“互联网+”背景下电路类课程教学方法

榆林学院信息工程学院 赵 鹏

在互联网+背景下，基于传统电路类课程教学过程中存在的问题，提出以简单拓扑+问题导向+仿真的混合教学模式，经过连续2届课程跟踪研究表明，该教学方法能有效调动学生学习的积极，加深学生对电路物理模型和原理的理解，并提高学生实际分析问题和解决问题的能力。

电路类课程是大部分理工科专业的必修课，但在传统的授课方式中，往往以电路的的功能讲解、公式推导为主，往往忽视了电路的最简单的物理模型。这就造成了学生对电路理解不透，掌握不深，无法实际应用。也因此造成了学生们对课堂上讲授的理论知识学了就忘，从而认为理论知识可有可无的一种态度。笔者在辅导学生做设计类电路实验或电子设计等时，经常发现学生坐着发呆，不知道从何下手，不知道如何把课堂上学习的理论应用到实际电路上。于是经过和学生们的大量沟通后，笔者提出了简单拓扑+问题导向+仿真的混合式教学模式。以下以基础电路中的“BUCK电路工作原理”来说明。

1 传统教学方法

电路使用一个全控型器件V，图1中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。

图1 降压电路的原理图及工作波形(a)电路图 (b)电流连续时的波形 (c)电流断续时的波形

如图1(a)中栅射电压UGE波形所示，t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo = E，负载电流io按指数曲线上升。

t = t1时，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，为了使负载电流连续且脉动小，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1(b)所示。

负载电压的平均值为：

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。

由上式可知，输出到负载的电压平均值UO最大为E，减小占空比α，UO随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路，也称BUCK变换器。

负载电流平均值为：

若负载中L值较小，在V关段后，到了t2时刻，如图1(c)所示，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。当负载电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

2 混合教学模式

由于线性稳压电路（LDO）效率太低，于是人们开始研究利用开关控制电容的充放电来实现稳压功能（提出简单拓扑结构），原理如图2、图3所示。

图2 简单电容拓扑

图3 电容降压原理

例如，需要稳压的电压为5V，开关闭合（t = 1），电容开始充电，当电容上的电压大于5V时开关段开（t = 0）；此时电容上的电压开始通过R2放电，当电压下降到5V以下时，再次闭合开关（t = 1），给电容充电，只要合理控制开关的导通和关段时间，就可以在负载上得到5V的电压（5V上下波动的电压视为纹波，可以通过开关的导通关段时间控制在系统要求的范围内），R2为负载电阻。

电路原理仿真如图4所示。

图4 电容充放电实现降压原理仿真

仿真可知，该电路确实具有降压作用，但是这个电路还有很多问题需要改进（引导学生提出改进电路的方法）：

（1）电阻始终是耗能元件，影响整个电路的效率。

（2）负载能力有限（例如，负载电阻如果是1Ω，根据分压原理，输出电压就达不到5V，所以电容电压最高值为

显然直接以电压为研究对象来实现降压有问题，即电路的拓扑有问题，于是人们转换思路，把电流当作研究对象。假如负载为1Ω，要在1Ω负载上实现电压为5V，只需要流过该负载的电流是5A，同样可以实现负载电压为5V，即实现了降压的功能。于是电路改进如下，用电感代替电阻，因为电感的研究对象只是电流。同时给电路加一个二极管，作用是再开关段开时给电感形成放电回路。如图5、图6所示。

图5 简单电感拓扑

图6 电感降压原理

工作原理如下：

开关闭合（t = 1），电感电流缓慢上升，当电感电流超过5A时断开开关（t = 0）；此时电感电流开始缓慢下降，当检测到下降到5A以下，开关闭合(t = 1)，电流又缓慢上升，不断重复这个过程，基本可以实现电流为5A。从而负载电阻电压为5V。仿真如图7所示。

图7 电感充放电实现降压原理仿真

这个电路缺陷如下（同时引导学生提出改进方法）：

（1）纹波比较大（只要电感的电流发生变化，则电阻上的电压就会发生变化）。

（2）一定要接负载才能工作（因为电感输出的为电流）。

这两个问题可以在负载两端加个滤波电容来解决。电路继续改善如图8所示。

图8 最终电路拓扑结构

在负载两端加电容进行滤波，改善输出纹波。这个电路的拓扑结构就是最终的BUCK电路的拓扑结构，只是在实际的电路中用一个全控型器件来代替开关，开关的导通和关段的控制信号由一个反馈系统来控制。仿真如图9所示。

图9 最终电路拓扑结构仿真

从仿真结果可以看出，输出波形变平滑了，但是由于开关是手动控制，所以不够精确，实际控制信号是一个高频率地反馈信号，能很好的抑制电压的纹波。

3 对比

传统的电路类教学方法，主要侧重于公式的推导，刚开始就建立各种电路模型，然后列公式来推导电路的结果。忽视了电路本身的物理模型。这样使得学生刚开始积极性很高，听着公式推导的过程，耗尽了一般的积极性。等到最重要的推导结果时，往往已经没有任何兴趣了，久而久之就形成了对这门课的厌恶感。而简单拓扑+问题导向+仿真的混合式教学模式，从一开始就建立一个最简单的电路拓扑结构，这个拓扑结构必须保证所有的同学都掌握，这样一开始就给学生树立了一种积极的暗示；然后在这个简单拓扑的基础上，不断的提出这个电路拓扑结构的问题，然后不断的完善该电路拓扑结构。在这个过程中老师要和学生充分的互动，充分的给于学生引导和暗示，让学生自己提出改善电路方案。在学生提出改善的方案之后，老师再加以总结，并实时仿真验证改善的可行性。经过这样的学习过程之后，最明显的进步就是学生分析电路的问题加强了，直接表现就是考试成绩的提高和通过率的提升。经过笔者连续对2届采用混合教学模式学生和之前传统教学模式学生的访谈，采用混合教学模式学生对知识的记忆和应用要强于之前用传统教学模式的学生。

总结：通过连续对两届学生运用混合教学模式，通过跟踪学生在授课过程中表现，发现学生对电路理论知识水平和实际应用电路的水平明显提高。这种教学方法让老师从以前讲授知识的角色转换为一个积极引导者的角色，从而极大的调动了学生的积极性，充分激发学生分析问题、解决问题的能力，提高了实际应用电路的能力。