“電路與電子學基礎”課程教學改革與實踐

周蕓，蔣婷婷

(吉利學院,四川成都 641423）

“電路與電子學基礎”是我院面向計算機科學與技術專業、數據科學與大數據技術專業、物聯網專業等工科類專業學生開設的一門基礎課程。但由于任課教師面臨著由于學生物理基礎薄弱、數學計算功底不強而引發的學習積極性差、求知欲望弱等問題，再加上課程安排方面，“電路與電子學基礎”比數字電路、模擬電路開課早一學期，學生模擬電路基礎空白，上課時長被壓縮等問題，教師如何跳出之前傳統的教學內容。針對注重學生動手實踐的應用型本科院校的辦學理念，推進技能型社會人才建設，激發人才創新創造活力，加快培養技術技能人才，促進學生就業能力提升，在課程體系完整的前提下，讓學生高效率地接收相關知識點是任課教師迫在眉睫的問題。本文在分析傳統教學存在的問題后，針對新工科院校辦學理念，重點以“把問題還給學生，不同知識點結合解題”“借助仿真驗證理論”，以及“在實驗室用實驗驗證仿真電路”3個部分，論述課程的教學改革思路。通過分析教學改革與傳統教學兩種形式下，同專業學生獲得的成績，能看到教學改革后學生對學習的主動性有了很大的提高，對知識點的理解和動手實踐的能力也有了顯著的提升。

一、對傳統教學的分析

“電路與電子學基礎”課程是在高等數學和大學物理課程的基礎上，重點培養和訓練學生認識、分析、掌握電路的能力。要求學生掌握電工技術和電子技術的基本原理，培養學生對電工、電子方面實驗的動手能力。在應用和鞏固之前學習相關課程的基礎上，進一步為學習后繼課程和專業知識打下良好的理論基礎和實驗基礎，并經過本門課程的學習，掌握電路分析理論和電工技術、電子技術，將所學知識應用于本專業。

由于“電路與電子學基礎”的理論性與實踐性強，是一門邏輯嚴密的綜合性課程，其內容龐雜、抽象，涉及學科多，與傳統工科在電路方面的教學體系相比，需要將教學內容重新組合，加入電子學基礎方面的內容[1]，因此，在面對學時壓縮，上課時長不充裕的前提下，任課教師很容易為了完成教學目標而出現“滿堂灌”的現象。學生在面對內容晦澀難懂、知識點零散交雜，教師上課知識點密集的綜合情況下，很容易出現畏難退縮心理，導致本門課程的成績始終不理想，學生對電子學的掌握程度較差。

二、對教學改革的思考

（一）把問題還給學生，不同知識點結合解題

“電路與電子學基礎”課程知識點零散交雜，學生很容易出現知識點掌握薄弱，從而混淆新舊知識點的問題。因此在上課的過程中，教師除了設計如何將大量知識點傳授給學生以外，還要考慮怎么樣讓學生能輕松又牢固地記住所學內容，并將內容應用到具體的電路分析中去。

在上課過程中，只有真正讓學生加入到課堂教學，面對實際的電路問題，考慮如何在現有電路和已學內容的基礎上，加以改變，才能進一步解決新的問題。在這個過程中，教師就可以自然而然地引出新的知識點，介紹新的電路結構，學生就會對新電路的結構和功能有更加深刻的印象，也能承前啟后地將所學的新舊知識點連接在一起，深入地理解知識點，這也推動了學生分析電路、分析問題和解決問題的能力。當學生發現經過融入課堂，能夠聽懂知識點，提出新的問題，用所學知識解決問題，就會有良性循環。在此基礎上，再帶領學生做題，學生就有了較強的興趣，并有扎實的理論作為解題基礎。

以“戴維南等效電路”知識點為例：“戴維南定理”表示，任何一個線性有源二端網絡的對外作用，總可以用一個電壓源與一個電阻相串聯的電壓源模型來等效替代。這個電壓源的電壓等于有源線性網絡的開路電壓，串聯的電阻等于該網絡內部電源均為零時的等效電阻。

