电路课程教学方法创新与改革

李金灿

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

电路课程教学方法创新与改革

李金灿

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

针对高校电路课程内容较难的特点，本文提出了对比教学法、归纳教学法、深化教学法和CAD辅助教学法4种优秀的教学方法.通过实例分析，方法具有多样性、代表性，能大大提高教学效率，促进学生对电路课程的整体理解.

对比教学法；归纳教学法；深化教学法；CAD辅助教学法

1 引言

电路课程是高等学校电类专业一门重要的专业基础课，其特点是理论性强，涉及面广，是后续专业课程的基础.课程主要介绍了直流电流和交流电路两大电路的理论、定理使用、分析方法.由于内容多，学生普遍感觉学习很吃力.尤其是交流电路部分，部门学生干脆就直接放弃.所以对授课教师而言，就得想方设法创新授课方法，使学生在有限的课时内吸收并消化讲授的知识点.

2 教学方法创新

一些优秀的电路教学方法在很多文献中出现.本文主要根据作者本人多年的教学经验，介绍4种教学法.

2.1 对比教学法

对比教学法是指在给出的几种解题方法中进行对比，使学生能直观的选择最优的方法.下面以三种电路分析方法进行求解电路中各支流，电路如图1所示，电路的支路数b=5，结点数n=3，网孔数m=3.

图1 电路模型

2.1.1 采用支路电流法

支路电流法是以各支路的电流为未知量，根据基尔霍夫定律列出n-1条KCL方程和b-(n-1)条KVL方程，然后联立方程组求解支路电流.首先将电路用有向图表示，如图2所示.

图2 支路电流法有向图

图3 网孔电流法有向图

图4 节点电压法有向图

根据电路的支路数和结点数，应列出2条KCL方程和3条KVL方程.选择结点1，2和如图3个回路列方程，如下：

由于方程组中有5条方程，用手工计算过于复杂，一般将其写成矩阵形式，再通过软件Matlab进行求解.但从中可以看出，支路电流法列写方程很方便，但支路数较多时，不利于计算.

2.1.2 采用网孔电流法

如图3所示，网孔电流法是以一假想的网孔电流作为未知量，列出与网孔数m相同的b-(n-1)条KVL方程，求解出网孔电流后，再以其求电路其它参数.网孔电流法有一般通式，只需根据电路参数即可快速列出方程.

方程组只有3条方程，可以较快的算出Im1、Im2和Im3，再利用I1=Im1，I2=Im2-Im1，I3=Im3-Im2，I4=Im2，I5=Im3之间的关系求出各支路电流.

2.1.3 采用结点电压法

结点电压法是以结点电压作为未知量，列出n-1条KCL方程，求解出结点电压，再以其求电路其它参数.使用结点电压法需先设定一个零电位参考点，如图4所示，将结点3设为参考点，再根据2结点的一般通式，列出方程组.

方程组只有2条方程，可以非常快捷的计算出2结点电压，再根据之间的关系求解出各支路电流.

从以上三种方法可以看出，随着分析方法的不同，复杂的方程组变得越来越简单.学生一般在学完这几种方法后，碰到实际例子，若不给定使用哪一种分析方法，往往会无从下手.所以教师应该小结这几种方法的特点、使用场合.再通过这种实例的不同解法，层层递进，让学生在深化各种分析方法的同时，也可以在对比过程中学会选择最优的分析方法来求解不同结构的电路.

2.2 归纳教学法

很多教师在讲授戴维宁定理和诺顿定理时，往往只重点讲解戴维宁定理，因为觉得诺顿定理有些重复，讲完后反倒使学生对2个定理的认识模糊了.其实教师只要对两定理琢磨透，再进行归纳，通过框图的形式可以向学生展示一个清晰且简单的分析过程，如图5所示.

图5 戴维宁定理和诺顿定理分析框图

含源一端口等效为实际电压源模型的过程为戴维宁定理的应用，等效为实际电流源模型的过程则为诺顿定理的应用.从框图可以看出，使用两定理进行分析电路主要是根据含源一端口求出3个参数：开路电压Uoc、短路电流Isc和输入电阻Req.之后再进行定理的证明，及例题的讲解，可以使学生快速掌握2个定理的使用方法.

2.3 深化教学法

一阶动态电路的各种响应可以用“三要素法”方便快捷求解，但二阶电路的高阶微分方程却一般使用经典的时域分析法来求解.其过程一般要经过列写特征方程，求特征根，定常数等一系列较为繁锁的步骤才能完成.

如图6所示电路，t=0时开关S由1打向2，假设开关S动作前电路已进入稳态，求t>0后电容电压的变化规律.

图6 二阶电路模型

初始条件：uc(0+)=uc(0-)=4V，iL(0+)=iL(0-)=0.

t>0时，列出其二阶微分方程：

通过特征方程：p2+2p+5=0，求出特征根为：

代入初始条件件可求得

若采用拉普拉斯法，则先将电路等效为运算电路模型，如图7所示：

图7 运算电路模型

列出其回路方程：

使用部分分式展开法可得时域表达式：

从以上2种求解方法对比可以看出，采用拉普拉斯变换法求解高阶微分方程有很大的优势，大大减少了计算量.

2.4 CAD辅助教学法

在讲授动态电路的过渡过程，一般在理论课堂上可以通过数学方法推导出其变化规律，但在实验室却难以实现.因过渡过程很短，实验室中的模拟示波器难以捕捉其变化波形.为完成教学实验任务，可借助电子线路设计、仿真软件Multisim来实现.Multisim是一款优秀的电子仿真软件，其操作界面精新，元器件、仪器仪表一目了然，连接方便，与实际电路实验箱的操作非常相似，入门快.

图8 一阶RC动态仿真电路

通过Multisim快速搭建出一阶RC动态仿真电路，如图8所示.

使用软件内置的双踪示波器，适当设置电路仿真参数和示波器的扫描参数，可以很容易得到一阶RC电路的零输入响应、零状态响应和全响应仿真波形，如图9所示，与书本分析的结果是一致的.学生通过仿真实验，可以加深对三种动态过程的认识.

图9 响应仿真波形

3 结论

虽然电路课程的定理、分析方法种类繁多，但它们之间存在很多的联系.教师应该在教学中不断积累经验，总结出能提高授课效率的教学方法.文中提出的4种教学方法经过多年的教学验证，已取得很好的教学效果，可以大力推广使用.

〔1〕邱关源.电路(第5版)[M].北京:高等教育出版社, 2006.

〔2〕谢妍,廖艳娥.“电路”课程教学的改革探索[J].中国电力教育，2014(08):71-72.

〔3〕马小三,章家岩,李绍铭,王彦.电路课程教学改革研究[J].安徽工业大学学报(社会科学版)，2011，28(02):113-114.

〔4〕刘敏华,贾仙宇.“电路分析基础”课程教学方法探析[J].电气电子教学学报，2009，31(01):90-91.

〔5〕陈攀峰,刘骁.Multisim仿真软件在电路实验教学中的应用[J].中国电力教育，2006(s4):351-354.

O441.1;G642

A

1673-260X（2016）11-0010-03

2016-07-17