面對工程實踐能力培養的電路理論課改革與探索*

摘? 要? 電路是自動化專業本科生學習的一門重要專業基礎課，在理論教學中培養學生的工程實踐能力具有重要意義。將工程實踐能力培養理念融入電路課程理論教學，以知識發現—知識應用—知識關聯為授課主線，應用典型工程案例作為理論課例題和課后思考題，能夠激發學生的學習積極性，取得顯著的教學效果。

關鍵詞? 電路；工程實踐能力；工程案例；理論教學；金課；卓越工程師

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0112-04

0? 引言

隨著我國高等教育和工程教育改革的深入，在教學中逐步落實卓越工程師計劃，工程教育專業認證在一流院校全面展開。同時，教育部提出“兩性一度”中國金課建設要求，要求高等教育學生知識能力素質有機融合，要具有解決復雜問題的綜合能力和高級思維。因此，在課程教學中加強本科生工程實踐能力的培養、促進工程教育質量的提高具有重要意義。

電路課程是自動化專業本科生的核心課程[1]，是學生學習的第一門專業基礎課程，是一門重要的橋梁課程，除了講授電路課程的知識外，還承擔著培養學生分析工程實踐問題、解決工程實踐問題的責任。北京航空航天大學64學時的電路課程圍繞金課建設標準和卓越工程師計劃要求，從教學方法、教學手段和教學組織等方面進行全面改革，探索理論課中培養工程實踐能力的思路和方法，取得顯著教學效果。

1? 電路課程教學分析

電路是一門理論課，課程內容多、邏輯性強、課時有限[2]。同時，課程考核對學生知識掌握的要求高，電路理論和分析方法使用時靈活性強，電路求解要應用數學分析和積分變換等復雜數學計算。因此，電路課程成為一門教學難度大、學生學習困難的課程，學生不及格率高。

電路課程授課內容包括電路模型的分析計算方法、實際電路理想化的電磁特性等所有電路共有的理論知識和方法。但是電路元件的理想化電磁特性或是實際電路元件的理想化，或是實際工程中某個部件的特性理想化，電路理論又應用于所有集總參數電路，因此，從課程理論的來源與課程知識的應用角度來看，課程理論與工程實際存在密切聯系，但是這些聯系與模擬電子技術、數字電子技術和自動控制原理等工程實踐性強的理論課不同。在理論課教學中如何深度利用這些聯系，加強學生的工程實踐能力培養，從而激發學生學習的積極性，提高教學水平，是電路課程理論教學需要進行深入研究和探討的，具有重要意義[3]。

2? 電路教學要深度融合工程實踐能力培養的教學理念

電路課程的主要教學內容來源于工程實際，是對工程實際問題的總結。同時，電路理論和分析方法在實際工程中普遍應用，課程內容與其他課程的內容聯系密切。因此，課程教學貫徹以電路知識發現—知識應用—知識關聯為授課主線，將工程實踐能力培養理念深度融入理論教學[4]。

2.1? 知識發現

注重電路定理定律的知識引導，將授課內容回歸到知識發現的情景中，三言兩語，畫龍點睛，讓學生養成從實際工程問題中凝練科學問題，尋找解決方法的科學思維。例如：在講解相量法課程內容時，簡要介紹科學家施泰因梅茨1893年在研究交流電機的磁滯損耗時創立相量法的過程，讓學生了解為什么用向量表示正弦量，微分方程就變換成復數代數方程的原理，不僅可以增強學生對相量法學習的興趣，還可以讓學生了解相量法求解正弦穩態響應的原理，促進學生工程實踐能力和創新能力的培養。

2.2? 知識應用

電路課程內容具有強大的實際工程應用背景，授課時要注重理論知識的工程應用。從電路課程中電路元件的電流、電壓、功率特性來說，在工程上都有典型應用，授課時需要有機融入課堂教學。例如：在講解電容的換路定理時，電流有限時，電容電壓不跳變，按指數規律變化，結合電容電壓緩慢連續變化的特點，就可以指出電容電壓連續變化的特性可應用于控制系統給定值，給定值通過電容電壓加載可以增強控制系統的穩定性；講解電感元件特性時，為了加深學生認識電感元件電壓大小與電感量和電感電流隨時間變化有關系的特性，讓學生思考如果電感突然開路，電感電壓是什么，然后適時引出汽車發動機點火原理以及電磁繼電器需要滅弧電路的原理；分析耦合電感互感功率時，可以讓學生思考互感功率在實踐中是否有典型應用，學生會聯想到手機無線充電，手機充電就是互感傳遞的有功功率，再引導學生總結耦合電感的功率特點。學生對課程知識的掌握和對問題的思考更加靈活，學習興趣增加。

2.3? 知識關聯

電路元件是實際元件電磁特性的理想化，不同的實際元件只要具有相同的特性，在電路中就表示為同一個元件，所以一個完整電路的KCL和KVL約束關系不限于實際電路，也有可能反映的是一個實際系統的約束關系。因此，電路課程討論的問題與先修、后修課程關聯密切。電路計算要用到微分方程、復數、拉氏變換和反變換等數學知識，涉及先修課程數學分析和積分變換課程；動態電路經典分析方法一階電路、二階電路的階躍響應、沖激響應，也是自動控制原理中系統的一階系統和二階系統的時域特性；電路中的網絡函數也是自動控制系統中的頻響函數和傳遞函數。授課時注重課程知識之間、課程知識與其他課程之間的關聯，幫助學生構建自己的知識結構，內化知識。

