将美育融入电类本科实验教学与工程实践探究

摘"要：核物理学家钱学森先生说过：“科学家不是工匠，科学家的知识结构中应该有艺术，因为科学里面有美学。”因此，以电类本科生专业基础课“电路分析”为例，尝试将美育的教育理念与课程相融合，探索电类本科基础实验教学的方法。通过设计实验《二阶电路的时域仿真与实测分析》，借助比较完整的理论分析、实物测试验证、电路设计相结合的实验探索过程，达到学习研究、软件仿真、电路设计、结果分析、思考总结等目标。以此改变传统教学给人留下的枯燥、乏味的初始印象，增强学生对电类课程的学习兴趣，提升学生的实践能力、创新能力、跨学科交叉能力。

关键词：实验教学；大学美育；工程实践能力；实验案例；二阶电路

中图分类号：G420

大学教育需全面加强和推进学校美育，坚持以美育人、以文化人，提高学生审美和人文素养。当前电类本科生实践教学中存在着教学方法单一落后、教学内容枯燥、学生兴趣和动力不足等现象，亟须高等教育工作者在实验教学模式、方法、教学内容等方面进行探索与实践，以尝试将美育的教育理念与电类专业教学融合，引导学生从内心中感受美、发现美，发挥学生的创造力，提高学生的学习主动性［1］。

“电路分析”课程理论严密，对学生树立理论联系实际的科学观点和提高学生分析问题、解决问题的能力，都有重要的作用［2］。针对传统的“电路分析”课程中内容更新较快、学时有限等问题［3］，在指导学生和教学的过程中，教师团队结合学科国防军工特色和科研优势，将“CDIO”［4］理念引入课堂，与时俱进地进行了教学资源体系的建设，包括实行理论和实践环节教学改革［5］。此门课程作为电类专业本科一年级必修的专业基础课程，学生很难将理论和实践结合起来［6］。二阶RLC串联电路的暂态过程是电类本科生“电路分析”课程教学的难点［7］，这不仅是因为二阶系统在数学上需要经过复杂的高数公式推导，而学生于大学一年级时并未掌握牢固的数据基础，更是因为这个阶段的学生还未经过科学探究的训练。传统的实验研究二阶动态电路的目的为研究二阶动态电路响应的特点、观察二阶电路响应的三种变化曲线及其特点［8］。但二阶电路的理论和实际工程应用之间仍然相互独立，未形成完整的体系［9］，缺乏对学生的科学思维、创新精神和实验技能的培养。对高等教育工作者而言，如何指导本科生将理论与实际应用有效结合起来［10］，是实验案例设计的重要研究课题。

本实验设计正是在二阶电路响应的基础上，针对学生难以将电路参数与电路动态过程建立直观联系的问题，设计的基于二阶电路时域仿真与实测的探究实验。本设计采用线上线下混合式教学［11］，翻转式课堂［12］教学相结合的方式，采用易派EPIEWB302+口袋实验室［13］进行了二阶电路的实测，同时基于二阶电路原理设计音符发声电路。经过理论分析、实验仿真、实测验证、启发性思考环节，形成完整工程实践的闭环。

1"二阶电路响应基本原理

二阶RLC串联电路的暂态过程，在电路理论及高等数学都有很成熟的解法。自动控制原理在数学基础上引入阻尼系数和振荡系数的概念，可以简化二阶电路暂态响应的计算公式［14］。对于一个RLC串联电路，电路在过渡过程的性质由特征方程的特征根来决定。该特征根是二阶常系数齐次微分方程的解。

LCp2+RCp+1=0（1）

p1，2=-R2L±R2L2-1LC（2）

二阶常系数齐次微分方程的特征根分三种情况来分析：

R＞2LC，p1，2是两个不相等的负实根，电路过渡过程的性质是过阻尼非振荡过程；

R=2LC，p1，2是两个相等的负实根，电路过渡过程的性质是临界阻尼过程；

R＜2LC，p1，2是一对共轭复根，响应的电压、电流具有衰减振荡的特点，称为欠阻尼状态。响应为：

uc（t）=e-δt（K1cosωdt+K2sinωdt）=ke-δtcos（ωdt+φ）（3）

式中，

ωd=1LC-R2L2=ω02-δ2，δ=R2L，ω0=1LC（4）

δ是衰减系数，ωd是衰减振荡角频率，可以通过示波器观测电容电压的波形求得。RLC串联电路接至方波激励时，呈现衰减振荡暂态过程的波形如图1所示。

图1"RLC串联电路接至方波激励的衰减振荡的波形

相邻两个最大值的间距为振荡周期Td，Td在示波器上通过光标直接读出。振荡角频率求解为式（5）所示，衰减系数为式（6）所示。

ωd=2πfd=2πTd（5）

δ=1Tdlnh1h2（6）

2"仿真测试

用Multisim仿真工具绘出电路，电容的容值为0.1μF，电感值为47mH，电阻分别设为0Ω、300Ω、1370Ω、2500Ω，信号源为频率是50Hz、占空比50%、电压幅度为2V的方波。用瞬态分析法仿真电阻为不同取值时对二阶电路响应的影响，图2为仿真结果。表1为在欠阻尼振荡情况下测量振荡角频率ωd、衰减系数δ与理论计算值的比较。

