问题启发式电路原理实验课程的设计与实践

杨 飞，王一群，周素华

问题启发式电路原理实验课程的设计与实践

杨 飞，王一群，周素华

（北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192）

从学生的实际情况出发，提出了一种基于问题启发式教学思想的电路原理实验课程改革思路和方法。即立足于学生在平时实验中发现的简单问题，从这些问题出发，引导学生分析出现问题的原因，并最终通过实验手段解决问题。该方法在实际应用中可以有效提高学生的实践动手能力和解决实际问题能力，同时激发学生的学习和探索兴趣。

电路原理；实验课程；问题启发式教学；教学改革

“电路原理”是面向电类专业开设的第一门专业基础课，是所有强电专业和弱电专业的必修课。该课程以分析电路中的电磁现象、研究电路基本规律及电路的分析方法为主要内容，课程理论严密、逻辑性强，具有广阔的工程背景。通过本课程的学习，对学生树立严肃认真的科学作风和理论联系实际的工程观点，培养科学思维能力、分析计算能力、实验研究能力和科学归纳能力有重要作用[1]。

电路理论是电气工程和电子科学技术的主要理论基础，是一门研究电路分析和网络综合与设计基本规律的基础工程学科，在过去的30多年，其教学内容相对固定，主要变化体现在教学内容优化、教学过程组织、教学方法和手段改革等方面。其中，“电路原理实验”是重要的实验教学课程，其目的不仅是帮助学生巩固并加深理解所学的理论知识，更重要的是要训练学生的实验技能，使学生树立工程实际观点和严谨的科学作风[2-3]，因此它是反映教学和科研水平、检验教学质量的一个重要方面[4-6]。

1 “电路原理实验”课程改革现状及思考

对“电路原理实验”课程的改革一直是高校基础课程建设的一项重点工作，众多高校从理念、手段、方法等多个层面进行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。文献[7]在电路实验教学中采用规定内容与自拟内容相结合、“教”与“导”相结合、开卷考试及写论文的教学方式，使学生的创造性思维能力得到提高。文献[8]提出，要进行电路实验教学改革首先要实现教学观念变革，要把培养学生的创新精神作为实验教学改革的目标，采用分层次实验教学和开放式实验教学等方法，通过建立适应实验教学的成绩评定标准等措施,逐步将电路实验室建成培养高素质创新人才的基地。文献[9]介绍了计算机辅助电路分析在实验教学改革中的应用，着眼于提高学生综合素质和创新意识提高及可持续发展。文献[10]提出，要想通过电子电路实验课强化实践动手能力培养，必须变被动式的教学模式为自主式的教学模式，使学生由被动学习转变为主动学习,这样才能提高学生综合应用知识能力、创新能力及独立分析和解决实际问题的能力。文献[11]提出了若干电路实验课程教学改革措施,包括合理安排实验仪器面板、合理设置软硬件实验、逐步改变教学方式、鼓励学生进行故障排查、综合改革考核方式等。文献[12] 设计并开发了一个电路原理实验网上预习系统，该系统采用B/S结构设计，以MyEclipse为开发工具，以MySQL为后台数据库，实现了网上预习测试功能。文献[13]以培养学生自主学习能力及自主创新能力为目标，对电路实验课程内容进行层次化、阶梯式的改革，其中选择部分实验项目试行了“实验先于理论”的自主测试归纳式教学模式，相应的教学组织形式为翻转课堂模式。文献[14]对电路实验教学进行了全方位立体化的改革，把改革思维系统地贯穿到实验内容、教学方式、实验平台以及考核方式等各个方面，积极探索研究性教学，全面引入“多角度”的实验教学方法，通过“全方位立体化”的实验项目设计，努力提高电路分析实验教学的质量。

从上述文献中可以看到，对电路实验课程改革，不论是教学理念改革，还是教学方法和教学手段改革，其首要目标是提高学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣，引导学生主动思考，在“做”中“学”，同时也在“学”中“做”。由于电路实验课程是电类专业的入门课程，学生此时的专业知识有限，动手能力有限，因此在进行电路实验课程改革时必须因人而异、有的放矢。也就是说，在进行课程改革时，既要考虑实验设置的工程性和创新性，又要注意不能使课程内容过于复杂，超过学生的能力范围，这是进行电路实验课程改革必须注意的问题。

本文从学生的实际情况出发，提出了基于问题启发式教学思想的电路原理实验课程改革思路和方法。即立足于学生在平时实验中发现的简单问题，从这些问题出发，引导学生分析出现问题的原因，并引导学生利用基本的实验手段来解决问题，从而达到对学生进行工程训练的目的，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手实践能力。

2 问题启发式教学思想

问题启发式教学（PHT）是结合基于问题的教学理论和启发式教学理论而提出的一种教学方法。PHT教学方法就是结合要讲授的理论知识，从具体事例出发，以问题解决为着眼点，组织学生进行分析、讨论和探究。在解决问题过程中，教师与学生通过不断发问与回答的形式，使问题分析逐步深入。在不断驳辩和启发的过程中，学生通过辨析，自行理解并提出明确观点，进而掌握相关理论知识。因此，PHT的核心在于从问题入手，培养学生主动思考的习惯，激发学生的创造性思维[15-16]。

