横向关联教学在“电路分析”课程中的应用

张 岭，张 勇，刘金宁，谷志锋，叶秀羲

（1.军械工程学院车辆与电气工程系，石家庄050003；2.军械工程学院军械技术研究所，石家庄050000）

通过对军内外院校调研，国内目前在“电路分析”课程教学中的改革与实践主要着重于以下几个方面：

（1）基本知识点讲授技巧和方法的推敲[1]；

（2）计算机仿真技术在教学中的应用和研究型教学实验[2-3]；

（3）从课程体系间的相互关联入手，把“电路”与“电子技术”或其他课程以模块方式组合成一门课程[4]。

按新型军队院校体系教学要求，一方面，“电路分析”课程授课时数较大幅度被压缩，而与此同时，电路理论的迅猛发展导致各专业对电路知识的需求却在增大；另一方面，如何处理好电路类课程与现代先进技术和新方法发展之间的对接和协调也是亟需解决的问题。利用传统的“电路分析”课程体系，甚至模块式课程体系无法满足军事斗争转型对人才知识能力、素质的要求。

本文提出横向关联教学法，灵活运用“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”的教研相长规律，使教员的施教能力、科研水平自我升级，打造能力复合、经历复合、专业复合的教学团队；使学员在探究中获得知识，在学习中获得乐趣，在成功中体会喜悦。

1 横向关联教学的概念

从哲学普遍联系的观点出发，针对专业基础课承担着基础课与专业课之间的桥梁纽带作用特点，教学内容存在系统性、理论性强的基础课共性，同时还具有实践性、工程性强的专业课特征，提出实施横向关联教学。

横向关联教学指的是：在教学内容上，打破传统课程教学内容设置单一独立的特点，从学科课程间的关联特性出发构建学员的知识体系；在教学方法上，将传统的注重知识内容的顺序教学方式与注重知识关系的知识结构教学方式相结合；在教学实施上，理论教学与前继课程关联培养学员的思辨能力，工程应用与后续课程关联培养学员的专业素养。

教员作为关联教学的实施者，运用“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”教研相长的基本规律，施教能力、科研水平得到自我升级；学员作为关联教学的参与者，巩固已学知识，接触学科前沿，培养了灵活运用所学知识解决问题的能力。

2 横向关联教学与教员能力自我升级体系之间的关系

教员是军队院校转型的主体和重要动力，教员的积极参与是实现军队院校转型目标的关键环节。从如图1所示的教与学涉及的对象关系可以看出，教员能力的大小是整个关系网辐射面大小的关键，是承上启下的中间力量，为此需要教员能力进行自我升级。

教育类型、层次不同，对教员能力素质的要求也不尽相同，必须结合院校训练任务，有针对性地加强教员教学能力建设，打造“能力复合、经历复合、专业复合”的教员队伍，从学和考两个方面形成一个完整且封闭的教员能力升级体系，该体系运行主要侧重于以下几个方面：①建立相关专业的长效培训机制并落实；②根据教学安排进行有针对性的定期学习和交流；③通过参加科研项目提高自身认识；④通过参加维修活动丰富自身实践经验。

该体系有效运行使得“电路教学组”建设成为了一支既精基础，又擅科研的教学团队，为横向关联教学的实施创造了条件，打下了坚实的基础。

图1 教与学涉及对象关系Fig.1 Relationship between teaching and studying

3 教学科研相长在“电路分析”课程横向关联教学中的应用

随着电子技术的迅猛发展，“电路分析”课程的教学内容不断丰富，对教学的要求也越来越高。教研人员一方面应结合自身实际，提炼“电路分析”课程与本人所授专业课相关知识点进行“横向关联”整合[5]，积极开展科技创新研究，发表见解独到的科研学术论文，为教学水平提升积累素材；另一方面要适时地将教学、科研成果全面反映在“电路分析”课程的教学内容、方法、手段以及实验技能等方面，对学术成果进行教学实践，向教学能力转化，将新理论、新技术、新方法运用到课堂中去，以弱电专业（信息处理、集成电路、自动化等）为主来构造“电气工程及其自动化”专业课程体系。

