关于换路定律的教学设计

曾晗+赵文静+崔婧娜

摘 要 本文抛开高深理论推导，将传统教学手段和现代化教学手段相结合，从实际案例引入，创设问题情景，激发学生学习兴趣。本文主要从教学目标、教学思路和教学手段三方面介绍换路定律的教学设计，采用问题牵引式的教学方法，使学生理解换路定律的内涵并学会使用换路定律分析解释实际生活中的现象，培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力。

关键词 换路定律 教学思路 教学手段

中图分类号：TMl33 文献标识码：A

换路定律是《电路基础》一书中的基本定理之一，主要用来分析求解动态电路的过渡过程。在实际生产生活中，利用换路定律可以搭建各种延时电路，因此，研究换路定律具有重要的实际意义。

1教学目标

本课程授课对象为高职高专学生，采用的教材是西安电子科技大学出版社出版，由孔凡东、蒋卓勤等人编著的《电路基础》一书。高职高专学生大多文化基础薄弱，渴望动手实践，应用需求与能力不匹配。因此，在培养目标上更加注重实践能力的养成。

换路定律是本书第三章的核心重点内容，主要用来分析直流动态电路，这与前三章直流电阻电路有着很大的不同，这就需要学生更加深入的了解这两种电路。针对教学内容，本节课设置了针对性强的教学目标：

（1）使学生掌握理解换路定律。

（2）要求学生学会使用换路定律分析实际电路问题。

2教学思路

根据授课内容以及学生的原有知识结构，本次课主要分五个步骤实施：知识回顾、课堂引入、重点内容、实际应用、课堂小结。下面具体介绍课程的实施情况。

（1）知识回顾：动态元件、动态电路，以及电容和电感的伏安关系。

（2）课堂引入：由USB killer引入，播放USB killer烧毁电脑的视频。提出问题，USB killer如何将电脑烧毁，引发学生的好奇心，激发求知欲。

（3）重点内容：利用幻灯演示更加直观的使学生理解掌握换路的概念以及电路换路的方式。根据的课前知识回顾，学生已经了解到要想在直流动态电路中获得变化的电压和电流，可以通过改变电路的状态来实现。电路状态的改变称为换路。接下来，通过简单的手电筒电路来展示电路状态改变的三种方式：电路接通、断开电源；电路中电源的升高或降低；电路中其他参数改变。强调，本节课只讨论由开关的闭合或者断开引起的电路换路。

根据组成电路的元器件的不同，可以将换路无储能元件电路换路（纯电阻换路）和有储能元件电路换路（电容换路和电感换路）。接下来分别具体分析这两种类型的电路换路。

（1）无储能元件电路换路：引导学生讨论换路瞬间电阻两端的电压以及流经电阻的电流的变化情况。电阻是无储能元件，也就是即时性元件，开关闭合瞬间，电压电流均发生突变，没有过渡过程。

（2）有储能元件电路换路：以RC串联电路为例，如图1。强调重点分析电容两端的电压在换路前后的变化情况。提出问题：开关闭合前，电路中有没有电流通过？电容两端的电压是多少呢？开关闭合后，电路发生换路，对于电容而言，电压源对其进行充电，一段时间后，电容充电完毕，此时电容两端的电压又是怎样的呢？抛出诸多问题，引导学生思考，同时画出电容两端电压随时间的变化情况。引出新的稳定状态和旧的稳定状态的概念，再次抛出关键问题：电容电压在换路后直至到达新的稳定状态之间又是如何变化的呢？并引导学生进行讨论。

利用模拟仿真软件Multisim对电路进行仿真，如图2，直观形象的展示电容两端电压从旧得稳定状态到新的穩定状态的变化情况，即电容两端的电压在换路前后没有发生突变，而是经历了一段过渡期。定义过渡期为暂态过程。并给出0-和0+时刻的定义和数学物理意义。接下来引导学生讨论暂态过程形成的原因。是由于电路内部含有储能元件 C、L，电路在换路时能量发生变化，而能量的储存和释放都需要一定的时间来完成。

提出问题：直流动态电路的分析，是从换路开始直到电路进入新的稳定状态，它的起点就是电路中的初始值，那么动态元件在电路发生换路的瞬间，他们的电压电流的初始值会发生怎样的变化呢？引出本节课的重难点——换路定律。

对于电容而言，通过列写一阶微分方程，并结合电容两端电压与电荷量的关系，分析得到：换路瞬间，若电容电流保持为有限值，则电容电压（电荷）换路前后保持不变。 同样，对于电容而言，换路瞬间，若电感电压保持为有限值，则电感电流（磁链）换路前后保持不变。总结换路定律的内容，即

强调其使用条件：电容电流和电感电压为有限值是换路定律产生的条件。换路定律只对uC、iL有约束。

（1）实际应用：换路定律的内容其实很简单，但应用却很广泛。本次课的难点就是利用换路定律分析实际问题。同时，实际问题的分析也是本次课堂设计的特色环节，突出应用性。分别对RC换路和RL换路应用举例，总结利用RC电路换路可以组成延时电路，而RL电路则可以实现直流升压功能，这对于实际生产具有重要的指导意义。

最后，回到课前的问题：USB killer如何将电脑烧毁。USB killer使用的是升压斩波电路，利用电容量较大的电容和电感量较大的电感，通过自动开关，不断的进行换路，在此过程中电容和电感不断的充放电，从而使输出端电压不断增加，直至烧毁电脑。

（2）课堂小结：总结本节课的重难点，并设置思考题：换路前后，除了电容电压和电感电流不能发生突变外，电路中其他的电压和电流在换路时又发生了怎样的变化呢？通过课下的思考问题引出下次课的内容。

3教学手段

（1）视频——USB killer烧毁电脑的视频，吸引学生注意力，激发好奇心。

（2）实验——利用模拟仿真软件Multisim，直观形象展示动态电路的暂态过程，使学生对知识更加的清晰明了。

（3）动画演示——通过动画演示换路定律的应用，是学生体会到换路鼎炉的实用性。

4教学反思

本次课最大程度的避免枯燥理论的讲解，采用问题牵引式的教学方法，活跃课堂气氛，激发学生的学习积极性。

不足之处在于，虽然已经设置了很多贴近实际的讲授环节，但学生没有实际动手操作搭建电路，动手能力没有得到训练，针对这一问题，可以结合内容，设计实训操作课程，巩固学生的知识掌握。

5结语

教学实践证明，纯粹的理论讲解并不能引起学生的学习共鸣。本文根据具体的教学内容，设计了相对可以激发学生学习兴趣的一堂课，在这里与大家分享。希望通过更多的教学探索，使我们的课堂变得更加生动有趣。

参考文献

[1] 孔凡东.电路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[2] 王进明.换路定律的适用性讨论[J].兰州石化职业技术学院学报，2004（02）：8-10.

[3] 田社平，孙盾，张峰.关于电容电压和电感电流跃变的讨论[J].电子电器教学学报，2014（06）：56-58.endprint