再谈“电路分析基础”中的课程设计

钟洪声，汪 玲，崔红玲

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

再谈“电路分析基础”中的课程设计

钟洪声，汪 玲，崔红玲

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

电路分析基础课程是电子信息类专业入门基础课程，具有较强的理论性和专业实用性。面向大学低年级没有工程经验的学生，其课程设计是一个公认的难点问题。为了加强学生工程技能的培养，在电路分析基础课程中坚持了课程设计计划。该文介绍了两个课程设计案例，其内容紧密联系课程理论教学，也是电子设计必要的入门训练内容。实践证明，在基础课程中设置课程设计，对培养学生的电子设计动手能力有重要价值，能够为学生后续学习和参加科技创新活动奠定较好的基础。

电路分析基础；课程设计；实验；工程；创新

电路分析基础课程是电子信息类专业学生的专业基础课和专业入门课程，对该专业后续知识的学习起着重要的基础作用。课程设计是围绕教学内容的电路设计实例，是培养工科学生工程素养的需要。

1 课程设计与本课程特点

在工科大学的专业课程中，一般会安排课程设计项目，通过短小经典的实验内容，训练学生的工程设计能力；而基础的理论课程，比如数学，一般没有课程设计；介于理论和专业之间的课程，其课程设计的安排就相对比较困难。

电路分析基础课程的核心是介绍电路的各种分析方法、基本定理和基本概念。在满足集总假设条件下，将电路模型简化，工程概念淡化，更强调数学分析和推理［1－3］。与专业课程相比，课程设计项目的深度较浅。

电子信息类专业具有很强的工程应用性［4］，电路分析基础课程中难免会出现理论与工程的接口问题，这些问题对于初学者来说容易导致理解的困惑。现在的学生，很少有工程实践经验，对于电路理论的理解受到局限，并产生一些误区，导致常常出现“纸上谈兵”情况。电路分析理论课程本身来自工程应用，尽管已经抽象出数学模型，但是仍然与工程实际有天然的联系，加强实验和实践训练是一种比较好的利于学生理解基础知识内容的方式。

在理论基础性较强的课程教学中安排课程设计，并不是一件容易的事情。在电子信息类专业课程体系顶层设计时，实验性较强的训练一般安排在高年级后期集中实训，当然这个设计也是正常的。然而在实际执行时，训练效果往往并不理想。究其原因，是因为学生的认知理解是个渐变过程，不会在短时间内产生跃变，工程训练同样需要由浅入深的实践过程。因此，早期的课程设计训练，不在于项目的难度，而在于给学生真实的实践接触和基本的训练。电子科技大学电路分析课程组一直坚持开展课程设计［5］，正是基于这样的认识。

2 课程设计案例

2.1 线性稳压电源设计

电源，在电路设备中广泛应用，电路分析课程中，初期一般采用直流电源，学生对此理想元件比较熟悉；然而，学生并不了解实际电源的工作原理。为了让学生理解电路实验，本课程的第1个课程设计是完成一个实用电源电路。任务要求是设计一个线性稳压电源，主要的技术指标：输入220 V、50 Hz交流电，输出5 V直流（DC）电压，功率为5W。

课程中提前介绍了变压器（理想变压器）、二极管、电容等元件，有理论基础让学生搭建基本电路。当然，理想的元件与工程上的元件是有区别的，也可以通过这个设计让学生加深工程实际认识。

该电源电路设计原理简单，可以由一个工频变压器（220 V／7 V）、全桥整流电路、电容滤波器、三端线性稳压器7805、输出电容等几个部分构成。由于是针对初学者，不要求具体掌握线性三端稳压器7805的内部工作原理，只要求了解其性能和技术指标，能够知道如何应用，其余部分都在教科书中能找到对应知识点。

该电路结构简单，不需要设计印制板。但工频变压器使用220 V高压，存在安全问题，因此需要特别提醒学生注意安全。由于电流较大，也不宜采用面包板，需要在简易的线路板上焊接安装电路。要求学生自己动手，完成焊接、安装工艺，完成简单的测试，外接电阻负载（由实验室统一准备大功率负载电阻）。

实验中出现问题并解决问题，这是实验环节的必然过程。训练学生自己解决问题，正是实验的重要目的之一。

本案例在实际操作中出现的主要问题是带载能力不足。空载时稳压输出5 V电压，一般没有问题；一旦加载，输出电压会大幅度下降，而引起下降的原因众多，需要学生自己逐一排查。在排查的过程中能够自己解决问题，会给学生带来设计制作的满足感。

另外，初学者在实验过程中会出现大量意想不到的低级错误。如对于电阻没有功率概念，连接负载5Ω，其功率至少需要大于5 W；但是实际应用中，不少同学会随意找个0.25 W的电阻接上，反复被烧掉，这才体会到实际元件与理想元件概念的差别。

2.2 方波发生器的设计

课程在介绍了运算放大器之后，安排了一个课程设计，即利用运算放大器，设计一个简单的波形产生电路。该课程设计正好可以利用前面制作的稳压电源。

单个运算放大器，利用其高增益的特性，设置一个比较电压值，根据这个预设值，输出电压会翻转。在不同的区间，利用RC一阶电路的充放电特性，电压指数上升或者下降，围绕预设值形成振荡，输出方波信号。