3.1 设计式教学法

设计式教学法可以看作是一项以学习目标为准则基于项目的活动，教员给学员提出挑战任务发散学员思维，将各科知识进行整合，回忆利用已学的知识，设计能反映主题的项目，再通过新学的知识，重新加以修改和设计，这是一个迭代的过程，学员能够获得用在各个研究领域以及日常生活中的知识和社会技能。“电路分析”课程是一门理论课，因此在采用设计教学法时一方面要根据电路课程的特点注重理论知识的应用，另一方面要注重与后续实践课程整合。

3.2 新型数控元器件原理及应用仿真

随着集成电路工艺技术的发展，数字电路的应用已逐步超过模拟电路的应用，对数字电路的基本概念和基本分析方法在“电路分析”课程中应有所涉及。以新型数控电位器、数控电容器和数控电感器为例开展与传统电位器、电容器和电感器的对比教学，并把教员在此方面取得的创新成果引入课堂，说明其在科学研究中的应用优势，对数控电位器在可变增益放大器中的应用和数控电感的仿真实现进行设计式教学。

3.2.1 新型数控电位器原理及应用仿真

数字电位器亦称为数控可编程电阻器（digital controller potentiometer，DCP）。在“电路分析”课程讲授电阻元件基本性质的过程中，可以基于Proteus软件建立的动态电压恢复器同步基准正弦电路[6，7]中的增益调节器电阻值做在线调整与采用固定电阻值时的反馈电压作对比分析，观察实时反映电能质量的改善情况，使学员对数控电阻在改善电能质量方面的优势有一个更加直观、深刻的认识。

针对数控电位器在可变增益放大器中的应用展开设计式教学：传统的反馈电压信号由机械电位器分压获得，不能够满足电能质量电压波动和谐波变化的要求。采用数控方式调节电阻值的数字电位器带总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。实现了“把模拟器件放到总线上”的全新设计理念。AD5241是带有IIC总线接口的256位10k，100k，1M数字电位器，利用8位串行A/D芯片ADC0831设计单路电压信号检测电路，并将电压检测结果转换成8位数字量，通过数字量控制电阻阻值的变化，实现了动态电压恢复器同步基准正弦电路中反馈电路的电阻变化实时反应电压变化的要求。实现电路如图2所示。

图2 可变增益放大器Fig.2 Variable gain amplifier

3.2.2 新型数控电感器原理及应用仿真

使用高增益集成运算放大器组成回转器，实现从数控电容[8]到数控电感的映射，制作数控电感，原理框图如图3所示。

图3 数控电感设计原理框图Fig.3 Programmable inductor scheme

数控电感工作原理：将电网电压的采样信号输入到电压过零检测电路，当检测到电网电压过零点时在其输出端产生高电平，单片机检测到该高电平信号后开始执行定时中断程序控制数控电容按照预设规律进行调整，数控电容作为回转器负载，回转器将电容映射为电感，电感值跟随电容值的变化而变化，从而实现了电感值的在线可调[9]。

引导学员开展以下几个方面的思考，设计数控电感：

（1）回转器仿真设计：通过回转器的阻抗逆转特性实现电容到电感的映射；

（2）通过继电器阵列完成数控电容值的改变；

（3）数控电感仿真设计实现：在以上仿真设计实现的基础上，形成数控电感电路，并仿真运行，观察仿真结果。

数控电感设计原理如图4所示。

图4 数控电感设计原理Fig.4 Programmable inductor schematic diagram

“数控电感仿真设计实现”已经作为本科学员的毕业设计论文题目，开展研究并获得了预期的结果，被评为该期学员的优秀本科毕业论文。

3.3 实施效果

将上述教学方式运用于课堂教学实践后，在“电路分析”课程中，学员普遍反映学习兴趣提高，知识的综合运用能力得到了提升，学习成绩较以往取得了很大进步；据“数字电路”课程授课教员反馈，学员的知识水平和能力较以往有了很大进步，该课程的教学效率与教学质量有较大提高，教员能抽出更多的学时用于介绍本领域里出现的新成果、新技术与新方法。

