基于知识进化的“电工学”课程教学模式

刘海春, 翁晓光

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)

基于知识进化的“电工学”课程教学模式

刘海春, 翁晓光

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)

在“电工学”课程的教学过程中，提出一种新的基于知识进化的教学模式，即启发学生以探索的角度去思考分析，对定理的推导、电路的设计进行底层还原，使学生理解相关知识内容的内在关联，变被动学习为主动探究，在学习的过程中体会学科知识进化的乐趣。实践表明，这种知识进化的教学模式可以有效地提升学生的创新意识及学习兴趣，增强学生的学习体验。

进化;底层还原;探究

0 引言

在启发式教学过程中，教师通过设置问题情境，以启发学生的思维为核心，调动学生的学习积极性，充分体现“教师主导，学生主体”的角色关系[1]。这种教学模式对于一般层次的学生群体能起到良好的教学效果，但对于拔尖的学生，这种仍以学习为目标的教学模式显然难以满足其学习要求，不利于优秀人才的培养[2，3]。

本文提出一种基于知识进化的教学模式，将学生从“学习主体”转变为“探究者”，一切从未知开始，引导学生与教师一起对课程知识内容进行深度挖掘剖析，对相关概念、定理、电路进行底层还原，让学生理解一个个知识点的渊源及其成长历程从而感受知识进化的过程。这种教学模式对学生的学习体验产生了颠覆性的影响，这也是高层次教学的发展方向。

本文以“分压式偏置放大电路”和“单相全波整流电路”为例，对这种教学模式进行探索实践，力图全面反映这种教学模式的教学思路及方法，包括电路的演变、改进设计等，为课程的研究性教学改革提供借鉴和参考[4]。

1 分压式偏置放大电路

固定偏置放大电路的静态工作点Q容易受温度影响而上下移动。如何改进电路使集电极电流IC实现自动调节呢？可以作以下引导：

(1)根据IC=βIB，由于β受温度的影响不可避免，致使IC也受温度的影响。能否设计电路使IB作逆向的变化来抵消这种影响呢？

(2)根据三极管的输入曲线，很小的UBE变化便会导致IB较大的变化，控制效果明显。因此，可以设计电路实现在IC变化的时候促使UBE作反向的变化；

(3)在图1(a)的固定偏置电路中，IC的变化会导致IE的变化，如果在发射极和地之间增加一个电阻，如图1(b)，则该电阻上的压降将对UBE产生逆向的调节作用。

在图1(b)中，有

IBRB+UBE+IERE=UCC

(1)

但由于IBRB数值较大，这种调节作用对UBE的影响有限，因此可进一步设计使

UBE+IERE=U

(2)

式中U为一常数，在图1(b)中也即为三极管基极的电位值，由此可以自然而然地引出分压式偏置电路，如图1(c)。

(a) (b) (c)图1 分压式偏置放大电路直流通路设计

较之于传统的“开门见山”式的教学，这种基于元件级的电路设计考虑及其演变过程将带给学生一种全新的学习体验。

2 单相全波整流电路

首先从最基本的单相整流电路的设计出发进行设问启发。

2.1 单相半波整流电路

整流是将交变电压转换成单极性电压，考虑到二极管的单向导电性，学生很容易理解单相半波整流电路的模型，如图2所示。

图2 单相半波整流电路

显而易见，图2电路只能实现对交流电50%的利用率，因此需要对电路结构进行改进设计。

2.2 单相全波整流电路

图2只能输出交流正半周电压，为实现对负半周电压的利用，联系到此前所学的对称互补功率放大电路的工作原理，可作以下引导：

(1)可以增加一个参数完全一致的副边绕组电路以输出负半周电压，如图3(a)，需要注意的是二极管D2其位置朝向与D1相反，且两个副边绕组必须标注同名端以保证其输出电压极性的一致性；

(2)在图3(a)中，将二极管D2在回路中移动至最下方，并不会对电路的工作特性产生任何影响，如图3(b)所示；此时，副边绕组的D1回路，只在交流电压u2正半周工作，而D2回路只在其负半周工作。

