『電路』課程的教學(xué)方法改革

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 孫金秋

總結(jié)目前電路教學(xué)中存在的問題，本文提出“重概念輕計算”理念下電路教學(xué)方法的改革。文中詳細(xì)的介紹利用仿真軟件解決電路中的計算困難和理解抽象問題。教學(xué)實踐表明，采用“重概念輕計算”可以提高電路課程的教學(xué)質(zhì)量。

在工程認(rèn)證的背景下，科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)對于學(xué)生來說非常必要。科學(xué)素養(yǎng)非傳統(tǒng)意義上課程的機(jī)械式重復(fù)，必須在掌握知識的同時學(xué)會學(xué)生以科學(xué)方法處理問題、解決問題。需要培養(yǎng)學(xué)生利用計算工具解決及分析計算問題的能力。在實際中，學(xué)生并沒有真正掌握科學(xué)素養(yǎng)的精髓，沒有真正將計算工具與學(xué)科相結(jié)合，依然延續(xù)原有的“土辦法”，簡單使用公式加筆算，實際上在浪費時間及資源，并且沒有提高效率及準(zhǔn)確性。因此本作者提出了“重概念，輕計算”的教學(xué)改革，提高老師的課堂效率，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及解決工程問題的能力。

“電路”課程是許多高校自動化專業(yè)和電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。作為電類的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，很多學(xué)生很難從高數(shù)、物理的學(xué)習(xí)思路迅速轉(zhuǎn)變到電類課程的學(xué)習(xí)中，因此很多學(xué)生從電路開始就對專業(yè)課有了畏難情緒。因此在“重概念，輕計算”的教學(xué)改革下，有必要引入更加有效的教學(xué)手段。充分利用仿真軟件對電路課程中一些重點和難點進(jìn)行教學(xué)方法的改革。

本文詳細(xì)介紹仿真軟件在電路課程中各教學(xué)內(nèi)容中的應(yīng)用，以加強(qiáng)學(xué)生概念的理解，減輕手動計算的難度。

1 目前電路課程教學(xué)中存在的問題

1.1 計算繁瑣問題

電路分析的基本思路為選取變量，然后利用KCL、KVL和VCR列寫方程，列寫的方程數(shù)少則兩個，多則四五個。目前學(xué)生在求解方程的時候習(xí)慣利用初中所學(xué)的消元法，當(dāng)方程數(shù)大于三個的時候，通常需要花大量的時間解方程，甚至解到最后還是錯誤的，大大挫傷了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

非正弦周期信號的分析，需要先將激勵傅里葉級數(shù)展開，然后轉(zhuǎn)化成直流穩(wěn)態(tài)和正弦穩(wěn)態(tài)的分析。傅里葉級數(shù)展開的數(shù)學(xué)積分運算對于學(xué)生而言難度也非常大。

1.2 理解抽象問題

直流穩(wěn)態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路中，響應(yīng)也是直流或者正弦穩(wěn)態(tài)，學(xué)生比較容易理解。但在動態(tài)電路的分析中，響應(yīng)中包含暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。尤其是二階動態(tài)電路分析時，學(xué)生理解不了阻尼大小跟響應(yīng)的關(guān)系。

非正弦信號通過傅里葉級數(shù)展開分解成直流分量和各諧波分量，學(xué)生也覺得比較抽象。

2 仿真軟件在電路教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 利用MATLAB解決電路一般分析方法中方程組求解問題

圖1所示電路的網(wǎng)孔方程為：

圖1 電路的網(wǎng)孔分析法

如果手動計算解此方程組會花費時間較長，而且容易算錯。在MATLAB命令窗口中輸入A=[20，-10，-8；-10，24，-4；-8，-4，20],b=[-40 -2020]',X=pinv(A)*b，得到X= -3.6364-2.5078-0.9561，從而可得電流i= -0.9561A。

由此可見借助軟件計算便捷準(zhǔn)確。

2.2 利用MATLAB軟件解決傅里葉級數(shù)展開的問題

2.3 利用MATLAB軟件解決動態(tài)電路分析的問題

二階動態(tài)電路的響應(yīng)分過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過阻尼時響應(yīng)為非震蕩衰減，欠阻尼時響應(yīng)為振蕩衰減。RLC串聯(lián)電路零輸入相應(yīng)，電容的初始電壓為5V。當(dāng)R=220Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(a)所示，當(dāng)R=2Ω，C=100μF，L=0.25H的仿真波形如圖2(b)所示。從仿真波形可以使學(xué)生對非振蕩衰減和振蕩衰減有直觀的感受。而且可以動態(tài)的調(diào)整RLC的參數(shù)，使得學(xué)生理解參數(shù)的大小對響應(yīng)的影響。

圖2 二階動態(tài)電路的仿真分析

結(jié)論：利用計算機(jī)仿真技術(shù)，課堂可以上演示各種電路的激勵和響應(yīng)的關(guān)系。學(xué)生既可以更好地掌握電路的理論知識，又可取得搭建與調(diào)試電路的經(jīng)驗，使理論與實踐緊密結(jié)合。通過近兩來的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中使用仿真軟件，加強(qiáng)概念的理解，弱化學(xué)生手動計算的要求，可以使得學(xué)生從機(jī)械的計算中解放出來，有更多的精力在科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)上。