其中RC一阶电路与课程中的一阶电路概念相关，通过实验可以增强对课程中知识点的理解。如改变RC电路的时间常数，可以控制输出方波的工作频率。

本案例电路也很简单，很适合初学者。在实际制作中，可以直接在面包板上完成，也可以在简易的电路板上焊接安装。

由于本电路所需元件少，都是常见元件，可以在计算机仿真库中找到具体型号，因此，本文要求学生先利用计算机仿真。这也是一个有价值的训练。由于Multisim软件中，设置了各种虚拟仪器仪表，仿真与实验测试显示一致，先完成仿真，对于实际实验元件参数的选择，具有重要的意义。

实验中，要求利用示波器观察输出波形，借此也训练了同学们实际操作示波器的技能。

本案例在实际操作中出现的主要问题是电路不起振，没有波形输出。初学者不太熟悉运放参数，一般不会主动分析原理，但是通过反复调整元件参数，也会得到正常输出波形。这个现象正好可以留给学生思考的空间。

3 课程设计实践思考

从2006年开始，课程组就在电路分析基础课程中安排了课程设计计划，并按平时成绩的方式计入学生的总成绩。

由于电路分析基础课程理论性强，安排课程设计有一定难度；不同教师在执行过程中，理解和认识不同，因此，执行力度也有所不同。课程设计必然要利用实验设备，如果采用统一的安排，势必增加工作量。近年来，学校面向所有学生开放了一些公用实验室，学生可以自行借助这些实验平台完成任务。本文的两个案例，电路简单，对于实验条件的要求比较低，元件成本也低，能够保证学生自主完成设计制作。

由于本课程设计的坚持，为大学一年级的学生（电子科技大学电路分析基础课安排在大一下学期）提供了实践训练的机会，尽管比较简单，但是学生开始进入实验动手环节的时间几乎提前了一年。早期的训练，为后续的专业实践课程奠定了比较好的基础。为此，课程组也专门讨论，既然在专业课程中，已经设置了课程设计内容，本课程是电子技术入门课程，为什么也要设置课程设计内容呢？本文作者认为不能小看这个提前，对于入学第一年的学生，其兴趣和激情相对较高，能够尽早接触到工程实践，还是很有价值的。一些学生在毕业后回顾电路分析基础课程的学习时，也表示这是他们从业生涯很好的启蒙教育课程。

而课程组坚持在电路分析基础课程中安排课程设计，也是从另一个角度思考：现在的学生从小学到高中，缺少工程训练，也很少进入实验室，学习模式几乎就是听课、做作业。在课程之中嵌入设计性动手制作项目，也是换一种学习模式，让学生感觉新奇，激发其内在的学习兴趣。

在专业课程的课程设计内容设置中，题目往往比较难，要求完成较具体的任务，如果没有前期的基础培训，往往造成学生的适应周期过长；拿到课题任务时常常感到无从下手，造成较大的挫折感，从而影响学习的积极性。实践训练是一个循序渐进的过程，本文作者认为早期的训练还是很有价值的。尽管训练的都是简单的电路题目，但正是有这种基础训练，给学生提供了合适的实践机会，也为后续课程实验打下了良好的基础。

4 课程设计管理模式

本课程坚持课程设计，明确写入教学大纲，但是没有写明设计的具体内容，具体执行方式由各任课教师掌握，不搞一刀切。本课程每年学习的学生人数在3 000人以上，授课教师近40人，来自不同的学院，课程设计部分没有具体要求设计内容，给任课教师更大的选择空间，有利于教师的个性发挥。

在课程设计的执行过程中，不少教师选择过不同的课程设计项目；而经过多年的运行实践，任课教师还是认为选择这两个实际案例比较好，既训练了学生的动手能力，又对实验条件要求不高，元件成本不高，同时与课程内容又密切关联。

学生方面，部分学生积极性很高，会主动积极完成任务，并自己增加设计内容；但也有学生还是习惯读书、做题和考试的学习方式，认为课程设计对考试分数的贡献不大，投入的时间和精力不足。

管理方面，课程设计会带来教学成本的增加，不仅是教师增加了教学指导工作量，实验工具和元器件也产生了一定费用。近年来，学校教育经费增加了，统一为全校所有工科学生免费发放一套工具及实验用元器件，为学生的自主实验提供了很大的方便。

考核方面，目前学校管理部门在认识上也逐步转变，工程实践在课程中所占的比重也在逐步提高，平时成绩、包括课程设计的比重开始有所体现。当然，电路分析基础是一门基础性强的课程，学校重视，将之列入规范建设范围；教师的自主权相对较少，改革的强度还有待提高。

