电路原理课程教学改革探索

吴国庆+张燕君+朱奇光+王伟 齐跃峰+毕卫红

[摘 要] 针对当前专业基础课《电路原理》教学所面临的诸多问题，结合国内外先进教学理念，提出了适合本校《电路原理》课程的教学改革措施，从教学内容调整、教学方法改进以及实践环节等方面进行研究，形成了一套系统的教学模式，并给出了相应的案例，通过学生与教师之间及时的教学反馈与评价，达到较好的教学效果。

[关键词] 电路原理；教学内容；教学方法；实践教学

[中图分类号] G642.4[文献标识码] A[文章编号] 1005-4634（2015）04-0066-06

0 引言

针对目前各高校在教学中存在的诸多问题，教学改革势在必行。以工程技术人才为培养目标的高等院校，针对不同工程类专业，制定了诸如创新型人才、卓越工程师等培养计划，通过CDIO工程实践、“产学研”互动等人才培养模式的促进，人才培养质量大大提高。

《电路原理》作为电气信息类的第一门专业基础工程类课程，在为后续课程（如模拟电子技术、数字电子技术、高频电路、信号与系统等）提供必要的基础概念的同时，也着力培养学生对电类学科的专业兴趣、工科的思维方式以及分析实际电路的能力。高等院校对电类专业基础主干课程的重视程度一直很高，在学校大范围精简主干课程学时的前提下，《电路原理》课程的学时仅有一次微调。《电路原理》的教学质量对学生的培养以及未来的就业方向起到了至关重要的作用。

本文将教学内容调整、教学方法改变以及实践环节的大量引入纳入到燕山大学《电路原理》课程的教学改革中，给出了具体的实施过程。通过这种个案分析，探索了这些改革措施在《电路原理》课程教学过程中的应用效果，提升了专业基础课的教学质量、调动了学生的学习积极性，为工程类专业基础课的教学改革提出了一套科学、可行的解决方案。

1 《电路原理》课程现状

与热门专业课程改革相比，《电路原理》课程的改革却相对落后，主要原因在于《电路原理》课程讲授的主要分析方法和由此构成的经典电路理论完善于20世纪中叶，迄今为止没有发生重大变革。国内最著名的、各大高校用到最多的高等教育出版社邱关源先生编著的《电路》已经有30多年，到现在为止还沿用。《电路原理》课程讲授的基本电路模型、基本定律、基本分析方法、基本定理均较以前没有发生过改变，以“分析理想电路模型”为主体的电路理论的基本框架没有改变，这就使得《电路原理》这门课程教学改革之路异常艰难。

《电路原理》课程作为燕山大学本科电气信息类专业的基础课，涉及专业面广，包括电子、通信、计算机、自动化、电气、测控等电子电气类专业约1200人。课程内容理论知识点多、学习难度高。近些年，其它电气类专业课程改革如火如荼，相比之下《电路原理》的讲授方式除了改成多媒体教学外，和30多年前讲授的内容基本不变，学生反响效果一般。因此，原有的授课方式很难适应当前人才培养的需求，目前主要存在以下问题。

1）学时减少，教学内容不变，需要提高有效学时的合理分配。随着高校对学生知识面拓宽和专业知识加深的要求，实践课程学时增加，理论基础课程总学时日益减少，产生了知识量增加而学时分配却减少的矛盾。在有限的学时里完成教学内容，需要认真分析目前传授的内容与专业需要是否匹配，通过在主要内容上合理的分配学时，加深学生对主要知识点的把握。

2）多媒体的利用率太高，学生很少做笔记，导致消化理解课上内容的能力下降。随着多媒体技术引入课堂教学，大大的提高了教师讲课内容的容量，也节省了在黑板上书写带来的时间浪费，但学生的接受能力是有限度的，课堂上又很少人做笔记，就算做了笔记，也很难跟上进度，因此产生了学生接受知识的能力与大幅提高课堂容量之间的矛盾。并且，学生课后很少复习答疑，导致理解课堂上内容的能力下降，如此恶性循环，大大降低了学生对这门课的兴趣。

3）以前死记硬背式的学习方法已经不适合《电路原理》课程的学习。由于《电路原理》是一门专业基础理论课程，所以内容里很多都是大幅的理论、公式、模型，这些都需要一定时间的记忆，但大量的记忆会引起学生的反感，学生只会为了通过这门课程而学习，从而失去对这门课程的兴趣，这与学校开这门课的初衷相悖。

