問題驅動法和虛擬仿真教學在電路課程中的應用*
——線上線下混合式教學

余 群，鄭艷華，李 麗

（1.廣州大學電子與通信工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學物理與材料科學學院,廣東 廣州 510006）

1 概述

電路課程是工科院校電類專業開設的第一門專業基礎課，它的學習效果會直接影響到學生學習后續專業課程，以及學生培養專業學習的習慣。目前，在電路教學過程中存在的主要問題大致如下幾個方面：

1.1 教學目標執行不到位

電路課程的教學目標是要求學生掌握電路理論的基礎知識和電路分析的基本方法，培養學生具備一定的分析和設計實際電路的能力。然而在實際的教學過程中，因為教學內容不變，教學學時減少，教學要求增加，教學模式多選擇快捷的單向灌輸方式，它偏理論講解和結論再現，理論與實踐聯系不緊，導致學生參與教學的熱情度不高。

1.2 學生自主學習的學習習慣還沒有養成

電路課程的開設時間為大學一年級下學期，這個時間段剛好是學生處在高中學習習慣還在，大學學習習慣還沒有養成的時刻，學生學習依然依賴老師，基本上是圍繞著老師要求走，缺乏自我控制能力，沒有養成自主學習的好習慣，在學習的過程中遇到難題，不主動排解，累積過多，導致對課程學習逐漸失去了興趣。

1.3 教學方式不完善

目前課堂教學模式還是以教師為中心的單向傳播形式，教學的過程基本都是原理講解—定性分析—定量計算—例題講解—結論驗證，這種模式下，學生被動地學習，加上學生缺乏對電路的客觀認識，生硬的理論知識學生無法接受，更難以吸收，這些從某些方面來說抑制了學生解決問題的積極性和靈活性。

基于以上的問題，主要從興趣的產生和內容抽象感的降低或難題的提示著手進行改善。

2 課前的問題驅動

興趣是學習的第一動力，只要有了興趣，再難的問題都不是問題了，所以在課前，我們采用問題驅動的形式。問題驅動不管對中學生還是對大學生，理論課還是實踐課的教學都行之有效[1-3]，從實際生活入手，從學生熟悉的內容著手，設置與知識點相關的問題，在課前發給學生，讓他們帶著問題先在線上進行學習，學習效果再通過習題來檢測，如果檢測通過，學生有成就感，學習勁頭更足，如果檢測不如意，帶著問題到課堂來，學習專注度得以提高。例如在講授“電阻電路的一般分析方法”這個知識點前[4]，整理了幾個問題：（1）對于僅由一個電源和一個電阻組成的電路，如果要求解該電阻上的電流或電壓時，可以采用什么方法？（2）如果電路是由多個電源和多個電阻組成，如果要求解某個電阻上的電流或電壓時，又該采用什么方法？（3）如果電路更復雜些，如圖1 所示，如何求解？再有相同的元件，不同的聯系方式，如果要求解某個電阻上的電流或電壓時，方法是否是唯一的？有沒有規律可循？對于問題（1），大多數學生本能反應是歐姆定律；對于問題（2），就要在歐姆定律的基礎上輔以基爾霍夫定律、電阻串并聯分壓分流公式才行，這些知識點都是同學們中學就學過的，用來解答問題，難度不大，但對于問題（3），電路也許是結點少，也許是支路少，還可能是回路少，這樣子就要區分情況來對待，這正是“電阻電路的一般分析方法”這個知識點準備講述的內容。有了問題做鋪墊，同學們的思路自然而然就聚焦在一起了的，課前可以在網站上自主學習知識。

圖1 問題（3）電路圖

3 課堂教學

3.1 理論講授

以講授“電阻電路的一般分析方法”這個新知識點為例進行闡述。基于同學們已在課前自主學習，對新知識有了一定的了解，所以在課堂上不再細說新知識的推導過程，而是對新知識的要點和難點做個歸納總結，把平鋪的內容加以優化組合[5]，更利于同學們進行比較式的學習。“電阻電路的一般分析方法”這個知識點主要是要求同學們熟練掌握電路方程的四種列寫方法，如圖2 所示。這四種方法的列寫步驟或標準式的羅列可參考文獻[5]，并針對問題（3）和圖3 所示的小結（1）給出了明確的回答，具體問題具體分析，不能一概而論。針對難點，圖4 給出了含有受控源的電路如何進行方程的列寫。

圖2 新知識講解的要點匯總

圖3 小結（1）

圖4 小結（2）

3.2 例題講解和仿真分析

以圖1 為例進行不同方法的求解以及仿真對比。把仿真技術融入教學或實驗當中，可把抽象內容具體化，形象化，更利于學生的學習[6-8]。對圖1 進行求解前，先在MULTISIM 中進行仿真，如圖5 所示，得到答案，以供進行理論求解時心中有數，以核查理論求解的正確與否。

圖5 所示電路圖的仿真結果

（1）采用支路電流法列方程求解。題解的電路圖如圖6 所示，由圖6 可直接看出第二條支路電流I2=10A，所列的支路電流方程如式1）所示。

圖6 支路電流法

求解式1），可求出別的支路電流為：I1=-3.33A,I3=-13.33A,I4=-6.67A，與仿真結果相符。

（2）采用網孔電流法來進行求解。題解的電路圖如圖7 所示，所列的網孔電流方程如式2）所示。

圖7 網孔電流法

據式2）所求得的網孔電流可求得支路電流為：

I4=i3=-6.67A，與仿真結果相符。

（3）采用回路電流法來進行求解。題解的電路如圖8 所示，所列的回路電流方程如式3）所示。

圖8 回路電流法

據式3）所求得的回路電流可求支路電流為：

I4=i4=-6.67A，與仿真結果相符。

由（2），（3）兩步的求解過程驗證了理論講解的知識點，網孔電流法和回路電流法相類似，但通過選擇合適的回路，可以列更少的方程進行求解。

（4）采用結點電壓法來進行求解。題解的電路如圖9 所示，以結點②為參考結點，結點電壓方程及所求的結點電壓如式4）所示。

圖9 結點電壓法

據式4）所求得的結點電壓可求支路電流為：

通過以上4 種方法的對比，對于同一個電路圖，求解時先看看電路的支路數，結點數和網孔數，再選擇采用哪種方法，具體問題具體分析。

4 結論

在電路的教學當中，可以根據學生的實際情況，選擇全是線下教學，或線上線下混合式教學，在教學的過程中，融入問題式引導和虛擬仿真技術，以問題引起學生的學習興趣，以虛擬技術輔助學生縮短抽象內容和實踐內容的差距，或者在某些問題難以求解時，可以先行仿真給予提示，兩相結合可以使教學效果得以改善，大大提高教學效率，但驅動問題的修訂及虛擬技術的使用還有待深化。