突出科研素質培養的“電路分析”教學改革

馮興田 馬文忠 趙仁德

摘? ? 要：“電路分析”課程教學改革以提升學生的科研素質為目標，從師資配備、課程內容優化、教學方法改革、實驗設計、考試方法改進等多個方面設計教學改革方案，并基于先進工程教育模式，融合立體化教學、雙語教學，尤其在實驗教學內容與方法上進行了突破性的改革，通過在電氣信息類本研一體化班級中試點，促進了學生科研素質與創新能力的提升。

關鍵詞：科研素質;電路分析;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）12-0017-02

新工科建設背景下，面向國家能源發展戰略需求，培養基礎寬厚、專業精深、綜合素質高、創新能力強，能夠引領未來能源領域科技發展的高層次創新型人才[1-2]，迫在眉睫。“電路分析”課程作為電氣信息類的專業基礎課程，要夯實基礎、學好知識，也要在基礎中滲透綜合、創新、實踐能力等科研素質的培養[3-4]。本課程結合慕課、翻轉課堂開展教學，融合討論、專題、答辯等多種教學模式，提高學生自主學習、團隊協作、探究質疑、總結匯報等科研素質方面的能力。

一、教學改革方案

（一）師資配備強調科研經歷

選配長期從事“電路分析”課程教學、課程建設經驗豐富、具有科研經驗的教師進行授課，充分利用“電路分析”省級精品課、學校重點課程和學校在線開放課程三大平臺，提高本課程的教學質量。為了提高學生的科研素養，堅持理論聯系實際的原則，將課上內容有重點地與實際科研課題相結合，結合相關科研任務和教師的科研經歷，講述典型電路在實際工程中應用的案例，提高學生的學習興趣，培養學生利用所學電路知識分析問題、解決問題的能力。

（二）教學內容側重本研銜接

集中優秀師資力量成立“電路分析”課程建設小組，以培養學生電路分析和設計的素質和能力為目標，以“電路分析”與后續課程的承啟關系為統領，以科研素質所需知識儲備為抓手，以引導學生形成研究性學習習慣和能力為核心，開展課程內容體系建設，重點結合后續課程及研究生階段課程對本課程的內容體系、章節內容進行再梳理、再整合，實現本、研階段學習任務和目標的有機銜接，強化創新能力的培養。

（三）教學方法融合產學研

教學實行小班授課，教師講解結合翻轉課堂開展教學，融合討論、專題、答辯等多種教學模式。將OBE（基于產出的教育模式）以及CDIO（構思、設計、實現、運作）先進工程教育模式引入本課程的教學過程，實現工程素質培養的規劃設計。靈活采用基于項目、問題、案例的探究式、啟發式、討論式等多元化的教學方式方法，以教師為主導，以學生為主體，提高學生學習的積極性。融合驗證性實驗、綜合性實驗、開放性實驗、虛擬仿真實驗、課程設計以及科技創新項目，全面提升學生的工程實踐能力和科研創新能力。

（四）實驗教學采用項目形式

根據課堂學術素養的培養需要，轉變以往單純的驗證性實驗，采用自主性設計型實驗為主的實驗教學模式。實驗內容參照電子設計競賽的形式，以小課題、小任務為牽引，調動學生學習的熱情和主動性。采用數字仿真與實驗相結合的實驗教學模式，設計綜合性實驗。

1.傳統實驗方案包括基本實驗、一階二階電路、三相電路三大部分。具體包括萬用表、直流穩壓電源的使用，線性、非線性、理想電壓源、實際電壓源伏安特性及其測試方法;對含兩個網孔的線性網絡，自行設計實驗方案及實驗線路，驗證基爾霍夫定律;對復雜線性網絡，自行設計實驗方案驗證疊加定理;設計實驗方案驗證戴維南定理;示波器、信號發生器、毫伏表等常用儀器的使用和波形測試方法;一階電路響應波形的測試和分析;實驗研究阻抗頻率特性曲線;測量和觀察RLC串聯電路諧振時的電壓電流關系;實驗分析交流電路中電壓電流和功率之間的關系，以及并聯電容對提高功率因數的作用;自擬三相電路的連接和測試方案，驗證三相電路中電壓電流的關系;應用三表法、二表法測量三相電路的功率。每個內容2學時，主要是通過簡單的實驗方案設計，驗證基本原理，缺少綜合應用性實驗。

2.新實驗方案由三個單元組成，分別是基礎實驗、萊頓瓶放電實驗、三相無功補償實驗研究。基礎實驗5學時，主要包括MATLAB仿真軟件的介紹和應用;基本儀器（萬用表、直流穩壓電源、示波器、信號發生器等）的實際應用;基本原理的仿真與實驗驗證（包括基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理等）。通過基礎實驗，使學生能夠將仿真工具初步入門，對基本的儀器設備學會使用，能夠通過搭建仿真模型和實驗電路驗證基本電路原理。該部分與傳統方案的基本實驗比較，強調了仿真軟件的使用和建模仿真分析。

