“电路分析”课程研究性教学探讨与案例设计

杨鸿波 高晶敏 魏英 柴海莉

摘要：重点介绍了“电路分析”研究性专题案例的详细设计，分析了以这些专题案例为核心的教学过程及具体措施。通过开放的课程资源和基于问题的学习使得学生逐渐提高自主研究和学生的能力。

关键词：电路分析;研究性教学;教学案例设计

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0062-03

现代高等教育特别注重对学生创新素质、创新能力的培养。创新教育是以激发人的创新精神和创新能力为重点，以培养受教育者创新意识、创新思维和创新习惯为目标的教育形式[1]，涉及到整个社会教育的更新，这需要花费相当长的实践才能实现。[2]要实现这个目标就是要在教学环节中注重对学生创新能力的渗透和培养。在创新教育的各种形式中，研究性教学受到了越来越多的重视。研究性教学的实质与灵魂是学习者知识的自主建构，研究性教学过程就是把研究和教学结合起来，就是用研究的观点、方法和过程改造传统的教学。研究性教学并非是新生概念，并非是学术性研究（并非是高难度），研究性教学并非具有统一模式。研究性教学不仅强调如何教，更强调如何学。在研究性教学中存在着教、学、研究相结合的特点，集中体现在课内讲授与课外实践相结合，教师引导与学生自学相结合，教材学习与广泛阅读相结合，传统继承与研究创新相结合，知识传授、思维训练和研究能力的培养相结合[3]。

对于工科大学生来说，创新能力的培养是一个贯穿整个本科教育周期的过程，必须通过科学完整的专业培养才能够实现，而具体课程都是其中的一个环节。“电路分析”是工科学校内信息类和电类相关专业电子技术方面入门性质的技术基础课，在电类相关专业的发展中占有重要地位。在“电路分析”课程的实际教学中常会遇到以下四个问题：课程内容多，信息量大，而学时相对较少;理论教学和工程应用脱节，导致学生不会运用知识;教学内容和范例主要以抽象的理论分析和计算为主，很少涉及应用[4];在“电路分析”课程教学阶段由于学生还缺乏必要的知识储备，所以创新对学生来说还是可望而不可及的。

针对上述问题，许多高校在“电路分析”或“电路原理”课程的教学中进行了研究性教学的探索和尝试，取得了一些有益的成果。[5-7]但是考虑到“电路分析”课程在专业学习中的基础地位以及目前我国高等教育的现状，笔者认为研究性教学改革更为理性的目标是着重强化电路基础教学，培养学生的创新潜能。[8]

一、“电路分析”研究性教学目的与模式

“电路分析”课程研究性教学的目的和意义在于探索以学生为本，有利于学生自主学习与科学研究的“电路分析”课程教学模式，推进工科电类专业人才培养模式的整体改革。充分发挥学生学习的主动性、积极性和创造性，提高学生自主学习与研究的能力，培养学生勇于探索、求實创新、主动学习的良好习惯，培养学生的创新精神、实践能力和终身学习的素养，奠定学生自主学习和科学研究的基础。“电路分析”课程是科学教育和工程教育的结合体，既强调分析问题和以逻辑方式解决问题能力的培养，又强调对综合设计能力的培养和利用现有知识创造新的有用的事物。因此“电路分析”课程研究性教学的目的还在于有意识地培养学生科学抽象的观点和工程创新的观点。而只有让学生在课内和课外均以研究的心态对待教学内容，才能有效地使学生建立这两种观点。[5]

为了能够达到研究性教学的目的就要求完成以下几项转变：教学思路的转变——由“知识点讲解型”向“以问题为导向型”转变;课程训练环节多元化的转变——由多元化课程训练环节提高自主学习能力;教师角色的转变——由“灌输者”向“引导者”转变;学生角色的转变——由“被动接受者”向“自主学习者”转变;教学考核方式的转变——由“应试型”向“多元型”转变 。

这几项转变决定了“电路分析”课程研究性教学采用的教学模式应该充分考虑教学基础、教学过程和教学目标之间的关系：

“电路分析”课程教学基础包括两类，一是与课程相关的高等数学、普通物理等相关基础课，二是与之相关的一些通识教育基础课程。在以上基础上才能开展正常的研究性教学。如果教学基础不牢固往往造成教学目标难以实现。目前在部分高校的“电路分析”课程教学进程超前于高等数学进程的情况，这就会严重影响研究性教学质量。

“电路分析”课程的教学过程是以学习方法和训练载体为核心组成的。其中学习的方法有很多种，常用的有启发式、问题式、案例式、设计式、研究式等。训练的载体包括了“电路分析”课程的主要内容结构以及课程研究性专题案例组成。采用学习的方法利用训练载体进行训练完成教学目标。