4）理论知识与实践的脱节导致学生对《电路原理》课程的兴趣降低。随着高校对于工程类专业的重视，特别是以培养工程类人才为目标的高校，会大力开展工程类课程实践环节的教学工作，而传统的《电路原理》课程主要以理论讲解为主，除了几个典型的实验外，很少有实践内容与课堂上所讲的理论相匹配。而工科类大学生一般对实践环节比较感兴趣，这就产生了理论内容过多而实践环节缺失的矛盾，进而导致大多数学生还是停留在理论习题的掌握上，而真正到了应用相关理论去解决实际问题时又手足无措。

针对以上问题，本文从教学内容上做出了一定的调整，提出了适合本校《电路原理》课程的教学内容改革；从教学方法上提出了类比式和互动式教学理念提高学生记忆理论知识的能力和学习的积极性；通过具体实验、模拟仿真以及课程设计的综合应用锻炼学生的实际动手能力。在整个教学过程中，强调学生是学习的主体，以社会对学生的要求为主旨，培养学生学习态度、分析问题和解决问题的能力。

2 教学内容调整

教师在教学过程中应尽可能的使学生在有限的课堂时间内掌握《电路原理》的教学内容，注重该课程与后续专业课程（如模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、自动控制原理等）之间的联系。精选出与后续课程紧密关联的内容，删减那些目前应用性不强的内容。例如讲解基本电路元件的外部特性时，可以引入金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），因为该器件在当今集成电路领域应用的比较多，很有代表性，也很容易引起学生的兴趣；讲解电阻电路的电桥平衡问题时，可以引入传感器技术里桥路输出的电压灵敏度、线性度以及负载特性等；讲解叠加定理时，可以引入信号与系统中的信号的可加性；讲解动态电路复频域分析中网络函数的概念时，可以引入自动控制原理的系统响应函数等。另外对于《电路原理》课程中含有运算放大器和非线性电阻的章节，虽然这些章节内容在后续模拟电子技术课程中会作为精讲内容，但是为了让学生尽早对目前集成电路领域中常用器件有更清楚的认识，考虑把这两部分内容作为学生自学章节，教师提出学习要求，学生利用课余时间通过图书馆、网络信息平台给出自己对该部分内容的理解，并形成报告，教师根据每个学生完成报告的情况给出相应的指导，并将这段学习经历作为平时成绩计入总评。这样，不仅解决了相应课程之间教学内容的重复问题，同时也培养了学生的自学能力，让学生知道了学习该门课程的价值所在。同时，也要对一些内容做一定的删减，例如电阻电路的一般分析中的图论知识点、支路电流法求解、特勒根定理、互易定理、对偶原理以及卷积积分等内容，它们对后续课程无影响，占用很多学时，并且都是偏理论的内容，学生掌握比较困难，且目前实际电路中应用很少，可以考虑删掉或者给学生简单解释，学生大概理解即可，不用深入讨论。

3 教学方法改革

教学方法的选择应该与该课程的性质和内容相对应，《电路原理》课程里的理论部分有很多相似的原理、性质、模型，如果将它们进行类比分析会省去很多记忆的时间，采用联想记忆会大大提高学生对知识点理解的程度；而互动教学通过创设积极有效的师生之间、学生之间的互动情景，将知识内容融入教学互动过程中，加深学生对知识的理解、提高学习的积极性，促进学生能力和素养的提升[1]。

3.1 类比教学法

所谓类比，就是由两个对象某些相同或相似的性质，推断它们在其他性质上也有可能相同或相似的一种推理形式。类比式教学方法是利用课程内容相对或相似进行的一种由此及彼的教学方法。对于电阻和电导元件进行类比教学，由欧姆定律类比开始，推导出开短路关系、电阻电路一般分析法中的回路电流法和节点电压法方程的关系以及电阻之间的等效变换，并且指出两种方法的区别如回路电流法中互电阻可正可负，而节点电压法中互电导只能为负。对于电容和电感元件进行类比教学，由电压电流的瞬时值关系类比开始，推导出两种元件相量法中的相量、有效值、相位关系；动态电路的复频域分析时，电容、电感的运算电路模型都是其与电压源串联或者和电流源并联等效，区别在于附加电压源的大小和方向不同。以上类比性如表1、表2所示，这样两类元件特性、电路模型关系等一目了然，学生对比记忆会印象深刻，教学效果也很显著。