在對電路進行分析時，要求同學們根據圖1的電路求出戴維南等效電路。

圖1

根據課本和大綱教學的內容，教師需要引導學生對電路進行分析。從圖中可以看出有兩個電壓源，借助疊加定理求得兩個電源作用的開路電壓UOC的值。

在只有12 V電壓源工作時，電路如圖2所示。

圖2 12V 電源單獨工作的等效電路

圖3 4V 電源單獨工作的等效電路

圖4 無源等效電路

UOC'為3 Ω//(6 Ω+(3 Ω//2 Ω))電阻中，(3 Ω//2 Ω)總電阻分得的電壓值：

UOC''為 2 Ω+(3 Ω//6 Ω)電阻中，(3 Ω//6 Ω)總電阻分得的電壓值：

因此開路電壓UOC的值為

電阻值為6 Ω//3 Ω//2 Ω，即1 Ω。最終得到的戴維南等效電路如圖5所示：

圖5 戴維南等效電路

由于書本的例題都是按照電源疊加定理進行開路電壓的計算，學生在剛接觸新的知識點后，很容易形成慣性思維，根據例題的模式對電路進行分析。實際上，在學習疊加定理之前，學生已經掌握了基爾霍夫定理，因此在求開路電壓UOC時，可以根據基爾霍夫電流定律列出圖1中，c節點的KCL方程為：，由此可以更加簡便地求解出UOC的值為4V。

在同一道題目中，通過加平時成績的形式鼓勵學生用不同的方法對電路進行求解，可以增強學生對電路的分析能力，同時又可以對已學的知識點進行回顧復習，加深學生的理解。

（二）用仿真數據驗證理論推導

如何把公式推導出的結論生動形象地展示在學生面前，是課程改革提高上課效率的重中之重。“電路與電子學基礎”課程是基于電路的理論性課程，如果在教學過程中加入仿真，就可以在理論推導之后，讓學生看到具體電路對應的結果，將理論學習與實際電路、數據結合在一起。依舊以“戴維南等效電路”為例，運用Multisim仿真軟件，在圖1電路的輸出端ab右邊接入萬用表，來測量ab端的電壓和電阻，得到如圖6所示的仿真電路。通過讀取萬用表，可以得到圖1電路的輸出電壓為4 V，等效電阻為1 Ω。

圖6 仿真電路

從以上示例可以看出，上課過程中，加入Multisim對電路進行仿真，可以讓學生在理論分析得到答案的基礎上，快速通過仿真實驗對自己的計算結果進行驗證，這樣可以在很大程度上激發學生的好奇心和求知欲望。將枯燥乏味的電路理論課變成邊學邊驗證的實踐課程，也可以進一步幫助學生提高動手能力，在使用Multisim畫電路圖時，也可以加深學生對電路結構的梳理，進一步幫助學生提高綜合能力。

以“RLC串聯諧振”電路為例，首先引入理論知識：

RLC串聯電路中，阻抗是

在講完理論推導之后，借助Multisim仿真軟件，用函數信號發生器作為交流信號的輸入，連接RLC串聯電路圖，將萬用表串聯進電路作為交流電路表對電路的電流進行測量，在負載R兩端并聯電壓表，測量加在電阻R兩端的電壓值。輸入不同的值，檢測電路中電流I和加在電阻R兩端電壓的大小，仿真圖如圖7所示：

圖7 RLC 串聯諧振電路仿真圖

上圖是RLC諧振電路的仿真電路圖，給定R=1 kΩ，L=25 mH，C=0.01 μF的值，根據公式確定諧振頻率為10 kHz。在函數信號發生器中，給定輸出電壓的有效值為4 V，設置不同信號源的頻率，記錄串聯在電路中電流表和加在電阻R兩端電壓的值I和Uo，數據如表1所示。

表1 RLC 串聯電路的輸出電流和電壓值

通過對每組頻率和對應的I、Uo分析就會發現，當信號源的值等于諧振頻率時，電阻兩端的電壓值等于輸入電壓的有效值4V，此時電路中電流也達到最大值，最大值為阻抗只有電阻R=1 kΩ時對應的電流值4 mA。

在這樣的學習過程中，不僅能讓學生理解理論公式的推導，也進一步向學生直觀地展示了理論推導的數據在實際電路圖中的應用，以及對整個電路的影響。加強了學生對理論知識的掌握，也為后續在實驗室做實際電路連線奠定了基礎。

三、在實驗室用實驗驗證仿真電路

為了進一步對標應用型本科的要求，學校在推進實踐教學改革過程中，加大了對實踐教學環節的財政投入，逐步健全實踐教學環節必備的教學設備與設施，已經有了滿足現代化教學手段的推廣應用和立體化教學模式的改革和實施。實驗室的創建能最大化地解放學生思想，鼓勵了學生的創新和動手實踐能力。

