电路分析课程案例教学的探索与实践

赵文山

北京交通大学电子信息工程学院 北京 100044

电路分析课程是高等学校电气与信息学科的专业技术基础课，主要介绍电路的基本理论和基本分析方法，对学生后续专业课程的学习起着至关重要的作用[1,2]。鉴于电路分析在专业课程体系中具有承上启下的特殊地位，近年来电路分析课程教学模式的改革受到教育界的广泛关注。一些创新型教学方法如多媒体、启发式教学的不断涌现使得电路分析课程的教学效果得到极大改善，但仍然没有摆脱传统教学手段的束缚，主要表现在“填鸭式”教学模式依然存在，授课过于注重理论推导，导致内容干涩无味，过程趣味不足；理论教学与工程应用严重脱节，导致学生不知为何而学，不知学为何用。

在此背景下，本文主要对电路分析课程的教学过程进行再设计，通过教学案例的引入，激发学生探究知识的兴趣，拓展学生的知识面，培养学生利用现有理论知识解决实际工程问题的能力。

1 电路分析课程案例教学的探讨

案例教学法起源于20世纪的美国哈佛大学，已广泛应用于医学、法学和管理学等领域[3]。与传统的以“教”为主的授课模式不同，案例教学法着眼于“学”，主要根据教学大纲的要求，以实际事例为素材编写教案并将之用于课堂讨论，以提高学生运用理论知识分析问题和解决问题的能力。通过将学生引入特定问题中，案例教学法可激发学生的学习热情，启发学生独立分析问题的能力，使学生从知识的被灌输者变成学习的主动建构者，教师也从知识的传授者与灌输者转变成知识建构的帮助者和促进者[3-8]。

随着我国教学改革的不断深入，特别是教师专业化背景的不断加强，在电类专业课堂中引入案例教学法已是大势所趋。电路分析课程作为电类各专业第一门公共专业基础课，是从基础课过渡到专业课的桥梁。因此，在电路分析课程教学中实施案例教学将有助于加深学生对理论知识的理解和应用，为后续专业课程的学习奠定坚实基础。

根据电路分析课程的教学内容和特点，笔者认为该课程案例教学的成功实施应注重以下几方面。

1.1 案例教学的课前设计

案例教学法成功实施的前提是案例的精心编写。电路分析课程属于专业基础课，蕴涵工程概念。因此，电路分析课程的案例编写不能凭空虚构，应来源于工程实例。为避免传统教案较为枯燥的缺点，电路分析课程的案例编写应客观生动，带有趣味性，所选择的素材最好与实际生活密切相关，以在课堂上烘托气氛、吸引学生的注意力，激发学生探究未知世界的好奇心，扩大学生的专业视野，培养学生从工程设计的角度正确理解和运用理论知识的能力。需要注意的是，电路分析课程的案例编写除了要保证案例的真实性外，还应根据教学大纲的教学目的和要求，紧扣教学内容，因材施教，否则所编写的案例就毫无意义。案例编写要具有代表性，能反映课程的重点和难点，起到举一反三的作用。

1.2 案例教学的课上实施

案例教学法成功实施的关键在于精心的教学组织。电路分析课程的案例教学应采用基于案例的引导式教学方法引出课程的主要内容，以互动式教学为手段调动课堂气氛和学生学习的积极性，以工程案例“反哺”理论教学。

在整个教学环节中，教师主导教学进程，利用实际案例引导学生从“被动教”向“主动学”转变。为达到上述目的，教师可运用现代化的教学手段和教学设施，如图片、音视频和Flash动画等多种教学手段，抛出实际工程案例，激起学生的好奇心，牢牢抓住学生的“眼球”。以案例的工作原理为引子，逐步介绍所涉及的课程知识点，并最终利用理论知识的学习完成工程案例的设计。教师在案例教学实施的过程中可采用激励政策，鼓励学生在课堂上充分发表自己的观点，提出解决方案，在加深理论知识理解的同时培养学生独立学习的能力。

(3)案例教学的课后讨论

以工程设计要求为背景，以教学案例为主题，布置课后设计题目。要求学生给出电路设计的方案和仿真结果，并针对不同条件下电路的响应结果进行分析，引导学生对非理想结果产生的原因进行讨论，通过对课外资料的查阅给出改进措施。