3.2 互动教学法

《电路原理》课程要想收到比较好的教学效果，还需教师改变传统的填鸭式教学模式，在教学过程中应时刻关注学生为学习的主体这一概念，要经常注意与学生的互动交流。教师可以通过精心设计与本节内容相关的问题进行问题互动，也可以进行角色互换，鼓励学生大胆走上讲台，做一些具体知识点如等效电阻求解小窍门、正弦稳态电路的相量图法求解等小讲座，使学生得到表达能力上的锻炼。以上这些难点内容如果枯燥的进行讲解，学生可能会难以理解，就算课堂上听明白了，课下也会很快忘记。相反的，如果能通过查资料主动去钻研这些内容，并且在讲台上自己能说清楚，让其他人明白理解，自身就会有成就感，就会更加愿意去主动学习了。同时，过程中学生也会养成查资料的好习惯，时刻关注著名学校在该课程上的讲授方法以及内容阐述，对于该门课也会更加有兴趣。并且，学生也能体验到教师工作背后的辛苦，会更加尊重教师的劳动，反省自己的行为，从而达到德育教育和能力教育双重培养的目的[2]。

4 实践环节改革

美国高校的《电路原理》课程已经基本实现与工程实践的紧密结合[3]，而我国高校在这方面还很欠缺，基本上还停留在理论讲解阶段，与实际接触较少。所以会经常出现学生通过四年的大学学习进入社会后很难很快地融入到具体的工作中去，必须通过大量的实践锻炼才可以上手。本文主要从以下三方面进行实践环节的改革与探索。

4.1 电路模拟仿真环节

计算机辅助教学软件Multisim是专门用于电路仿真和设计的工具软件，它能够自动建立电路的KCL、KVL以及VCR方程，并将计算结果进行处理，用图形和动画形式展现出来，这将使教学内容更加形象、生动，有助于学生理解和掌握。Multisim具有较好的人机交互界面，易学易用；丰富齐全和可扩充的元器件库，包括基本元件（电阻、电容、电感、电源等）、半导体器件（二极管、三极管等）、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件；丰富的测试仪器如万用表、信号发生器、双通道示波器、扫频仪、逻辑分析仪瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪等；能提供交直流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、零、极点分析、传递函数分析等。并且调试所得结果电路可以和Tango、Protel和Orcad等印制电路设计软件共享，生成印制电路，自动排出印制电路版，是一种非常好的仿真软件[4]。模拟仿真的过程还可以搬上多媒体屏幕，与《电路原理》课件有机结合，提高学生的兴趣。

对于所要讲解的内容，教师可以提前给学生布置相应的仿真作业，当然，这些仿真作业要具有一定的代表性，且每个学生都要独立完成，并给出相应的结果分析以及可能会出现的问题，教师可以通过答辩的方式对每个学生的掌握程度进行评判，并作为平时成绩的考量。通过这些仿真作业的独立完成，学生能更加理解电路原理的精髓，对知识点有系统清楚地认识，对于陌生的电路能通过仿真以及自己的分析得到准确的判断，这对于提高学生对电路原理的认识大有裨益。

例如讲解含有受控源的等效电阻的求解时，会遇到负电阻的概念，学生很难理解，这时通过Multisim仿真模拟后，万用表能测量到具体的数值30，但万用表无法反映正负极性，如图1（a）所示，所以通过外加电源法很容易仿真得到负电阻的结果，如图1（b）所示，这很真切的体现了负电阻电路的特点，教师对于什么样的电路等效电阻会是负电阻的情况加以补充，再结合负阻抗变换器概念的引入，学生们对负电阻的理解也会尤其深刻了。

例如讲解一阶RC电路的充放电时，学生对于动态电路的时域分析很难理解，体会不到电容电压随时间变化的规律是什么样的，这时可以通过Multisim进行仿真模拟，随着开关J2将12V电压源的接入与短路，如图2（a）所示，示波器实时显示电容两端电压，波形如图2（b）所示，这时可以清楚地看到充放电过程变化引起的电容电压按照指数规律变化。改变图2（a）中的电路元件参数，图2（b）又会发生什么变化，最终通过仿真找出图形变化与参数变化的关系，与一阶RC电路的经典法求解得到的结果相比较，找出相同点和区别，这种可视化的设计能激发学生的学习兴趣，有利于提高教学的效率和学生学习《电路原理》的积极性。

