电路分析基础课程教学改革探讨

韩彩霞 谢建群 罗子波

摘 要 分析电路分析基础课程教学存在的问题，提出对课程从实践学时、考核方法到整合理论教学内容，从理论教学方法到工程实际应用意识的培养等多方面进行教学改革。通过对课程的教学改革，使学生获得电路基础理论知识的同时，着重培养学生工程意识和实践应用技能。

关键词 电路分析基础；教学改革；探讨

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）04-0122-04

1 电路分析基础课程的重要地位及教学现状

电路分析基础课程是自动化、电子信息工程、测控技术等理工科专业必修的专业基础课，在整个人才培养中占有重要的地位，具体分析如下。

1）该课程是整个大学教学中开设最早的专业基础课程，兼具理论性、实践性，是学生第一个接触到的实践课程；

2）该课程所学知识在后续开设的电机拖动、电力电子技术、自动控制原理、单片机等专业课程中都有所应用，是其他专业课程的基础课程。

由以上分析可知，电路分析基础课程在整个人才培养中属于基础性专业课程和实践课程[1]，和后续专业课程联系紧密。通过该课程的学习，不仅使学生掌握电路分析的基本概念、基本定律和电路的分析方法，而且要获得必需的电工基础理论知识，为学习后续课程打下必要的理论基础。同时，注重工程意识培养、自学能力培养，使学生具有分析、解决问题和实践应用技能，树立理论联系实际观点，为培养高技能人才打下必要的基础。

该课程教学内容主要包括电路元件介绍、电路分析方法、定理等。目前该课程教学主要存在以下问题：

一是实践教学内含于理论教学中，受制于总学时限制，无法开展综合性、设计性实验，实验教学利用实验箱来完成，学生只需依照实验指导书通过实验箱连接电路即可完成实验，实验项目为验证性实验，在实验过程中学生不能将自身想法付诸实践，不利于学生创新能力培养；

二是课程知识点抽象，元器件在电路中工作特性难以理解，电路分析方法、定理众多，难以深入理解；

三是课程教学内容独立于其他专业课程之外，没有和相关其他专业课程有所联系。

2 电路分析基础课程教学改革方法

鉴于该课程在人才培养中的重要基础性地位以及目前教学存在的诸多问题，进行教学改革，具体分析如下。

修订培养方案，剥离实践教学环节 为充分体现课程在人才培养中基础性地位[2]，以夯实理论基础为前提，以培养创新能力为导向，通过梳理江汉大学文理学院自动化专业人才培养方案后发现，原有课程学时包含理论课和实践课学时，即实践课属于课内教学环节。由于受制于总课时的约束，实践教学只能利用实验室实验箱开展一些验证性实验。鉴于此，将课程实践教学环节[1]从原有的理论教学中剥离出来，单独开设电路分析基础实践课程，并对实践课程采取独立的考核方式[2]。单独开设实践课程后，学生在完成验证性实验基础上有充足时间来完成设计性实验，通过验证性实验加深对理论知识的理解，进一步通过设计性实验达到感性认识，培养独立思考、创新能力。

整合理论教学知识体系，瞄准一个方向、一个定律 在该课程众多定律、定理中，基尔霍夫定律[3]是基本定律，课程后续介绍的电阻电路分析方法、动态电路分析都是基于此定律得到的。掌握了基尔霍夫定律，就掌握了电路分析方法，由此可见它在整个课程中的重要性。它包括电流定律和电压定律，这里只介绍电流定律。

基尔霍夫电流定律[3]（KCL）定义：在集总电路中任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。定义中有几个重要的问题需要清晰。

一是电流的“代数和”。既然涉及代数和，那必然和电流的正负有关。电流的正负是根据电流是流出结点还是流入结点判断的，若流出结点的电流前面取“+”号，则流入结点的电流前面取“-”号；反之相同。

二是怎样判断电流是流出还是流入结点？电流是流出结点还是流入结点，均根据电流的参考方向判断。因此在理解基尔霍夫电流定律之前需要瞄准一个方向，即参考方向。

实际电路中电流或电压的实际方向可能是未知的，也可能是随时间变动的。为了对电路进行分析，当涉及某个元件电流或电压时，要指定电流或电压的参考方向。指定参考方向的用意在于把电流或电压看成代数量，若电流或电压的实际方向和参考方向相同，则认为其为正值；若电流或电压的实际方向和参考方向相反，则认为其为负值。下面以图1（a）的电路来分析参考方向的选取。