“电路分析”课程教学目标是培养学生科学抽象的观点和工程创新的观点，进而提升学生自主学习、研究与创新的能力。以上目标的达成需要基础牢固、教学过程完善才能实现。

由以上分析可以看出，“电路分析”课程研究性教学模式是一种三层结构，如图1所示：

二、“电路分析”实施过程与案例设计

一般地，研究性教学的实施过程如图2所示。在研究性教学实施过程中，课程开放资源、学习者学习、研究性教学方案设计、学生的研究设计及报告都紧紧围绕研究性专题和案例而进行。通过“电路分析”课程研究性教学模式可以看出，对于研究性教学而言，与传统的教学方法比较，研究性专题和案例的设计是核心内容，它是主要体现研究性教学特性的核心要素。因此，研究性专题、案例的设计和选取在很大程度上决定了研究性教学的质量。在研究性专题和案例的基础上师生通过创设情境、启发思考、自主（或小组）探究、协作交流、总结提高达到学习知识的目的。

但相对于一些专业课程的研究性教学而言，“电路分析”的研究性专题和案例的设计面临着一个困难。一方面，电子信息领域是一个发展迅速、不断创新的领域，电路理论的应用背景、研究的侧重点和分析手段也有变化和更新。作为精简的“电路分析”基础课程，一方面要回归电路分析最基本的概念和方法，另一方面也需要将现代电子技术的最新发展介绍给学习者。这就需要通过学习者自己的努力，突破教材内容的限制，通过参考资料的搜集和阅读了解新知识、新领域和新方法。而另一方面作为专业入门的基础课程，学习者还不具备完整的理论体系，对工程应用背景理解并不深入。在电子工程、控制工程和通信工程的许多实际问题中，虽然电路分析的理论和方法都起着重要作用，但要想解决这些问题不是“电路分析”一门课程就可以完成的。

因此在“电路分析”课程研究性教学中的专题案例设计不能简单地使用工程实践的案例，应该从培养学生的创新潜能出发，对所选实例进行化简和抽象，提炼有一定挑战性的现实问题，以问题为导向的主动式学习来激发学生学习知识的兴趣，使学习者挖掘与利用开放性、多样化资源，相互沟通、合作、分享不同的视角与观点，思考并尝试解决问题，有助于同学们理解电路课程的知识体系，加深对于所学理论和方法的理解。

基于以上考虑，“电路分析”研究性专题案例可以采用三种不同的类型进行设计。这三种类型的专题案例分别是认知型、分析型、综合设计型。在多年的教学工作中，北京信息科技大学电路分析课程组逐渐摸索和设计了一些具有特点的研究性专题案例，题目如表1所示。

表1 电路分析研究性教学专题案例

序号 专题案例题目 类型

1 无源器件的认识 认知型

2 Matlab在电路分析中的应用 认知型

3 使用Multisim进行电路仿真 认知型

4 戴维南定理的应用意义 分析型

5 一阶电路-闪光灯电路的原理分析 分析型

6 相量是定义、使用和意义 分析型

7 RLC电路的动态特性综合研究 综合设计型

8 射频识别卡原理研究 综合设计型

认知型案例包括“无源器件的认识”、“Matlab在电路分析中的应用”和“使用Multisim如何进行电路仿真”三项。其中：

案例1：无源器件的认识。对于刚刚接触电路分析知识的学习者而言，无源器件的电气特性、伏安关系需要重点掌握。而在实际应用中，必须了解各种类型的无源元件（包括同一种类，但不同原理、原料和封装的元件）。另外，随着科技的进步，学习者有必要了解一些最新研究成果，例如：忆阻器的定义、伏安关系、最早如何发现、如何制备等等。只有通过深入研究和调研，学习者才能有所收获与体会。

案例2：MATLAB在电路分析中的应用。电路分析不仅为后继课程提供了深厚的理论基础，也为电路的分析计算提供了各种方法。利用MATLAB软件，学生自主编程实现支路电流、回路（网孔）电流和结点分析等分析算法，计算和分析典型直流电阻电路、动态电路、正弦稳态电路例题。这样可以使学习者通过编程的过程，能够深入掌握一般的电路分析方法。

案例3：使用Multisim进行电路仿真。使用EDA工具进行电路仿真是电路分析学习者需要理解和掌握的知识。Multisim是在后续的电子技术课程中有广泛使用的EDA软件，该案例要求学习者了解Multisim软件中自带的元件库中的各种类型元件;掌握Multisim软件中自带的各种类型的虚拟仪器使用;了解Multisim软件自带的各种电路分析工具使用。设计简单的仿真实验、验证基尔霍夫定律、叠加原理和戴维南定理。

分析型案例包括“戴维南定理的应用意义”、“一阶电路-闪光灯电路的原理分析”和“相量是定义、使用和意义”三项。其中：

案例4：戴维南定理的应用意义。戴维南定理是最常用的电路简化方法。由于戴维南定理都是将有源二端网络等效为电源支路，所以统称为等效电源定理或等效发电机定理。学习者在案例研究中阅读戴维南定理原始文献，分析戴维南定理的使用范围，总结运用戴维南定理分析线性电路的方法和意义。最后需要总结整个电路分析课程中涉及到戴维南定理的各个知识点。