4.2 电路实验环节

《电路原理》不仅有理论部分，还包括重要的实验内容。教研组开设了直流电路的测量、叠加原理的验证、戴维南定理的验证、交流参数测定、互感电路测量、三相电路、功率因数提高以及一阶RC电路的响应八个实验。每个实验都包含实验目的、实验原理、实验设备、实验内容、实验注意事项、预习思考题和实验报告。教师在理论知识点的讲解过程中穿插上一节的仿真模拟后，如果再通过相关的实验内容加以体会，学生就可以加深对该电路内容的理解，提高动手能力以及学习兴趣。例如实验“叠加原理的验证”，因为该实验涉及到每个独立电源单独作用电路，需要对每个电源进行置零操作，而电压源置零需要短路，电流源置零需要开路，通过电源部分开、短路的接法锻炼了学生电源操作部分的动手能力，在后续课程以及实验中也可以更加深刻的理解该知识点。并且该环节可以同4.1节的仿真内容相联系，学生在实验前可以通过先仿真再实验找出实验中可能会出现的问题，然后再根据实验中的参数将重新仿真得到的结果与之前相比较，通过以上的相似点和不同点总结该电路的性质，给出该电路最终的结果分析，这样对于典型的电路就会有一个清楚深刻的认识。

4.3 课程设计环节

在学生具备理论分析、电路软件仿真和基本动手能力基础上，为了进一步加深学生对实际电路的理解和掌握，将电路课程设计引入到《电路原理》课程实践教学环节中。教师设计一些简单的题目或引导设计方向，学生通过查阅相关资料，自主选题，设计方案，采用Multisim、Proteus等仿真软件对方案进行模拟仿真，验证设计的方案是否可行，制作硬件调试系统，在调试过程中学生通过查阅资料对硬件进行反复修改调试，并不断改进系统。教师在这期间给予适当指导，通过一系列的锻炼和培养，学生提高了自己的实际动手能力，为后期更深一步学习打下良好的基础。例如在讲解直流电压源时，可让学生自行设计直流电压源，要求提供±12V和±5V的直流电压。图3是学生设计出的电路原理图以及相应的实物图，其中直流电压源包含变压、整流、滤波、稳压等功能，这些内容虽然是后续模拟电子技术里面讲授的内容，但现在通过学生的自己动手操作，可以直观的感受到直流电压是如何产生的，学生真切的体会到了具体电路的设计过程，提高了学习积极性。

5 学习过程的反馈与评价

《电路原理》课程的教学改革方法各高校有所不同，但出发点都集中在学生这一主体身上，因此在教师教学、学生学习的过程中，一定要引入必要的反馈机制去了解、掌握学生学习的动态，包括积极性、兴趣点（理论分析还是实践验证环节）等等，并且教师要针对学生的状态对每一阶段的教学状况做出合理的评价，学校在每个学期的中期也会让学生通过调查问卷方式对教师以及这门课程做出评价，比如学生最感兴趣的知识点、最不感兴趣的知识点、最难的知识点、能听懂课堂讲授内容的百分比、仿真对学习是否有帮助及课堂演示实验对教学是否有帮助、课程设计最难的是什么等等[5]。这些评价都为以后该门课程教师的教学工作指明了方向。

6 结束语

本文通过对燕山大学《电路原理》课程内容特点以及教学现状进行分析，总结了当前该课程教学中存在的问题，提出了适合本校《电路原理》课程的教学内容改革方法；从教学方法上提出了类比式和互动式教学理念提高学生记忆理论知识能力和学习的积极性；通过模拟仿真、具体实验验证以及课程设计的综合应用锻炼学生的实际动手能力。未来的《电路原理》教学中可以尝试以小班形式采用PLB（ProjectBasedLearning）或CDIO（ConceiveDesignImplementOperation）模式授课。尽可能的接近真实工程项目的设计、分析、研制和展示过程，以促进学生对《电路原理》课程各知识点的深入理解，为国家和社会培养有真本领的人才。

参考文献

[1]张燕君，吴国庆，等.电路原理课程的多维互动课堂教学探索[J].教学研究，2014，37（6）：71-75.

[2]张丽，陈松，杨彦从.电路原理课程的教学改革探索[J].中国教育技术装备，2014，（24）：132-133.

[3]J.W.Nilsson，S.Riedel.ElectricCircuits9th[M].London：PrenticeHall，2010.

[4]左丽霞.Multisim在《电路原理》教学改革中的应用[J].科技信息，2008，（30）：479，486.

[5]于歆杰，朱桂萍，陆文娟，等.“电路原理”课程教学改革的理念与实践[J].电气电子教学学报，2012，（1）：1-8.