当电阻值为0时，若电容有初始储能，电感与电容发生无阻尼谐振，电容电压将以谐振频率、以初始电压为振幅呈现等幅正弦变化。乐曲中不同的音符实质上是不同频率的波形信号，与扬声器相连接即可实现电声转换。选择一首乐谱，设计L和C的数值，最终使电脑输出该音符的声音。

3"工程测试

采用易派EPIEWB302+口袋实验室，如图3所示。RLC串联电路接入方波信号源参数，设定为：重复频率=50Hz，占空比=50%，电压幅度=2V。调节可变电阻R的值分别为0Ω、300Ω、1370Ω、2500Ω，通过虚拟仪器当中的示波器观测电容两端的电压响应的波形，记录在表2中。

通过实物测试发现，当R=0Ω时，理论上响应为无阻尼的情况在实际工程当中并不存在。究其原因，在理想化分析情况下，虽然电感线圈是作为一个纯电感元件进行分析，但是在实际工程中，电感线圈由绕组绕制而成，存在寄生电阻，并且电感和电容元件的实际值与理论值之间存在误差。

4"实验教改成果

本实验案例从2021年开始实施，目前已经有两届约320名学生完成了本次实验。实验考核包括五大方面：预习、学习二阶电路衰减系数，振荡频率的测量方法，音乐电路设计，启发性思考，实验报告（数据分析、结果处理、思考与总结）。实验学时为4学时，包括课内2学时、课外2学时。从学生完成实验的情况来看，绝大多数的学生能完成实验内容。其中有学生在实验过程中积极地思考与探索，通过设计电路参数，针对多首歌曲进行了电路设计。实验设置中的启发性思考问题为请同学简述自己所理解的电路之美，针对此问题，学生各抒己见，通过与本次实验的结合纷纷给出了自己独特的理解。

本实验设计正是在当前国家大力提倡发展大学生美育教育的背景下而进行的教育教学改革的探索，并获得了“第九届全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛”全国一等奖、北京信息科技大学首届“五育之星”教学设计大赛二等奖。

结语

通过课余与学生的座谈，学生普遍认为“电路分析”这门课程是最枯燥、最难懂的课程之一，大家普遍缺少对“电路分析”这门课程学习的热情与动力。归根到底是因为学生未感受到电路的魅力。本实验将二阶电路的仿真、实测、音乐电路设计结合，将美育植入学生的心中，使学生获得艺术与科技的深层理解，高瞻远瞩，能够达到使学生面向未来构建自己的知识结构和创新体系的目标。

参考文献：

［1］冯静.理工科大学美育模式与实践路径研究［D］.上海：华东理工大学，2023.

［2］杨玉照.“电路分析基础”课程思政教学探索与实践——“一体三教”模式培养学生正确的科学观［J］.教育教学论坛，2021（14）：4.

［3］薛玲.“互联网+”时代下慕课与思政教学融合的路径探析［J］.文化创新比较研究，2020（9）：2.

［4］韩桂英，李锡祚.CDIO视野下项目驱动的数字电路教学探索与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（1）：168170.

［5］李芳，付琳，谭玲玲，等.自主设计型电路分析线上仿真实验教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2023，42（07）：237241+256.

［6］胡仁杰，堵国樑，王凤华，等.电工电子实验教学基本标准的研究［J］.实验科学与技术，2016，14（4）：28+66.

［7］蒋小平，陈晓飞.基于二阶系统阶跃响应辨识传递函数的实验设计［J］.自动化技术与应用，2023，42（02）：1013.

［8］冯清娟.Multisim软件在二阶动态电路分析中的应用［J］.电脑知识与技术，2017，13（22）：245246.

［9］童静，周冬婉.Multisim仿真在耦合电感教学中的应用研究［J］.教育教学论坛，2018（47）：176177.

［10］祖强，刘加彬，孙岳明，等.大学本科实验教学方法改革初析［J］.实验科学与技术，2015，13（03）：8890.

［11］孙盾，李天健，邓高峰，等.“电路原理”线上线下混合式教学初探［J］.电气电子教学学报，2020，42（03）：9699.

［12］戴瑞婷，袁昊男.新工科背景下信息安全实践教学体系探索［J］.中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2020（11）：6062.

［13］张涛，王鸿鹏，包秀娟，等.基于口袋实验室的电子技术实验教学改革［J］.实验室科学，2023，26（05）：105109.

［14］李志平.二阶RLC电路响应与参数的关系及工程应用［J］.上海电力大学学报，2022，38（4）：322326.

项目来源：北京信息科技大学2022年度高教研究课题“CDIO”工程教育背景下电路分析双语课程改革问题研究（2022GJYB12）；2024年北京信息科技大学“青年骨干教师”支持计划（YBT202417）

作者简介：谭玲玲（1986—"），女，汉族，山东青岛人，博士，讲师，研究方向：有源网络综合、网络安全。