問題啟發式電路原理實驗課程的設計與實踐

楊 飛，王一群，周素華

問題啟發式電路原理實驗課程的設計與實踐

楊 飛，王一群，周素華

（北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192）

從學生的實際情況出發，提出了一種基于問題啟發式教學思想的電路原理實驗課程改革思路和方法。即立足于學生在平時實驗中發現的簡單問題，從這些問題出發，引導學生分析出現問題的原因，并最終通過實驗手段解決問題。該方法在實際應用中可以有效提高學生的實踐動手能力和解決實際問題能力，同時激發學生的學習和探索興趣。

電路原理；實驗課程；問題啟發式教學；教學改革

“電路原理”是面向電類專業開設的第一門專業基礎課，是所有強電專業和弱電專業的必修課。該課程以分析電路中的電磁現象、研究電路基本規律及電路的分析方法為主要內容，課程理論嚴密、邏輯性強，具有廣闊的工程背景。通過本課程的學習，對學生樹立嚴肅認真的科學作風和理論聯系實際的工程觀點，培養科學思維能力、分析計算能力、實驗研究能力和科學歸納能力有重要作用[1]。

電路理論是電氣工程和電子科學技術的主要理論基礎，是一門研究電路分析和網絡綜合與設計基本規律的基礎工程學科，在過去的30多年，其教學內容相對固定，主要變化體現在教學內容優化、教學過程組織、教學方法和手段改革等方面。其中，“電路原理實驗”是重要的實驗教學課程，其目的不僅是幫助學生鞏固并加深理解所學的理論知識，更重要的是要訓練學生的實驗技能，使學生樹立工程實際觀點和嚴謹的科學作風[2-3]，因此它是反映教學和科研水平、檢驗教學質量的一個重要方面[4-6]。

1 “電路原理實驗”課程改革現狀及思考

對“電路原理實驗”課程的改革一直是高?；A課程建設的一項重點工作，眾多高校從理念、手段、方法等多個層面進行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。文獻[7]在電路實驗教學中采用規定內容與自擬內容相結合、“教”與“導”相結合、開卷考試及寫論文的教學方式，使學生的創造性思維能力得到提高。文獻[8]提出，要進行電路實驗教學改革首先要實現教學觀念變革，要把培養學生的創新精神作為實驗教學改革的目標，采用分層次實驗教學和開放式實驗教學等方法，通過建立適應實驗教學的成績評定標準等措施,逐步將電路實驗室建成培養高素質創新人才的基地。文獻[9]介紹了計算機輔助電路分析在實驗教學改革中的應用，著眼于提高學生綜合素質和創新意識提高及可持續發展。文獻[10]提出，要想通過電子電路實驗課強化實踐動手能力培養，必須變被動式的教學模式為自主式的教學模式，使學生由被動學習轉變為主動學習,這樣才能提高學生綜合應用知識能力、創新能力及獨立分析和解決實際問題的能力。文獻[11]提出了若干電路實驗課程教學改革措施,包括合理安排實驗儀器面板、合理設置軟硬件實驗、逐步改變教學方式、鼓勵學生進行故障排查、綜合改革考核方式等。文獻[12] 設計并開發了一個電路原理實驗網上預習系統，該系統采用B/S結構設計，以MyEclipse為開發工具，以MySQL為后臺數據庫，實現了網上預習測試功能。文獻[13]以培養學生自主學習能力及自主創新能力為目標，對電路實驗課程內容進行層次化、階梯式的改革，其中選擇部分實驗項目試行了“實驗先于理論”的自主測試歸納式教學模式，相應的教學組織形式為翻轉課堂模式。文獻[14]對電路實驗教學進行了全方位立體化的改革，把改革思維系統地貫穿到實驗內容、教學方式、實驗平臺以及考核方式等各個方面，積極探索研究性教學，全面引入“多角度”的實驗教學方法，通過“全方位立體化”的實驗項目設計，努力提高電路分析實驗教學的質量。

