动态电路暂态过程的探究性教学

2014-08-23董圆圆

电气电子教学学报 2014年1期

黄辉，董圆圆

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044)

0 引言

“电路”课程是电子和信息类专业的重要技术基础课程，也是“模拟电子技术”和“电力电子学”等后续课程的理论基础。其中，动态电路的暂态分析帮助学生理解和掌握动态电路发生换路后电压电流的变化过程，是本课程的一个重要知识点。在这部分学习时，学生即便掌握了相关知识点之后也常有这样的疑惑:“为什么学习了一阶和二阶电路经典时域分析以后还要学习以拉普拉斯变换为基础的运算法”?“二者有什么区别联系”?“怎么理解运算法”?这说明如果课堂教学仅仅停留在以知识为中心和传授为主导的层面，学生对知识的结构仍然理解不深，学生的科学研究精神和创新能力更无法得到充分发挥。

探究性教学是美国芝加哥大学著名教育家施瓦布在20世纪中叶提出的一种教学方法。其核心是在教师指导下，学生主动地从学习生活和社会生活中选取与教学目的和教学内容有关联的问题和项目，用类似于科学研究的方式去获取知识、应用知识和解决问题的教学活动［1］。

鉴于此，我院“电路”课程组将探究性学习理念渗透于电路教学中，采用了以学科教学和课堂教学为基础的探究性教学模式，使课堂教学改革与探究性学习相互促进。具体地说，以动态电路的暂态分析作为主题和切入点，采取两点多线的方式，即是同一个问题(起点)，有同样的结论(终点)，不同的解决思路(线)，以多种方法解决同一个问题，以达到殊途同归，引导学生提高科学研究能力。

1 探索性教学指导思路

“电路”课程的动态电路暂态过程的分析与仿真探究性教学，可以分为三个阶段实施。

1)探究性的教与学—是以课堂教学为主渠道，分为两个方面:以教师为主体的探究性的教和以学生为主体的探究性的学。即我们结合动态电路暂态过程的分析内容，教师有意识地引导学生接受经典时域分析法和拉氏变换法，完成暂态过程分析的讲授;同时，以课后复习和练习为主，学生结合教师在课堂所授知识内容，课后复习、思考和交流，完成暂态过程分析的学习。

2)探究性的做—是以课外自学为主渠道，以学生为主体，结合国际上广泛应用的通用电路仿真软件PSpice，在教师的辅助下，由学生自主完成高阶电路暂态过程的仿真。

3)探究性的论—是以课堂交流为主渠道，以学生为主体。我们结合探究性的教、学和做的结果，学生展开课堂讨论，教师加以适当引导以及合理的归纳与总结。我们以科学方法为核心，注重学生在知识获取过程中的情感体验，激发学生思维的灵活性和创造性，从而最终达到全面提高教学质量。

2 探索性教学实施阶段

2.1 阶段一:探究性的教与学

这一阶段的第一个基本环节—以问题情景为先导，在结束“电路”的基础部分和稳态部分的教学之后、暂态部分的讲解之前，根据教学内容，我们设计了如下问题:

(1)考察图1中静止的小球在外力作用下从斜坡上滚下的过程(假设所有平面和斜面均光滑)。利用已有的物理知识，计算小球在整个过程中的速度变化情况，以及滚下斜面所需时间。

图1 小球受外力作用下滚下斜坡

以此问题引入，利用课程间知识点联系的关联教学原理，适时恰当地把新知识与已学习过的课程内容进行关联，引导学生列写小球速度满足的微分方程，进而求解［2］。

(2)考察图2中电流i(t)在开关动作前和动作很久以后的状态，与图1小球最初和最终的速度加以类比。目的是引导学生利用既有的稳态电路分析知识，求解两个稳态的情况。

图2 RL电路的暂态过程

(3)电流能否从0直接变化到Us/R?如果不能，则应该按照什么规律从0(稳态1)变化到Us/R(稳态2)的?耗时多少?

此问题是帮助学生理解:含有动态元件的电路，电流电压从一个稳态向另一个稳态变化需要一定时间，存在一个所谓的过渡过程。从而引出如图3所示的暂态概念，同时提出暂态分析中最受关注的两个问题:电流电压的变化规律、暂态过程的时长。

图3 RL电路的暂态过程

引导学生使用类比的方式，从以小球速度的微分方程入手求解小球滚动问题，联想到解决暂态问题的方法:寻找开关动作后电路中电流遵循的微分方程。

(4)如何列写开关动作后电路电流微分方程?

