地啟發(fā)學(xué)生，需采取行之有效的教學(xué)方法和教學(xué)手段。基于以學(xué)生為主體、教員為主導(dǎo)的教學(xué)理念，以案例式教學(xué)法為核心，綜合運(yùn)用對(duì)比分析、交互討論等多種教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)、舉一反三、觸類(lèi)旁通的能力，尤其是科學(xué)思維的能力。以諧振電路為例，由一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)引入課程內(nèi)容：采用200W燈泡模擬電阻元件，將燈泡、電感元件和電容元件串聯(lián)構(gòu)成RLC串聯(lián)電路，改變電容值，設(shè)計(jì)電容值由小到大變化，引導(dǎo)學(xué)生觀察燈泡的明暗程度并思考：燈泡為什么先由暗到亮再變暗？問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是什么？什么條件下燈泡最亮？最亮?xí)r燈泡工作在什么狀態(tài)？學(xué)生們探究這些問(wèn)題的過(guò)程就是培養(yǎng)科學(xué)思維的過(guò)程，他們已有的知識(shí)、信息和經(jīng)驗(yàn)等會(huì)被喚醒：燈泡的亮暗反映了流過(guò)電流的大小，而電流的大小又與電路的阻抗有關(guān)，由此可以得出串聯(lián)諧振的條件，總結(jié)歸納串聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)；引導(dǎo)學(xué)生利用對(duì)比分析方法，自行分析RLC并聯(lián)諧振電路特點(diǎn)，得出諧振電路的共性；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)源的放大，再引入具體實(shí)例，如收音機(jī)電路以及科研案例懸臂梁結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

又比如，一階電路的響應(yīng)，在分析基本概念、電路特性基礎(chǔ)上，分析時(shí)間常數(shù)的物理意義，引入閃光燈電路、汽車(chē)點(diǎn)火電路等具體案例，步步深入，既能激發(fā)學(xué)生的興趣，又能讓學(xué)生學(xué)以致用。

四、評(píng)價(jià)體系環(huán)節(jié)改革

學(xué)生成績(jī)的評(píng)定是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一。為了能夠客觀、全方位地對(duì)學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)進(jìn)行評(píng)定，需要拓展傳統(tǒng)的考核方式方法，實(shí)施以全面衡量學(xué)員能力為前提的課程全程跟蹤式多種考核方式的有效結(jié)合。根據(jù)電工與電路基礎(chǔ)課程理論性和實(shí)踐型強(qiáng)的特點(diǎn)，改革課程閉卷考試試題內(nèi)容，以突出考查學(xué)員分析問(wèn)題、解決電路實(shí)際綜合應(yīng)用能力；實(shí)施隨堂測(cè)試和階段性考試相結(jié)合，學(xué)生最終成績(jī)由30%的平時(shí)成績(jī)和70%的期末筆試成績(jī)組成。平時(shí)成績(jī)是課堂測(cè)驗(yàn)和課后作業(yè)的綜合體現(xiàn)，包括學(xué)生平時(shí)課堂表現(xiàn)，如回答問(wèn)題、參與課堂討論、完成作業(yè)任務(wù)等的評(píng)價(jià)。

課堂學(xué)習(xí)的時(shí)間是一定的，學(xué)生的能力與素質(zhì)能否得到一定的提高，關(guān)鍵在課外。秉承這一理念，在一些課后大作業(yè)的布置和專(zhuān)題研討內(nèi)容的安排上，需要學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，撰寫(xiě)學(xué)習(xí)報(bào)告，非常有利于訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，有利于考查學(xué)生對(duì)于問(wèn)題的理解能力。例如，在學(xué)習(xí)諧振電路這部分內(nèi)容時(shí)，布置課后訓(xùn)練題有：1.包含兩個(gè)頻率分量ω1、ω2（ω1<ω2）的激勵(lì)u1（t）：u1（t）=u11（ω1）+u12（ω2），要求響應(yīng)uo（t）只含有ω2頻率分量，如何實(shí)現(xiàn)？2.諧振電路其他一些實(shí)際應(yīng)用，或自行設(shè)計(jì)電路（無(wú)論可以實(shí)現(xiàn)什么，重要的是設(shè)計(jì)具有獨(dú)創(chuàng)性、可行性），諧振電路又有哪些危害？3.對(duì)于低內(nèi)阻和高內(nèi)阻激勵(lì)源，如何選取諧振電路？課后作業(yè)的布置體現(xiàn)出自主性和一定程度的開(kāi)放性。

五、結(jié)束語(yǔ)

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，大學(xué)教育到底應(yīng)該教給學(xué)生什么，如何教？這是所有高校教師都應(yīng)該思考的問(wèn)題。目前，我們就學(xué)校的公共基礎(chǔ)課程電工與電路基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等的改革進(jìn)行了初步探索，實(shí)施時(shí)間不長(zhǎng)，還處于摸索階段。面對(duì)卓越計(jì)劃的目標(biāo)和要求，以提高學(xué)生的自學(xué)能力、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新動(dòng)手能力為首要任務(wù)，如何進(jìn)一步改革教學(xué)方法、如何加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等，還有待下一步的思考和實(shí)踐。

[ 注 釋 ]

[1] 劉浩，楊上河，尚建華，等.面向卓越計(jì)劃的“電路與模擬電子”的教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（1）.

[2] David A.Sousa.How the Brain Learns[M].Corwin Press Inc（3rd Revised edition），2006.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]