图1（a）中，流过电阻电流实际方向未知的情况下，分析电路时到底选择哪种参考方向？为说明问题，仿真图中根据不同参考方向连接两个电流表，如图1（b）、1（c）所示，仿真结果如图2所示。

仿真后实际电流方向如图2箭头流动方向（即顺时针方向）。在图2（a）中选择参考方向为逆时针，即和电流实际方向相反，电流表示数为-0.01 A；图2（b）中选择参考方向为顺时针，即和电流实际方向相同，电流表示数为+0.01 A。对于同一个电路选择不同参考方向后得到电流大小是相同的，只是有正负的区别，若得到电流为正值，则说明选择的参考方向和实际方向相同；反之相反。

因此，分析电路时参考方向可以任意指定，并不影响电路的实际情况。由此，在使用基尔霍夫电流定律时可简化处理，即：流入结点电流代数和等于流出结点代数和。

互动、提问式教学，透过现象看本质 电容和电感元件是交流电路里常用元件，这两种元件的电压和电流的约束关系和电阻元件的不同，它是通过导数（或积分）表达的，所以称为动态元件，又称为储能元件。对动态元件的理解、掌握将关系到一阶、二阶动态电路的分析。

通过互动、提问引出电容、电感元件的特性。给出如图3所示电路，首先提出问题：分别将开关切换到电阻、电容和电感元件所在电路时，电路中灯泡会有什么现象？让学生讨论问题。然后利用仿真软件[4]仿真，会观察到开关切换到电阻电路时，灯泡立刻点亮，亮度始终不变化；开关切换到电容电路时，灯泡点亮，但亮度逐渐变暗，最后熄灭；开关切换到电感电路时，灯泡不亮，然后逐渐变亮，最后亮度稳定下来。为什么会出现这样的现象？

对结果详细分析：由仿真图4可以看出，电阻电路电压U1始终不变，所以灯泡开始就点亮而且亮度不变；由仿真图5可以看出，电容电路开始时电压U2为零，电源电压都加在灯泡上，所以灯泡点亮，随着时间的变化，电容两端电压逐渐增大，灯泡的电压则逐渐减小，亮度逐渐变暗，最后电源电压完全给电容充电，灯泡则熄灭；由仿真图6可以看出，电感电路开始时电流为零，灯泡不亮，随着时间逐渐变化，电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮。

最后引导学生通过观察各电路中灯泡呈现的不同现象结合仿真图进行分析，电容电压由零到最大是一个动态过程，电感电流由零到最大也有一个动态过程，所以两个电路中灯泡会出现上述现象，即它们是储能元件。

进一步引申问题：有电容元件存在的电路，当通电时间足够长后，电容两端相当于断路；有电感元件存在的电路，当通电时间足够长后，电感相当于短路。

通过以上提问、互动的过程，学生会容易理解有电容、电感元件的电路是动态电路，通过图表分析可以清晰、直观地对动态电路元件性能进行分析，明白在动态电路中电容电压、电感电流是如何变化的。

由点及面，由浅入深，理论向实际应用转化 二极管是电路设计中常用的电子元件，具有单向导电性，即在二极管两端加正向电压时二极管导通，加反向电压时二极管截止。针对这一特性，考虑在实际电路设计时，二极管的这个性质有什么用处？给出图7所示电路和电路输入电压波形图，如图8所示，让学生分析电压探针U2处电压波形。

分析可知，当输入信号处于正半周期时，二极管导通；当输入信号处于负半周期时，二极管截止。图7是利用二极管的单向导电性实现工程上常用的半波整流电路。电压探针U2处电压波形如图9所示。

通过以上对实际电路的分析，逐渐建立学生的工程意识，培养学生理论联系实际的能力。

3 结论

通过对课程进行教学改革，给予学生充分实践、创新的时间，发挥学生主动思考能动性；以参考方向和基尔霍夫定律为主线展开理论教学，降低课程学习难度，使学生容易理解、掌握电路分析的基本方法；由电路现象来分析电路本质，以及通过由点及面将理论知识转化为实际应用，启发学生工程思维，锻炼学生工程意识。

参考文献

[1]陆国栋.实验教学改革的思考与实验分类研究[J].中国大学教育，2010（9）：72-74.

[2]周蕾等.“电路分析”课程的改革与探讨[J].电气电子教学学报，2014（5）：32-33.

[3]邱关源.电路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

[4]冯瑞钰.Proteus仿真在“电路”课程教学中的应用[M].中国电力教育，2014（12）：55-56.