4 实施情况和效果分析

4.1 实施情况

在“电路分析”课程标准改革上，按新型军队院校体系教学要求，本着“基础、实用、突出课程体系间的联系”的原则，优化“电路分析”课程教学内容，提炼该课程与其他专业课程的横向关联教学知识点；在“电路分析”课程教学内容改革上，重点考虑了不同专业特点与装备背景，针对其对电路理论知识需求的不同侧重点，展开横向关联教学。注重引入后续专业知识的技术特点，并增加基础理论与实际应用的结合，引入与电路有关的最新科技进步成果，补充与更新课程内容[10，11]；在“电路分析”课程教学方法改革上，从学科发展角度出发，一改以往单一的教学模式，遵循愉快教学的宗旨，针对不同的内容和理论综合采用启发式教学方法、问题式教学方法和设计式教学方法来提高学员学习效果。同时在授课过程中引入了Proteus，PSCAD/EMTDC，Matlab/Simulink等仿真软件。

2010—2011学年，课题组成员分别主讲了09级电类（电子工程专业、光信息科学与技术专业等）、09级非电类专业（机械工程及其自动化专业、弹药专业、管理工程专业、装备保障指挥专业等）以及10级电类专业（电力系统及其自动化、电气系统及其自动化等）共计20余批次的“电路”课程，在授课过程中，将与“电路分析”教学横向关联有关的课程10余门（“高等数学”、“大学物理”、“信号与系统”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“电机学”、“电能质量分析”、“内燃机电站构造”、“电力系统自动化”、“电力系统分析”等）中的横向关联教学知识点20多个（动态电路的时域分析和拉普拉斯变换分析，零输入响应和零状态响应的概念，网络函数，频率响应的概念，运算放大器电路，谐振电路，三相电路，功率因数及提高，无功功率的概念，互感与变压器电路等）充分应用于教学实践。

4.2 效果分析

实践证明，关联教学有助于学员灵活运用所学知识分析、解决问题，有利于教员施教能力、科研水平自我提升。

1）横向关联教学在“电路分析”课程教学中具优越性

（1）解决了学时缩减和需求增大的矛盾。

通过实施横向关联教学，学员做到了触类旁通、举一反三，提高了教学效率，满足了部队院校教学改革形式下“电路分析”课程课时缩减，而电路知识需求增大的要求。

（2）变教给学员知识为教给学员方法，提高了学员创新能力。

实现了从单一传授知识向综合能力培养转变，从重教轻学向以教员为主导以学员为主体转变；充分利用计算机技术为教学服务；积极推行了研究型教学、启发式教学和学员自主学习、协作学习相结合等先进的教学方式。

（3）解决了旧有知识与现代先进技术和新方法之间的对接和协调问题。

引入了“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”的教改新思路，将科研成果引入课堂，反映最新科技动态，补充与更新了“电路分析”课程内容；培养了学员关注新技术的良好习惯，使学员在今后工作中具有自我发展、自我更新的能力，保持积极创新的精神。

2）实施横向关联教学，学员完成三个方面转变

（1）思想上的转变。从过去的“要我学”转变为“我要学”，充分发挥自己的主观能动性，拓宽知识面；

（2）学习方法上的转变。从过去的被动接受教员的知识灌输、应付作业以及应付考试转变为学习提出问题、分析问题、解决问题的方式和方法；

（3）学习目的的转变。从过去应付考试挣学分的目的转变到怎样更好的掌握真才实学，怎样更好的为后续课程打基础上来。

3）教员作为横向关联教学的实施者，有针对性地选择学习目标，实现了自我充实、自我提高、自我发展和自我完善。教员的施教能力和科研水平得到了显著提升，成功打造了一支“能力复合、经历复合、专业复合”的教员队伍，实现了教员能力的自我升级。

目前，教研室教员正在以“电路分析”课程的横向关联教学研究取得的经验和方法展开研讨，并推广到其他课程中去，积极推广“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”的教改思路，一方面积极进行教员能力自我升级，另一方面大幅提升教学授课质量，使得学员学有所获，体会学习的乐趣。

5 结语

在“电路分析”课程中实施横向关联教学法后，适应了新型军队院校体系教学要求，满足了人才培养的需要，对培养专业基础扎实、知识面宽、工程实践能力强、具有创新意识和创新能力的综合型科技人才的途径进行了深入、有效探索，实现了人才培养过程的总体优化。

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