3? 靈活應用工程案例教學

電路課程理論教學時，對所講授的重要定理、定律和分析方法，大多采用例題的形式進行深入講解，并讓學生課后完成一定數量的習題，幫助學生掌握這部分知識。在理論課授課時，如果將例題和課后習題替換為實際電路，那么學生學習的理論知識就是工程實踐中的知識，可以很好地培養學生的工程實踐能力。此時學生學習或計算的電路不再是書本上的習題，而是工程實際電路，必將使學生在課程學習中獲得更大的成就感和更多的樂趣，可以極大地激發學生的求知欲，對理論知識的掌握更加深刻。

具有典型工程應用意義的實際電路，只要符合理論課的教學內容需要，反映教學內容的難點和重點，就可以用于課程的例題和課后習題。不能為了工程案例犧牲教學內容，工程案例在工程實際中的典型作用和與教學內容的完整匹配程度，是工程案例優劣的主要指征。工程案例的選擇需要教師具有高深的電路課程理論知識、寬廣的專業知識和豐富的電路工程經驗，同時對教學內容之間的關聯關系理解深刻，在恰當的教學環節引入工程案例，點石成金、事半功倍，發揮工程案例的最大培養效果。好的工程案例教學可以起到開闊學生專業視野的作用，達到幫助學生正確理解和深刻掌握教學內容的目的。下邊就舉例講述舉兩個在教學中應用的工程實例。

3.1? 三要素法工程案例

RC一階電路的時間常數為τ=RC，時間常數的大小決定電路動態特性變化的快慢。為了加深學生對時間常數的理解，授課時采用以下兩個典型的工程案例。

一是警示閃光燈電路。天線塔、建筑工地等地的閃光燈，工作時需要閃爍，閃爍的快慢決定于時間常數，不能太慢也不能太快，閃爍的快慢要足以引起人的注意，起到警示作用。閃光燈工程案例如圖1所示。

二是差動電容式位移測量電路。電阻平均電流大小與差動電容大小為線性關系，如圖2所示。

工程案例能夠加深在教學中的靈活應用，可以只講其中一個，另外一個作為思考題或者課后練習題完成。

3.2? 相量法工程案例

相量法是電路課程重要的內容，分析電路的正弦穩態響應，一般有兩類問題的分析：一類是已知參數和激勵求電路響應的問題；另一類是已知激勵和響應求解參數問題。第二類問題求解時較第一類問題來說難度相對較大。為了幫助學生掌握相量法分析正弦穩態響應的思路和方法，例題設計第二類問題的求解，選擇工程實際中三電壓法線圈參數測量的原理作為例題，線圈參數測量方法包含相量法中的核心內容，如圖3所示。

求解時首先選擇電流相量為參考相量，逆電流流動的方向，逐步畫出電路的相量圖，將電路變量之間的約束關系轉換為平面幾何約束關系，根據余弦定理求得線圈的阻抗角，然后求解出感性線圈等效電阻和等效電感上的電壓，最后求解線圈的參數。例題求解的過程和思路反映已知響應求解參數的核心思想，同時，例題要在課程配套實驗中落實，實現知識傳授的閉環設計，很好地促進學生掌握相量分析法。

為了進一步落實相量法知識的內化，課后習題選擇的也是第二類問題的分析，為感性電機實際使用的電容移相器電路的分析求解，如圖4所示。

4? 結論

在金課和新工科背景下，電路課程教學踐行卓越工程師培養理念，從2020年開始，課程教學中注重工程實踐能力的培養，在教學中以知識發現—知識應用—知識關聯為主線，應用典型工程案例作為課程例題和課后練習題，實現理論教學與工程實踐培養的深度融合[4]，能夠較好地激發學生的學習熱情，實現學生學習能力、實踐能力、知識應用能力的培養，提高課程教學質量。教學實踐表明，學生總評成績優良率穩步提升，不及格率逐年下降，如圖5所示。

參考文獻

[1] 蔡新紅，岑紅蕾，王洪坤.面向工程教育專業認證的《電路（一）》教學大綱改革[J].教育教學論壇，2019（11）：98-99.

[2] 俎云霄.理論教學中的工程實踐能力培養[J].中國大學教學，2012（3）：31-32.

[3] 齊書宇，黃丹寧.從多維分裂到融合建構：本科生工程實踐能力培養的爭議與反思[J].清華大學教育研究，2022，43（2）：84-93.

[4] 張雪輝，李之鋒，陳顥，等.“互聯網+材料分析測試技術信息化教學”的探索與實踐[J].高教學刊，2016（15）：87-88.

*項目來源：北京航空航天大學“凡舟”基金“《電路》教學團隊建設”（項目編號：54531727）；北京航空航天大學一流本科課程建設項目“電路”（項目編號：42020012）。

作者：閆蓓，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，工學博士，副教授，碩士導師，主要從事電路和傳感器教學以及檢測技術與自動化的科學研究（100191）。