實作考核在電類基礎課程中的重要性研究

李玲，周波，艾娉婷

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連，116018）

0 引言

《電路分析基礎》、《模擬電路》和《數字電路》三門課程并稱為電類基礎課程。學習該類課程的目的是為了讓學員掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法[1]，培養學員運用電類基礎知識解決實際工程問題的能力，為后續信號與系統、自動控制、雷達原理等專業課程的學習打好基礎，為未來發展儲備電類方面的基本知識和技能。

課程考核是檢驗學員對課程內容理解和掌握情況的重要手段，學員在校所學的每一門課程都設定有考核評價方式。為了更加及時、全面、客觀地評價學員在整個學習過程中的學習效果，近年來，我院的電類基礎課程加大了過程性考核成績比例。目前三門課程的考核方式均是形成性考核和終結性考核相結合，各占比50%，形成性考核包括平時作業、期中考試和實作考核，終結性考核采取閉卷考試方式[2]。基于電類基礎課程理論與實際聯系緊密這一課程特點，為促進學員對理論知識的理解，同時培養學員的動手實踐能力，三門課程的教學小組經過多次討論，設定形成性考核中的實作考核占比20%，并且針對各自的課程特點，采用了多樣化的實作考核形式。如《電路分析基礎》理論性較其他兩門課程更強一些，所以實作考核方式主要是讓學員在實驗室連接和測量電路，對理論所講的定理和方法進行驗證；《模擬電路》在三門課程中工程性最強，更加強調近似的思想，設計電路需要綜合考慮各方面指標性能的影響，并且穩定性較差，所以實作考核方式主張用EWB或Multisim虛擬實驗平臺對理論所實現的電路進行仿真驗證；《數字電路》課程內容相對簡單，可實現的功能電路也比較多，所以實作考核方式采用讓學員根據理論所學內容，自己搭建可完成某些功能的實際電路。現以《電路分析基礎》課程中第四章“正弦穩態電路分析”為例說明實作考核的重要作用。

1 理論教學中存在的問題

1.1 理論基礎

《電路分析基礎》主要是分析直流電阻電路、一階動態電路以及正弦穩態電路這三類典型電路的電壓、電流和功率。所謂正弦穩態電路是指，激勵和響應均為同頻率正弦波的電路[3]。學會分析該類電路是分析非正弦穩態電路的基礎。

該類電路的分析依據仍然是電路的兩種約束關系，即元件約束和拓撲約束。由于在該類電路中，激勵和響應的頻率一致，為了分析和計算方便，引入正弦量對應的相量形式，相應地，兩種約束也轉化為相量形式，如表1和表2所示。

表1 兩種約束的相量形式

在對正弦穩態電路進行求解時，需首先將電路圖的時域模型轉化為相量模型，即各元件特性參數用其對應的阻抗來表征，各電壓、電流均以相量形式出現；然后運用解直流電阻電路中的各種方法進行分析和計算。這種借助于相量求解正弦穩態電路的方法稱為相量解析法[3]。

在正弦穩態電路中，電路元件除電阻和電源之外，還有電容和電感，因此功率的分類有多種。

（1）有功功率：P=UIc osφ，即電路中電阻元件消耗的功率。

（2）無功功率：Q=UIs inφ，即電路中電容或電感與電源進行能量交換的規模。

（3）視在功率：S=UI，即電路中用電設備的最大容量，也即為保證電路正常工作，供電設備需提供的能量。

1.2 重難點問題

《電路分析基礎》課程中電路花樣多、概念定理多、分析方法多，并且是學員入校以來接觸的首門工程類基礎課，歷來都是學員學習的難點。而“正弦穩態電路的分析”一章的學習不僅需要學員熟練掌握直流電阻電路中定理和方法，還需要對高等數學中復數的運算有比較好的基礎，所以更是本門課程的難點。在本章內容的理論學習中，學員對基爾霍夫定律的相量形式掌握不好，容易將相量之和與有效值之和混淆；對有功功率及功率因數的意義理解不透徹，不明白提高功率因數的實質及如何提高功率因數。圍繞這兩大方面的問題，在實作考核中設置針對性的實驗內容幫助學員理解和掌握。