5 麻省理工学院电路课程带来的认识

电子技术的进步，反过来不断促使教学内容和方式的改革。美国麻省理工学院（MIT）的核心课程电路与电子学（Circuits and Electronics，课程编号6.002），2006年开始整合了电路分析基础、模拟电路和数字电路的核心内容，并安排了4个课程设计。其中，3个验证性实验，1个设计性实验。设计性实验具有比较高的难度，要求学生设计制作一个音频信号回放系统；实验难度远远超过本文的课程设计要求。

课程开设实验课题或者作业，学生按预约时间进入实验室，独立完成，请实验室指导教师签字认可。实验室采用开放模式，没有统一的实验任务要求讲解，也没有专门的测试设备应用讲解。学生能够在没有监督的情况下，主动完成各项教学任务。如果没有完成，则无法获得该课程学分。

课程组也期望逐步改革现行教学模式，逐步提高课程设计水平和效率。目前已经引入MIT教材和部分教学方式；但其教材中不少的传统教学内容被直接淘汰，也让课程组感觉不太适应；如经典的网孔分析法、变压器等知识都被排除在教学内容之外，大量的集成电路内容被引入到教材内容中。因此，结合学校的实际现状，还需要选择合适的内容进行取舍。

6 结束语

课程设计在国外大学里是工科专业的一个重要教学环节［6－7］。随着硬件条件，特别是开放实验室的推行，国内工科大学的教学中，也开始越来越多地使用课程设计［8－13］。课程组始终坚持在理论教学的同时执行课程设计计划及各种形式的实践教学改革［14－16］，取得了比较明显的教学效果，持续不断地提升了学生的工程实践兴趣。在全国大学生电子设计大赛中，我校连续6届（2005—2015年）获得好成绩，国家奖（一二等）总数4届排名第一，每届都保持前3名。在其他形式电子设计比赛中，如大学生创新创业大赛，也取得了优异成绩。

［1］胡翔骏.电路分析［M］.3版.北京：高等教育出版社，2016．

［2］WILLIAM H H，JACK E K，STEVEN M D.Engineering Circuit Analysis［M］.6版.北京：电子工业出版社，2002.

［3］李翰荪.电路分析基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006．

［4］钟洪声，崔红玲.工程电路分析基础［M］.北京：科学出版社，2007．

［5］钟洪声，汪玲，王明珍，等.《电路分析基础》中的课程设计［J］.实验科学与技术，2013，11（4）：206－208．

［6］HATZOPOULOSA A.Computer aided circuit analysis and design projects for electronic engineering students［J］．Engineering Science＆Education Journal，1999，8（1）：23－32．

［7］FIREBAUGH S，JENKINS B，CIEZKI J.A Comprehen sive laboratory design project for teaching advanced circuit analysis［C］／／American Society for Engineering Education Annual Conference＆Exposition.American Society of En gineering Education，2004．

［8］郑义，张宇飞，华琳.“电路分析基础”课程的微课程设计［J］.电气电子教学学报，2016，38（1）：26－28．

［9］白菊蓉.Multisim在电路分析系列课程教改中的应用［J］．西安邮电大学学报，2011（S1）：93－96．

［10］陈寿坤.电路分析实验课程教学改革的研究［J］.实验室科学，2012，15（6）：6－9．

［11］钟洪声.实验在电路理论教学中的重要意义［J］．武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：194－196．

［12］LU H Y.Course design and implementation of communica tion electronic circuit analysis and design with project as the carrier［J］.Journal of Yunyang Teachers College，2012．

［13］BAI J，WANG Y.Dynamic circuit analysis design and simulation［C］／／International Symposium on Instrumen tation＆Measurement．Sensor Network and Automa tion.2012：512－514．

［14］钟洪声.电子信息专业创新人才培养的探索与建设［J］．云南大学学报（自然科学版），2011，33（S1）：355－357．

［15］钟洪声.电子类专业创新人才培养体系的建设［C］／／2008年全国高等学校电子信息科学与工程类专业教学协作会议论文集.北京：邮电大学出版社，2008．

［16］钟洪声.鼓励大学生参加科研活动［C］／／2007年全国高等学校电子信息科学与工程类专业教学协作会议论文集.北京：电子工业出版社，2007．

Introduction on Projects in Fundamentals Circuit Analysis

ZHONG Hongsheng，WANG Ling，CUIHongling
（College of Electronic and Engineering，University of Electrical Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The fundamental of circuitanalysis is the basic course of electronic engineering，which has strong theoretical and pro fessional practicality.The freshmen have no engineering experience，which is an acknowledged difficulty.In order to strengthen the cul tivation of students’engineering training skills，the curriculum design plan was adhered to in the basic circuitanalysis.Two classic ca ses are introduced in this paper，the contents ofwhich are closely related to the course theories and the fundamentals training cases in electronic design.It has been proved by practicing that the projects ofbasic guide courses are the very importantvalue to cultivate the e lectronic design ability of the students.Itwill be laid a good foundation of other courses learning and technology innovation activity.

fundamentals of circuit analysis；projects design；experiment；engineering；innovation

TM13；G642.423

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.003

2017－03－16；修改日期：2017－04－15

钟洪声（1961－），男，硕士，教授，主要从事电子信息技术领域的教学与科研工作。