萊頓瓶放電實驗在電路分析發展歷史上有重要的地位，湯姆遜據此寫出了經典的論文，赫茲發現電磁波。放電實驗刺激，歷史故事豐富，能夠激發學生學習電路的興趣。結合微分方程的求解，讓學生體會拉氏變換的作用。感興趣的學生，可以在此基礎上進行赫茲的電磁波發現等實驗。萊頓瓶放電實驗5學時，3學時由學生進行演示匯報，2學時PPT匯報。內容包括自行設計、制作萊頓瓶，進行放電實驗的分析與研究;記錄相應的實驗波形，并結合所學電路知識給出理論解釋。

三相無功補償實驗6學時，包括構建三相電路及其感性負載的仿真和實驗平臺;檢測三相電路的有功和無功功率;計算電容參數，進行無功補償分析;電容容量優化問題的探討，過補償會引起什么問題？電容投切的過渡過程研究，是否出現電流沖擊？在什么情況下沖擊最小？讓學生通過實驗，理解實際工程問題的復雜性，以及在各種因素的作用下，尋找最優的工程解。

通過比較可以看出，新方案在降低學時的基礎上，以小項目的形式開展。無論是實驗訓練的內容，還是實驗模式，以及考核內容和方式，都是圍繞學生的科研素質培養開展的。

（五）考核引入工程思想

改革現有單一的期末統考的考試方法，采用期中、期末考試與平時考查相結合，平時考查采用課外作業、研討課及網上互動等形式。借鑒國外的項目考查方式，考慮閉卷與開卷相結合，“一頁開卷”方式和大作業報告方式，突出科研項目和工程思維的考查。真正實現教考統一，學以致用，促進各個環節師生之間的交流互動，提高學生學習的主觀能動性，激發學生的求知欲和探索精神，鍛煉學生終生學習的能力。

二、教學改革措施

（一）強化科研理論方法

電路理論是在物理學中電磁學的基礎上發展起來的，并形成了一整套完整的經典分析方法，這些方法同時也是近代電路分析方法的基礎，因此教學中要求學生必須牢固掌握。具體授課中以分析簡單電路為主，突出基本概念，力圖避免繁雜的數學計算;另外，隨著電路理論的發展和進步，教學中適當增加現代電路的分析方法及手段，如非線性電路的分析、矩陣分析方法、網絡分析方法等，其主要特征是計算機輔助分析的應用，介紹它們在實際科研項目中的應用，強調基礎理論在科研中的必要性和重要性，提升學生的興趣和探索精神。加強兩方面的理論結合教學，既滿足了電路課程發展的要求，也為學生學好后續課程打下良好的基礎。

（二）立體化教學引入科研仿真與實踐平臺

建立立體化的教學體系：充分利用翻轉課堂、慕課等新的教學方法和手段，提高學生的自主學習意識和分析問題、解決問題能力;理論課程內容與實驗課程內容互相配合、互相融合，徹底解決目前存在的理論授課和實驗授課分別進行、相互割裂的問題;強調計算機虛擬分析與理論、實驗分析的有機結合，將后續課程學習和將來科研創新研究需要掌握的MATLAB引入電路分析教學，加強學生后續應用能力的培養，強化科研仿真平臺和實驗平臺的應用;充分利用“電路分析”的學校在線開放課程平臺，配備完善的網絡教學資源，方便學生預習、復習和自學，成為學生與教師之間交流的平臺，調動學生平時學習的主動性和自覺性，實現多層次、多方面、多角度的立體化教學體系。

（三）雙語教學突出學術思想

為進一步提高教學質量，提高學生能力，課程組采用雙語教學方法。首先根據外文原版資料編寫了校“十二五”規劃教材《電路》（雙語版）作為雙語教學專用教材，制作了電路分析多媒體雙語課件，平時授課中的習題、作業采用英文形式給出題目，理論課程期末考試采用英文試卷，提高學生的專業英語學習意識，豐富學生的專業詞匯儲備，為將來的英語文獻閱讀及學術研究打下基礎，并適當地介紹進行科學研究必須經歷大量英文文獻閱讀的經歷，給學生足夠的思想準備。經過4屆學生的試行，目前已經取得了較好的應用效果。

“電路分析”課程的教學改革以培養學生的科研素質為突破口，制定了相應的教學方案，靈活采用多種教學模式和方法，特別是在實驗部分的設置上，突出了學生的創新能力培養。教學改革實踐在校級教改項目的資助下，在電氣信息類本研一體化班級進行試點，取得了較好的效果。

參考文獻：

[1]余壽文.工程教育評估與認證及其思考[J].高等工程教育? ? 研究，2015，（3）.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，? ? 2017，（3）.

[3]王源遠，王麗萍.高校實踐教學的理論認識與實踐探索? ? [J].實驗技術與管理，2013，（1）.

[4]閔永智，李紅，王秀華.電氣工程專業研究性實驗教學? ? 新模式探索[J].實驗技術與管理，2015，（12）.

收稿日期：2019-03-14

作者簡介：馮興田（1978—），男，山東東營人，中國石油大學（華東）新能源學院副教授，主要從事電氣工程研究。

基金項目：中國石油大學（華東）教學改革項目“基于柔性培養的電氣工程卓越計劃和教育認證專業實踐體系構建與實施”（JY-B201883）