2 實作考核內容

2.1 驗證三角形相量關系

測量圖1所示電路電阻兩端電壓和電容兩端電壓，改變電容值，重復測六組。根據測量數據驗證電壓三角形關系[4]，即

圖1 基本正弦穩態電路

測量數據如表2所示，從表中數據可以驗證，C取不同值時，對應的各組測量數據均不滿足，但滿足，即三者構成一個直角三角形，斜邊為電壓U。對于此電路，電阻和電容上電流相同，阻抗角相差90°，所以兩元件上的電壓相位相差90°，且電容電壓超前電阻電壓90°，而通過實驗數據又驗證了兩元件電壓的有效值之間的關系為，這就說明，驗證了基爾霍夫電壓定律的相量形式。

表2 基本正弦穩態電路測量數據

2.2 日光燈電路的研究與測量

測量圖2所示日光燈電路的端口電壓、有功功率、功率因數及各支路電流，改變電容值，重復測六組[4]。分析測量數據，并得出結論。

圖2 日光燈電路

測量數據如表3所示，從表中數據可得如下結論：

表3 日光燈電路測量數據

（1）C取不同值時，對應的各組數據均不滿足IL+IC=I，說明在正弦交流電路中，流入某一結點的電流有效值之和不等于流出該結點的電流有效值之和，側面說明了在正弦穩態電路中，基爾霍夫電流定律的相量形式應該為

（2）C取不同值時，測量到的有功功率P和流過日光燈電流IL基本不變，且各組數據均滿足P≈UIλ，這首先驗證了有功功率計算式的正確性，同時也說明電路中有功功率與電容無關，僅與日光燈電路的等效電阻有關，而日光燈兩端的電壓不變，所以流過日光燈的電流IL不變，則日光燈等效電阻消耗的功率不變。

（3）隨著C值的增加，日光燈的功率因數也提高，但是當C值增加到一定程度時，功率因數不升反降。這是因為日光燈為感性負載，并聯電容可抵消感性，進而提高電路的功率因數，但是當并聯的電容值過大時，電路又變為容性，故隨著容性的增加，功率因數會越來越低[3]。

3 教學實踐效果

筆者所在教學小組在2019級學員的教學中實現了理論講授和實驗考核的一致性，任課教員既承擔理論教學，又擔任實驗教員，可以更直觀地評價學員的學習效果。

正弦穩態電路的內容較為抽象，理論學習之后，通過做相關的考核實驗，明顯加深了學員對理論知識的理解，如通過實驗1中電壓的測量及實驗2中電流的測量，學員牢固掌握了基爾霍夫定律的相量形式，很少再出現有效值直接相加的情況；通過實驗2中功率及功率因數的測量，學員深刻理解了有功功率的意義，對提高功率因數的實質豁然開朗。

在實作考核中，為了得到有效的實驗數據和結論，需要學員提前熟悉理論內容，有時還需查閱實際電路的相關知識，如實驗2中日光燈電路的連接，如不了解日光燈的原理，很容易接錯電路，從而燒壞保險絲或日光燈管，致使實驗失敗。所以實作考核的設置調動了學員對本門課程的學習興趣，提高了他們的自主學習能力，培養了他們分析問題、解決問題的能力，同時對于理實結合的動手實踐能力也有極大的促進作用[5]。

另外，在實驗數據的分析過程中會發現，理論計算和實際測量之間會存在一定誤差，但誤差都在10%以內，學員可以直接體會到理論與實際的差別，工程意識感明顯增強。

4 結束語

電類基礎課程中的定律、定理和分析方法是分析一切復雜電路的基礎，也是該類課程學習的重點，圍繞如何能讓學員深入理解和掌握這些內容，結合課程工程實踐性強的特點，在課程考核方式中合理的加入實作考核環節，并且加大實作考核的比例具有重要作用。經過對三門課程兩輪的教學實踐發現，加入實作考核環節后，學員對理論所學知識更加認可，學習積極性明顯提高，自主學習能力顯著提升，工程思維和工程意識都得到增強，較好地完成了課程教學目標，培養了學員的綜合素質。