(3)当u2处于负半周时，图3(b)中uo1的实际极性即如图上所示，为使uo在u2负半周期间仍能和正半周期间那样，维持直流输出并保持上“+”下“-”的极性，可将D与A相连接，C与B相连接，如图3(c)所示；

(4)在图3(c)中，电阻R已没有存在的必要，可将其删除，如图3(d)所示；

(5)将图3(d)整理可得到如图3(e)所示的单相全波整流电路。

可以看到，通过上述引导，不仅可以让学生完整地领略到电路的设计演变过程，更为重要的是，能使学生真切地感受到了电路设计的基本思想：

(1)电路等效。如图3(a)中D2位置的变化对电路工作不造成任何影响；再如图3(c)中R支路的处理，由于D1回路和D2回路，一个在u2正半周工作， 一个在u2负半周工作，不会同时工作。所以将C与B、D与A相连接不会影响R的工作，同理将R删除也不会影响RL的工作；

(2)问题导向。在电路设计的过程中，必须时刻以问题为导向。任何一个元件的引入或删除，都是以此为前提，如图1中RE、RB2的引入等；

(3)循序渐进。任何一个复杂的电路都不是一蹴而就的，都是从最简单的电路开始改进优化，这是一个循序渐进的进化过程。只要把握好设计目标，对电路元件、信号进行细致、周密地分析，就能设计出符合预期的电路。

(a) (b)

(c) (d)

(e)图3 单相全波整流电路的演变过程

这种基于元件级的电路知识进化教学，颠覆了传统的教学思路，极大地调动了学生的学习热情，激发了其创造力，使其对电路结构有了更深刻的认识和理解。通过这样的教学设计，学生真切地感受到了探索未知的乐趣，在潜移默化中其创新意识得到了极大的提升。

2 操作要点

基于知识进化的教学模式强调对未知领域的探索研究。为实现这一点，首先要求教师对课程知识、内容体系有着非常深刻的认知，要理解各个知识点的内在关联，并娴熟地掌握研究性教学的授课技巧，能清晰地指引学生探索的方向。其次，这种教学模式也要求高质量的课件配合教师教学思路的顺利铺展，特别应体现知识解构的层次性。如在实际课堂上，在讲解电路的设计时，则应该一个个元件依次出现，而不是整页或整个电路图直接给出。

3 结语

本文提出了一种基于知识进化的教学模式，以“分压式偏置放大电路直流通路”和“单相全波整流电路”为例，对该教学模式进行了详细的阐述。实践表明，这种教学模式对于激发学生的创造力、提升学生的学习热情，有着明显的促进作用，值得推广。同时，该教学模式在2015年全国高校青年教师电工学教学比赛中也获得了同行专家的一致好评。

[1] 孙晖，张伯尧. “电工电子学”课程课堂教学方法探讨[J]. 南京:电气电子教学学报, 2015, 37(1):65-67.

[2] 江崇廓. 以教学为中心 培养高层次创新型人才[J]. 北京:中国高等教育, 2010, 33(2):45-47.

[3] 刘凤春，陈希有，牟宪民. “电工技术”课程工程教学案例设计实例[J]. 南京:电气电子教学学报, 2013, 35(1):25-27.

[4] 董尔令主编. 电子技术[M]. 北京: 科学出版社, 2006年8月

Knowledge Evolution Teaching Mode Applied in Electrotechnics Course

LIU Hai-chun, WENG Xiao-guang

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)

A novel teaching mode based on knowledge-evolution is proposed in the teaching process of Electrotechnics course, in which the students are encouraged to analyze problems from the view of discovering. Furthermore, the bottom reduction of laws and circuit in the teaching mode will enable students to understand the internal relationships of knowledge which leads to a transform from passive learning to active discovering for them. Therefore, the students will enjoy the fun of knowledge evolution in learning. The practice indicates that the evolution teaching mode has the advantages of sharply promoting students′ creativity and interest, as well as enhancing their learning experience.

evolution; bottom reduction; discovering

2016-03-21;

2016-07- 19

南京航空航天大学2015教改项目:“电工电子技术A视频公开课”

刘海春(1977-)，男，博士，讲师，主要从事电工课程教学及电能质量控制研究工作，E-mail：nuaalhc@nuaa.edu.cn

TM13

A

1008-0686(2017)01-0033-03