實驗室的整體建設滿足學生對電路進行實際連線的需求。在之前的學習過程中，通過理論學習時借助仿真實驗，學生已經有了理論到實踐的過渡，而實驗室的實踐課程可以幫助學生把電路圖從電腦里搬回實驗室，最終完成理論知識到實際電路的過渡。真正幫助學生理論聯系實際，既能學會理論知識，又能將理論應用于實際，做到應用型本科教學的宗旨。

四、對課堂氛圍的調動

由于“電路與電子學基礎”理論性較強，上課過程中，學生比較容易出現注意力不集中、思想走神的情況。這就要求教師在上課過程中，不僅要有節奏地傳授上課內容，還需要和學生實時互動，調動學生的學習氛圍和積極性。上課過程可以借助教學軟件，隨機抽取學生回答問題，也可以鼓勵學生用不同方法解決電路問題，讓學生注意力時刻與老師保持同步，這樣既加強了學生的參與度，又有效督促了課堂上每一位學生的思考。

課程的考核方式也由之前的平時作業成績+期末考試成績改為更加多元化的組成，包括課堂表現成績+課后作業完成成績+仿真成績+實驗室實驗成績+期末考試成績組成。具體信息如表2所示。

表2 課程成績組成

從表中可以看出，通過課堂表現和課后作業的打分，能督促學生端正學習態度，并考查學生對知識點的掌握情況。仿真能進一步幫助學生加強理論知識的理解，并作為實驗的過渡，將理論與實際電路連接起來。有了理論基礎和仿真作為鋪墊，學生在做實驗時也能更加熟練地分析電路組成，更清晰地掌握所學的知識點在實際生活中的應用[2-3]。

五、對改革效果的統計

通過“把問題還給學生，不同知識點結合解題”，學生在課堂上形成了良性競爭，不再是被動地接收教師教授的知識點和解題方法，開始嘗試是否可以用其他方式處理電路，學生上課態度明顯更加活躍。通過“用仿真數據加強理論推導”，一些數學和物理基礎薄弱的同學也可以通過仿真結果更加理解理論推導的過程，進一步激發學生的求知欲，甚至反向推進學生對理論公式的探索精神。通過“在實驗室用實驗驗證仿真結果”，很大程度上解決了學生對于理論學習和實際應用脫節的現象，進一步促進了學生對于電路學習的積極性，進一步加強了“理論聯系實踐”的辦學宗旨。

分析同一位任課教師在同一專業不同班級，分別使用傳統教學方式和使用“把問題還給學生，不同知識點結合解題”+“借助仿真作為理論和實踐過渡”改革后的教學方式，對學生的作業和成績進行對比，比較結果如表3所示。

表3 不同教學模式下班級對比

上表中，電子信息工程1班是采用傳統教學手段進行授課的班級，電子信息工程2班是改革之后進行授課的班級。“課堂回答問題占比”可以從每節課，學生通過學習通軟件回答問題的統計中求得。

分析表中數據，在加入多角度分析模式后，2班同學的課堂回答問題占比超出1班同學30.2%，可以看出“把問題交給學生去尋求解決辦法”的模式能極大地調動學生上課的積極性，促進他們掌握學過的知識點，并對知識點加以應用。從課后作業的雷同率下降20.9%可以看出，只要學生積極融入課堂學習中，掌握了所學的知識，課后的習題就會自己主動去解決，而不再是一味地依靠班級中部分“好學生”的作業[4-5]。

通過對兩個班學生做實驗，搭建電路的平均用時進行分析，可以看出，在平時的課堂中，加入“用仿真數據加強理論推導”，幫助學生增強了對電路的分析能力。因此在實際實驗過程中，學生用在電路搭建的時間就會縮短，這也反映了仿真作為理論與實踐連接的必要性。

最后，從期末成績的平均值可以看出，采用了改革模式的電子信息工程2班比采用傳統教學的電子信息工程1班成績高出16分，進一步證實了改革對于教學效果提升的重要性。

六、結束語

通過對之前傳統的教學內容存在的問題進行分析，本文提出從“把問題還給學生，不同知識點結合解題”“借助仿真驗證理論”“在實驗室用實驗驗證仿真電路”3個方面，解決“電路與電子學基礎”課程中，任課教師面臨的學生物理基礎薄弱、數學計算功底不強、求知欲望弱等問題。針對注重學生動手實踐的應用型本科院校的辦學理念，推進技能型社會人才建設，激發人才創新創造活力，加快培養技術技能人才，促進學生就業能力的提升。