引导学生利用已学的KCL、KVL、VCR，列写出开关动作后电路中电流遵循的微分方程。

(5)如何求解开关动作后电路中电流遵循的微分方程?

引导学生利用先修“高等数学”课程关于微分方程的知识，求解此方程。

(6)能否将微分方程转化为代数方程求解?为拉普拉斯变换法求解暂态过程做好铺垫。

在讲授完经典时域法解决一阶与二阶电路的暂态过程之后，重新提起问题(6)，同时说明引出拉氏变换法的必要性。

(7)拉普拉斯变换法求解暂态过程与经典法相比，有什么优势?能克服经典时域法的什么弱点?

这一系列探究性小课题的呈现，有效地调动了学生的积极性，并随着问题探究的深入，把KCL、KVL、VCR和微分方程求解等知识和技能的学习，顺理成章地联系起来。相对于传统教学的在掌握后运用，这个过程则是在运用中掌握。在问题解决的过程中，不仅同时把知识的巩固、方法的运用与能力的提高有机地融合起来，更重要的是为学生提供更多的创造机会，让学生在创造中感受成功的体验，在成功中感受到学习的乐趣。

第二个基本环节——以合作讨论为主要活动形式，以被动答疑为活动辅助手段。在教学中，打破学生个体学习的常规，让学生组成若干合作小组自行研究上述问题。教师的职责是:参照目标，更好地监控小组的进展情况，及时纠偏或提醒学生是否需要调整目标。例如你能不能再补充一下?你能否再换个角度分析一下?你能解释为什么要采用这种方法?你是否还需要某方面的信息?

我们除了课堂教学的改变以外，每周设立一段专门的时间，随机抽取学生进行专门讨论和答疑。

2.2 阶段二 :探究性的做

这阶段是以课外自学为主渠道，以学生为主体，使用PSpice仿真高阶电路的暂态过程，完成仿真报告。一方面使学生在学习和熟悉通用电路仿真软件PSpice，掌握电路的计算机辅助分析方法，另一方面培养学生自主学习能力。

此阶段，教师下发PSpice简要介绍和使用教程，学生利用两周时间，通过自主学习、接受教师指导和学生交流演示等多途径、多方式的教学活动，最终掌握仿真软件PSpice的使用，同时完成对选定电路的暂态过程仿真。

2.3 阶段三:探究性的论

这最后一个阶段是以学生为主体，课堂交流为主渠道。通过开设“暂态电路学习交流”座谈及“PSpice应用交流”等专题讨论会，在课内和课外组织多种形式的交流和辅导活动，引导和指导学生进入实践环节，这也是多元化教学的一种体现。

此阶段主要是组织学生就专题进行相互交流，解决学习中的问题。请应届或往届优秀学生介绍自己在课程学习和仿真过程中的方法和经验，使所有学生都能顺利使用PSpice仿真高阶电路的暂态过程，完成仿真报告。此阶段实施前，要提前设计每次交流会的目的与内容;与主讲学生进行沟通，组织主讲内容，确保交流会主题;同时要求全体学生参加，自由完成学习、交流体会报告。

图4所示来自某学生的求解思路的报告，是其思考总结此部分内容的科学探索之路。

图4 动态电路的暂态过程求解思路

此阶段的目的是希望能促进学生相互学习、相互促进，真正做到学有所得;同时利用交流讨论的机会，使学生能对自己所完成的作品的质量有所评估，加以完善，起到一个反馈改进的作用。

3 学时安排和考核方式

我校“电路”课程理论教学学时为82学时，其中暂态部分为20学时，按照三个不同阶段学时安排比例为12:4:4。

阶段一的6学时用于教师引导学生完成问题(1)至(5)的探讨，同时也完成一阶电路和二阶电路的经典时域法知识点的学习;6学时用于拉普拉斯变换法知识点的教学，由问题(6)引入。阶段二以课外学时为主，可占用4学时用于交流演示。阶段三利用4学时的时间，为学生交流总结提供平台。

动态电路的暂态过程的整个教学活动作为学生不可或缺的学习环节，单独评价，以15%计入学生的总评成绩。由于对探究性教学的评价，要强调注重探究实践的过程，重在亲身参与以及获得的感悟和体验;重在知识技能的应用而不是知识的数量;重在全员参与而不是只关注少数尖子学生［3］。因此，对这部分的考核采取自评(40%)和师评(60%)两部分。自评在交流后进行，主要针对自己在交流会后所得和自查仿真报告进行评价。师评是由教师对学生的仿真报告、自评报告以及课堂教学、交流活动中表现加以评价。