2 电路分析课程案例教学的设计实例

我校电路分析课程包括了48学时的理论教学和16学时的研究性教学，依次讲解了直流分析、动态分析和正弦交流稳态分析。本文以正弦稳态分析中的RLC串并联谐振为例，具体介绍笔者对于案例教学的实施方法。

2.1 课前案例设计

作为阻抗分析的应用，RLC串并联谐振是正弦稳态分析的重要知识点，在电子、电力、化工等领域有着较为广泛的应用。RLC串并联谐振主要介绍当输入信号的频率为谐振频率时，RLC串联或者并联电路中电抗元件的电压或者电流幅值较大，电路总阻抗为纯阻。

超声设备在人们的实际生活中应用广泛，如超声波诊断仪、超声波清洗机和超声波加湿器等。在超声设备中，超声波的产生主要由压电超声换能器完成，即利用压电材料的压电谐振效应，将高频电能转化为机械能，从而产生超声波。压电元件的等效电路为RLC电路(如图1所示)，压电谐振涉及RLC谐振时外部电压源的频率计算。可见，压电超声换能器非常适合于电路分析课程RLC串并联谐振的案例教学。鉴于此，笔者选用压电超声换能器为素材设计教学案例，通过运用文字、图片、音视频和Flash动画等多种教学手段演示超声波产生的过程，进而引出串并联谐振在超声换能器设计中的应用，拉近理论内容与工程实践的距离。

图1 超声换能器的等效电路

2.2 课上教学组织

在正式介绍串并联谐振的概念之前，先通过互动式教学的方法，让学生列举出生活中常见的超声设备。利用视频和图片介绍超声设备在实际生活中的应用，例如笔者将家中超声波加湿器的工作过程进行录像，并在课堂上播放，从而调动课堂气氛和学生学习的积极性。再利用Flash动画演示核心部件压电超声换能器的工作原理和等效电路；以“如何设计压电超声换能器？”为引子介绍RLC串并联谐振的理论知识，着重讲解RLC串联和并联谐振时电路的特点，如电路阻抗或导纳的虚部为0，端口电压和电流同相，电抗元件的电压或者电流幅值较大。

在提问环节，按照实际工程设计参数设置图1所示电路，引导学生思考2个基本问题：(1)图1所示电路可能发生几种类型的谐振？(2)如何设置图1中电压源的频率使得压电元件发生谐振？组织学生以小组为单位进行讨论，鼓励学生上讲台讲解和推导并及时进行点评。最后，利用Multisim等仿真软件现场搭建一个压电超声换能器的等效电路，利用仿真结果检验学生理论计算值的正确性。对于表现好的学生，可在平时成绩上给予适当的奖励。

2.3 课后思考讨论

利用本案例的可延展性布置课后思考题目，将课堂讨论进一步延伸，为下节课—“正弦稳态功率”的讲解设置悬念：(1)压电超声换能器在发生串联谐振时，电路呈感性还是容性？(2)若压电超声换能器在串联谐振时不能等效为纯阻，则对超声设备的功率传输产生什么影响？答案详见下节课—“正弦稳态功率”。

3 结语

不同于传统的教学模式，案例教学通过在教学过程中引入实际案例，克服了“填鸭式”教学法枯燥、抽象的不足，不仅可活跃课堂气氛、提高学生的学习兴趣，还可培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力。同时，案例教学也对任课教师提出了更高的要求。案例教学的成功实施，不仅要求教师具有扎实的理论知识，还要有丰富的工程设计经验，具备将理论与实践融会贯通的能力。为提高案例教学的效果，授课教师还需善于运用视频剪辑、Flash制作等现代化的教学手段，以增加课程学习的趣味性。此外，授课教师还应及时跟踪科技发展的前沿方向，适时提炼出符合电路分析课程教学目的和要求的工程案例，激发学生求知创新的欲望。

目前，电路分析课程的案例教学还处于探索阶段，仍有很多亟待解决和研究的问题。笔者已对电路分析课程的案例教学进行了尝试，从授课过程和学生的主观评价来看，教学效果良好。相信随着教学案例的不断补充、教学方法的不断改善、教学经验的不断积累，电路分析课程案例教学的预期目标终将实现。