案例5：一阶电路—闪光灯电路的原理分析。一阶电路的时间常数是电路分析课程中重要的概念，在电子技术中有重要作用。除了掌握一阶电路的求解之外，学习者有必要掌握利用RC一阶电路时间常数的概念实现时间的自动控制。该案例以闪光灯电路为例，要求学习者查阅资料，选定电子器件设计一个自动定时汽车闪光灯装置，模拟汽车转向时其转向灯的闪烁过程。对电路设计进行Multisim软件仿真。调整电容和电阻的大小，观察闪光灯闪动频率的变化。

案例6：相量定义、使用和意义。该案例要求阅读1893年德国科学家、IEEE（电气与电子工程师协会）前主席斯坦梅茨（Charles Proteus Steinmetz，1865～1923）的故事。总结相量法求解正弦稳态电路的算法。确定相量法的使用条件，明确相量法结果的物理概念，对比时域经典方法与相量法在正弦稳态电路分析中的对比。学习者需要报告自己对相量法的认识，对它的重要性的体会。通过观察，总结出关于响应的几条性质。

综合设计型案例包括“RLC电路的动态特性综合研究”和“射频识别卡原理研究”。其中：

案例7：RLC电路的动态特性综合研究。案例要求学习者分析、仿真RLC串联、并联电路的动态响应与元件参数的关系;分析、仿真测量谐振状态附近电路变量的变化情况、谐振状态的测量;了解谐振电路Q值与元件参数关系、Q值对频率响应曲线的影响;查找一种RLC频率处理电路的应用，并进行仿真。

案例8：射频识别卡原理研究。近距离的射频识别系统采用耦合线圈。学习者利用Multisim的频率扫描分析，测量频率从变化时，初级线圈电容上电压幅度的变化情况;当控制电压为方波时，观察初级线圈电容上电压波形;设计一种电容电压幅度检测电路。

以上的专题案例共8项，其中认知型案例3项、分析型案例3项、综合设计型案例2项。这些案例的研究覆盖了“电路分析”课程学习中需要掌握的重点和难点内容，同时也注重引导学习者逐步提高使用计算机工具完成电路设计、仿真和分析的能力。除了综合设计型案例难度较大之外，其他的专题案例都是在学习者力所能及的范围之内的。通过实践情况看，认知型和分析型的专题案例大多数学生可以完成，也很感兴趣。

从研究性教学过程来看，研究性教学方案的设计是教学过程的开始，目标是通过教学方案的设计驱动学生在系列研究专题的分析与设计过程中，基于问题的驱动，逐步掌握科学研究的一般过程与成果的表达，以培养学生的创新精神、实践能力和终身学习的素养。因此需要精心进行教学方法设计，需要在基于问题的课堂理论讲授、课内实验、开放实验、专题研究、专题报告、课外作业教学网站辅助等方面进行一系列探索。

三、结论

“电路分析”是信息和电类相关专业电子技术方面入门性质的技术基础课，是培养学生动手能力和创新能力的重要课程，在信息和电类相关专业的发展中占有重要地位。由于“电路分析”在整个课程体系中处于基础层，所以该阶段的研究性教学应该以培养和挖掘学生的创新潜能为主。本文介绍了“电路分析”课程中研究性教學的目的和理念，重点分析了研究性教学的实施过程及案例设计。在今后更长期的时间里，要不断深入教学改革，不断探索结合实际的教学方法和手段，才能培养学生自主学习的兴趣，提高研究性教学质量，实现学习者创新潜质的提升。

参考文献：

[1]李传锋，徐迎曦，等.创新教育在电路分析教学中的应用研究[J].中国现代装备，2010，（15）：151-153.

[2]潘懋元.我看应用型本科院校定位问题[J].教育发展研究，2007，

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[3]高晶敏，李邓化，张金龙，等.电工电子实验教学中心服务应用型人才培养的实践探索[J].清华大学教育研究，2010，31（增1）：136-139.

[4]李春明，高志奇.“电路原理”课程研究性教学探讨[J].电气电子教学学报，2012，34（2）：28-29.

[5]于歆杰，陆文娟，王树民.专业基础课中的研究型教学——清华大学电路原理课案例研究[J].高等工程教育研究，2006，（1）：118-121.

[6]王光明，杨俊.《电工与电路基础》研究型教学探索与实践[J].高等教育研究学报，2013，36（1）：37-39.

[7]沈一骑，万凯.电路分析实验的改进与研究性拓展[J].实验技术与管理，2013，30（4）：24-26.

[8]杨鸿波，高晶敏，等.“电路分析”课程教学改革的探索与实践[J].中国电力教育，2011，（2）：99-100.

（责任编辑：王祝萍）