關于換路定律的教學設計

曾晗+趙文靜+崔婧娜

摘 要 本文拋開高深理論推導，將傳統教學手段和現代化教學手段相結合，從實際案例引入，創設問題情景，激發學生學習興趣。本文主要從教學目標、教學思路和教學手段三方面介紹換路定律的教學設計，采用問題牽引式的教學方法，使學生理解換路定律的內涵并學會使用換路定律分析解釋實際生活中的現象，培養和提高學生獨立分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞 換路定律 教學思路 教學手段

中圖分類號：TMl33 文獻標識碼：A

換路定律是《電路基礎》一書中的基本定理之一，主要用來分析求解動態電路的過渡過程。在實際生產生活中，利用換路定律可以搭建各種延時電路，因此，研究換路定律具有重要的實際意義。

1教學目標

本課程授課對象為高職高專學生，采用的教材是西安電子科技大學出版社出版，由孔凡東、蔣卓勤等人編著的《電路基礎》一書。高職高專學生大多文化基礎薄弱，渴望動手實踐，應用需求與能力不匹配。因此，在培養目標上更加注重實踐能力的養成。

換路定律是本書第三章的核心重點內容，主要用來分析直流動態電路，這與前三章直流電阻電路有著很大的不同，這就需要學生更加深入的了解這兩種電路。針對教學內容，本節課設置了針對性強的教學目標：

（1）使學生掌握理解換路定律。

（2）要求學生學會使用換路定律分析實際電路問題。

2教學思路

根據授課內容以及學生的原有知識結構，本次課主要分五個步驟實施：知識回顧、課堂引入、重點內容、實際應用、課堂小結。下面具體介紹課程的實施情況。

（1）知識回顧：動態元件、動態電路，以及電容和電感的伏安關系。

（2）課堂引入：由USB killer引入，播放USB killer燒毀電腦的視頻。提出問題，USB killer如何將電腦燒毀，引發學生的好奇心，激發求知欲。

（3）重點內容：利用幻燈演示更加直觀的使學生理解掌握換路的概念以及電路換路的方式。根據的課前知識回顧，學生已經了解到要想在直流動態電路中獲得變化的電壓和電流，可以通過改變電路的狀態來實現。電路狀態的改變稱為換路。接下來，通過簡單的手電筒電路來展示電路狀態改變的三種方式：電路接通、斷開電源；電路中電源的升高或降低；電路中其他參數改變。強調，本節課只討論由開關的閉合或者斷開引起的電路換路。

根據組成電路的元器件的不同，可以將換路無儲能元件電路換路（純電阻換路）和有儲能元件電路換路（電容換路和電感換路）。接下來分別具體分析這兩種類型的電路換路。

（1）無儲能元件電路換路：引導學生討論換路瞬間電阻兩端的電壓以及流經電阻的電流的變化情況。電阻是無儲能元件，也就是即時性元件，開關閉合瞬間，電壓電流均發生突變，沒有過渡過程。

（2）有儲能元件電路換路：以RC串聯電路為例，如圖1。強調重點分析電容兩端的電壓在換路前后的變化情況。提出問題：開關閉合前，電路中有沒有電流通過？電容兩端的電壓是多少呢？開關閉合后，電路發生換路，對于電容而言，電壓源對其進行充電，一段時間后，電容充電完畢，此時電容兩端的電壓又是怎樣的呢？拋出諸多問題，引導學生思考，同時畫出電容兩端電壓隨時間的變化情況。引出新的穩定狀態和舊的穩定狀態的概念，再次拋出關鍵問題：電容電壓在換路后直至到達新的穩定狀態之間又是如何變化的呢？并引導學生進行討論。

利用模擬仿真軟件Multisim對電路進行仿真，如圖2，直觀形象的展示電容兩端電壓從舊得穩定狀態到新的穩定狀態的變化情況，即電容兩端的電壓在換路前后沒有發生突變，而是經歷了一段過渡期。定義過渡期為暫態過程。并給出0-和0+時刻的定義和數學物理意義。接下來引導學生討論暫態過程形成的原因。是由于電路內部含有儲能元件 C、L，電路在換路時能量發生變化，而能量的儲存和釋放都需要一定的時間來完成。

提出問題：直流動態電路的分析，是從換路開始直到電路進入新的穩定狀態，它的起點就是電路中的初始值，那么動態元件在電路發生換路的瞬間，他們的電壓電流的初始值會發生怎樣的變化呢？引出本節課的重難點——換路定律。

對于電容而言，通過列寫一階微分方程，并結合電容兩端電壓與電荷量的關系，分析得到：換路瞬間，若電容電流保持為有限值，則電容電壓（電荷）換路前后保持不變。 同樣，對于電容而言，換路瞬間，若電感電壓保持為有限值，則電感電流（磁鏈）換路前后保持不變。總結換路定律的內容，即

強調其使用條件：電容電流和電感電壓為有限值是換路定律產生的條件。換路定律只對uC、iL有約束。

（1）實際應用：換路定律的內容其實很簡單，但應用卻很廣泛。本次課的難點就是利用換路定律分析實際問題。同時，實際問題的分析也是本次課堂設計的特色環節，突出應用性。分別對RC換路和RL換路應用舉例，總結利用RC電路換路可以組成延時電路，而RL電路則可以實現直流升壓功能，這對于實際生產具有重要的指導意義。

最后，回到課前的問題：USB killer如何將電腦燒毀。USB killer使用的是升壓斬波電路，利用電容量較大的電容和電感量較大的電感，通過自動開關，不斷的進行換路，在此過程中電容和電感不斷的充放電，從而使輸出端電壓不斷增加，直至燒毀電腦。

（2）課堂小結：總結本節課的重難點，并設置思考題：換路前后，除了電容電壓和電感電流不能發生突變外，電路中其他的電壓和電流在換路時又發生了怎樣的變化呢？通過課下的思考問題引出下次課的內容。

3教學手段

（1）視頻——USB killer燒毀電腦的視頻，吸引學生注意力，激發好奇心。

（2）實驗——利用模擬仿真軟件Multisim，直觀形象展示動態電路的暫態過程，使學生對知識更加的清晰明了。

（3）動畫演示——通過動畫演示換路定律的應用，是學生體會到換路鼎爐的實用性。

4教學反思

本次課最大程度的避免枯燥理論的講解，采用問題牽引式的教學方法，活躍課堂氣氛，激發學生的學習積極性。

不足之處在于，雖然已經設置了很多貼近實際的講授環節，但學生沒有實際動手操作搭建電路，動手能力沒有得到訓練，針對這一問題，可以結合內容，設計實訓操作課程，鞏固學生的知識掌握。

5結語

教學實踐證明，純粹的理論講解并不能引起學生的學習共鳴。本文根據具體的教學內容，設計了相對可以激發學生學習興趣的一堂課，在這里與大家分享。希望通過更多的教學探索，使我們的課堂變得更加生動有趣。

參考文獻

[1] 孔凡東.電路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[2] 王進明.換路定律的適用性討論[J].蘭州石化職業技術學院學報，2004（02）：8-10.

[3] 田社平，孫盾，張峰.關于電容電壓和電感電流躍變的討論[J].電子電器教學學報，2014（06）：56-58.endprint