從上述文獻中可以看到，對電路實驗課程改革，不論是教學理念改革，還是教學方法和教學手段改革，其首要目標是提高學生的主觀能動性，激發學生的學習興趣，引導學生主動思考，在“做”中“學”，同時也在“學”中“做”。由于電路實驗課程是電類專業的入門課程，學生此時的專業知識有限，動手能力有限，因此在進行電路實驗課程改革時必須因人而異、有的放矢。也就是說，在進行課程改革時，既要考慮實驗設置的工程性和創新性，又要注意不能使課程內容過于復雜，超過學生的能力范圍，這是進行電路實驗課程改革必須注意的問題。

本文從學生的實際情況出發，提出了基于問題啟發式教學思想的電路原理實驗課程改革思路和方法。即立足于學生在平時實驗中發現的簡單問題，從這些問題出發，引導學生分析出現問題的原因，并引導學生利用基本的實驗手段來解決問題，從而達到對學生進行工程訓練的目的，激發學生的學習興趣，提高學生的動手實踐能力。

2 問題啟發式教學思想

問題啟發式教學（PHT）是結合基于問題的教學理論和啟發式教學理論而提出的一種教學方法。PHT教學方法就是結合要講授的理論知識，從具體事例出發，以問題解決為著眼點，組織學生進行分析、討論和探究。在解決問題過程中，教師與學生通過不斷發問與回答的形式，使問題分析逐步深入。在不斷駁辯和啟發的過程中，學生通過辨析，自行理解并提出明確觀點，進而掌握相關理論知識。因此，PHT的核心在于從問題入手，培養學生主動思考的習慣，激發學生的創造性思維[15-16]。

為實現課程標準要求的教學目的，問題啟發式教學對問題的設置，應力圖對學生的學習思維有定向性、限制性和指導性，應緊扣教學內容的重點、難點。在電路原理實驗課程中，學生面對的是實際電路元件，在創設問題時可因地制宜地利用學生實驗過程中遇到的實際問題，譬如電阻標稱值的誤差、信號源的內阻、實際電感的串聯電阻等。受這些因素影響，學生在實驗中往往發現實驗結果與理論分析不符的問題。但傳統教學模式往往忽略此類問題的重要性，只做簡單解釋，讓學生按照簡單方法進行處理了事。而問題啟發式教學將以學生自己在動手實踐中發現的這些問題為切入點，進行后續的啟發式研究，在不增大課程難度的同時充滿探索的樂趣。

3 問題啟發式實驗教學案例

下面以RLC串聯諧振電路為例，介紹問題啟發式實驗教學案例的設計。

3.1 問題導入和問題發現

（1）理論計算。在圖1電路中，電路發生串聯諧振時，U=。取=9 mH，=50 Ω，=0.033 μF，正弦波電源電壓m=2 V，理論計算結果如表1所示。

圖1 RLC串聯電路

表1 諧振電路初步理論計算數值表

（2）實際測試。按圖2組成測量電路，將信號源輸出正弦波峰峰值設為4 V，并通過雙通道示波器同時觀測信號源輸出電壓和電阻兩端電壓的波形。

圖2 諧振測量電路示意圖

（3）找出電路的諧振頻率0。令信號源的頻率由小逐漸變大，當示波器上顯示的兩路波形同相位時，信號源輸出信號的頻率值即為電路的諧振頻率0，如圖3所示。測量此時的波形數據，填入表2。

圖3 電路諧振時示波器觀測波形

表2 諧振電路初步實測數值表

在完成表2測量之后，學生會發現表2的實測數據與表1的理論計算值之間存在較大差異。

3.2 分析問題

在學生通過自己動手實驗發現上述問題后，應進一步創設問題，引發學生思考，激發探究欲望：

（1）為什么信號源輸出電壓實測值為1.11 V，而理論值為2.0 V，電壓降在了哪里？

（2）諧振時Um測量值0.89 V為什么小于信號源輸出電壓實測值1.11 V，電壓降在了哪里？

（3）引導學生思考上述問題并得出如下結論：信號源的電壓被實際電路中的其他未知電阻分擔了，而在理論分析時沒有對這些額外的電阻加以考慮，這主要包括信號源的輸出電阻和電感等器件的寄生電阻，而這兩部分電阻在實驗中是不可避免的。