为实现课程标准要求的教学目的，问题启发式教学对问题的设置，应力图对学生的学习思维有定向性、限制性和指导性，应紧扣教学内容的重点、难点。在电路原理实验课程中，学生面对的是实际电路元件，在创设问题时可因地制宜地利用学生实验过程中遇到的实际问题，譬如电阻标称值的误差、信号源的内阻、实际电感的串联电阻等。受这些因素影响，学生在实验中往往发现实验结果与理论分析不符的问题。但传统教学模式往往忽略此类问题的重要性，只做简单解释，让学生按照简单方法进行处理了事。而问题启发式教学将以学生自己在动手实践中发现的这些问题为切入点，进行后续的启发式研究，在不增大课程难度的同时充满探索的乐趣。

3 问题启发式实验教学案例

下面以RLC串联谐振电路为例，介绍问题启发式实验教学案例的设计。

3.1 问题导入和问题发现

（1）理论计算。在图1电路中，电路发生串联谐振时，U=。取=9 mH，=50 Ω，=0.033 μF，正弦波电源电压m=2 V，理论计算结果如表1所示。

图1 RLC串联电路

表1 谐振电路初步理论计算数值表

（2）实际测试。按图2组成测量电路，将信号源输出正弦波峰峰值设为4 V，并通过双通道示波器同时观测信号源输出电压和电阻两端电压的波形。

图2 谐振测量电路示意图

（3）找出电路的谐振频率0。令信号源的频率由小逐渐变大，当示波器上显示的两路波形同相位时，信号源输出信号的频率值即为电路的谐振频率0，如图3所示。测量此时的波形数据，填入表2。

图3 电路谐振时示波器观测波形

表2 谐振电路初步实测数值表

在完成表2测量之后，学生会发现表2的实测数据与表1的理论计算值之间存在较大差异。

3.2 分析问题

在学生通过自己动手实验发现上述问题后，应进一步创设问题，引发学生思考，激发探究欲望：

（1）为什么信号源输出电压实测值为1.11 V，而理论值为2.0 V，电压降在了哪里？

（2）谐振时Um测量值0.89 V为什么小于信号源输出电压实测值1.11 V，电压降在了哪里？

（3）引导学生思考上述问题并得出如下结论：信号源的电压被实际电路中的其他未知电阻分担了，而在理论分析时没有对这些额外的电阻加以考虑，这主要包括信号源的输出电阻和电感等器件的寄生电阻，而这两部分电阻在实验中是不可避免的。

3.3 解决问题

接下来要引导学生通过实验手段解决问题，即通过实验测试测量出信号源内阻和电感的寄生电阻，并重新改进RLC串联谐振电路，如图4所示。

图4 考虑信号源内阻和寄生电阻的谐振电路

参照图4电路，对RLC串联谐振电路重新进行理论计算、仿真和实际测试，得到的仿真波形如图5所示，对比图3的实测波形，可以发现二者基本一致。最后，将相应的数据填入数据表，达到了理论和实践的统一。

图5 考虑内阻和寄生电阻的仿真波形

4 结语

本文将问题启发式教学思想应用到电路原理实验课程改革中，按照工程教育理念，从创设启发问题开始，引导学生对问题的分析逐步深化，并最终通过实验手段解决问题，激发了学生的学习兴趣，提高了学生解决实际问题的实践动手能力。

虽然该方法所需实验时间较长，但从实验教学改革角度来说，却是完全必要的。同时本文所提到的问题启发式教学并不需要运用到电路实验课程的所有实验中，只需从中选取2、3个典型案例即可产生很好的效果。

[1] 邱关源.电路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 李新科，黄扬帆，颜芳，等.《电路原理实验》教学探索[J].实验科学与技术，2012, 10(4): 135–137.

[3] 田健仲，吴敏华，张俊方，等.电路原理实验课程建设与教学改革实践[J].实验技术与管理，2010, 27(10): 142–145.

[4] 李强，袁臣虎，李现国，等.电路实践教学的改革与探索[J].实验室科学，2009, 12(5): 43–45.

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[7] 马鑫金，应安明，王桂玲.电路实验教学改革的尝试[J].实验室研究与探索，2002, 21(3): 46–48.

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[14] 张聪玲.工程教育背景下电路分析实验课程改革探索[J].实验室科学，2018, 21(5): 107–110, 114.

[15] 李慧勤，李红君.现代启发式教学的内涵与实施[J].中国高等教育，2008 (10): 21–23.

[16] 彭芬，刘李豫.基于问题的启发式教学方法与实践：以“组织行为学”本科教学为例[J].中国大学教学，2013(3): 65– 67.

Design and practice of Circuit Principle Experiment course based on problem-heuristic idea

YANG Fei, WANG Yiqun, ZHOU Suhua

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

According to the students’ actual situation, this paper puts forward a new idea and method of curriculum reform of circuit principle experiment based on problem-based heuristic teaching idea. That is to say, based on the simple problems that students find in their experiments, students are guided to analyze the causes of the problems, and ultimately solve them by means of experiments. This method can effectively improve students’ practical ability and their ability to solve practical problems, and stimulate their interest in learning and exploring.

circuit theory; experiment course; problem-heuristic teaching; teaching reform

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0158-03

2019-01-11

国家自然科学基金联合基金重点基金项目（U1636208）；2018年精品在线开放课程建设项目（2018KGZX16）；北京信息科技大学2016年度教学改革立项（2016JGYB57）

杨飞（1982—），男，山东威海，博士，讲师，主要研究方向为网络安全、无线传感器网络等。

E-mail: feiyounger@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.040