3.3 解決問題

接下來要引導學生通過實驗手段解決問題，即通過實驗測試測量出信號源內阻和電感的寄生電阻，并重新改進RLC串聯諧振電路，如圖4所示。

圖4 考慮信號源內阻和寄生電阻的諧振電路

參照圖4電路，對RLC串聯諧振電路重新進行理論計算、仿真和實際測試，得到的仿真波形如圖5所示，對比圖3的實測波形，可以發現二者基本一致。最后，將相應的數據填入數據表，達到了理論和實踐的統一。

圖5 考慮內阻和寄生電阻的仿真波形

4 結語

本文將問題啟發式教學思想應用到電路原理實驗課程改革中，按照工程教育理念，從創設啟發問題開始，引導學生對問題的分析逐步深化，并最終通過實驗手段解決問題，激發了學生的學習興趣，提高了學生解決實際問題的實踐動手能力。

雖然該方法所需實驗時間較長，但從實驗教學改革角度來說，卻是完全必要的。同時本文所提到的問題啟發式教學并不需要運用到電路實驗課程的所有實驗中，只需從中選取2、3個典型案例即可產生很好的效果。

[1] 邱關源.電路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 李新科，黃揚帆，顏芳，等.《電路原理實驗》教學探索[J].實驗科學與技術，2012, 10(4): 135–137.

[3] 田健仲，吳敏華，張俊方，等.電路原理實驗課程建設與教學改革實踐[J].實驗技術與管理，2010, 27(10): 142–145.

[4] 李強，袁臣虎，李現國，等.電路實踐教學的改革與探索[J].實驗室科學，2009, 12(5): 43–45.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陸文娟，等.“電路原理”課程教學改革的理念與實踐[J].電氣電子教學學報，2012, 34(1): 1–8.

[6] 唐甜.《電路分析基礎實驗》教學改革反思[J].教育現代化，2017, 4(19): 37–38.

[7] 馬鑫金，應安明，王桂玲.電路實驗教學改革的嘗試[J].實驗室研究與探索，2002, 21(3): 46–48.

[8] 高燕梅，宋麗華，王麗.電路實驗教學改革與素質教育的探討[J].電氣電子教學學報，2003, 25(6): 85–87.

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[11] 湯敏，王敬時.電路實驗教學改革的思考與探索[J].中國教育技術裝備，2016 (2): 162–163.

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[14] 張聰玲.工程教育背景下電路分析實驗課程改革探索[J].實驗室科學，2018, 21(5): 107–110, 114.

[15] 李慧勤，李紅君.現代啟發式教學的內涵與實施[J].中國高等教育，2008 (10): 21–23.

[16] 彭芬，劉李豫.基于問題的啟發式教學方法與實踐：以“組織行為學”本科教學為例[J].中國大學教學，2013(3): 65– 67.

Design and practice of Circuit Principle Experiment course based on problem-heuristic idea

YANG Fei, WANG Yiqun, ZHOU Suhua

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

According to the students’ actual situation, this paper puts forward a new idea and method of curriculum reform of circuit principle experiment based on problem-based heuristic teaching idea. That is to say, based on the simple problems that students find in their experiments, students are guided to analyze the causes of the problems, and ultimately solve them by means of experiments. This method can effectively improve students’ practical ability and their ability to solve practical problems, and stimulate their interest in learning and exploring.

circuit theory; experiment course; problem-heuristic teaching; teaching reform

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0158-03

2019-01-11

國家自然科學基金聯合基金重點基金項目（U1636208）；2018年精品在線開放課程建設項目（2018KGZX16）；北京信息科技大學2016年度教學改革立項（2016JGYB57）

楊飛（1982—），男，山東威海，博士，講師，主要研究方向為網絡安全、無線傳感器網絡等。

E-mail: feiyounger@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.040