问题驱动法和虚拟仿真教学在电路课程中的应用*——线上线下混合式教学

余 群，郑艳华，李 丽

（1.广州大学电子与通信工程学院，广东 广州 510006；2.广州大学物理与材料科学学院,广东 广州 510006）

1 概述

电路课程是工科院校电类专业开设的第一门专业基础课，它的学习效果会直接影响到学生学习后续专业课程，以及学生培养专业学习的习惯。目前，在电路教学过程中存在的主要问题大致如下几个方面：

1.1 教学目标执行不到位

电路课程的教学目标是要求学生掌握电路理论的基础知识和电路分析的基本方法，培养学生具备一定的分析和设计实际电路的能力。然而在实际的教学过程中，因为教学内容不变，教学学时减少，教学要求增加，教学模式多选择快捷的单向灌输方式，它偏理论讲解和结论再现，理论与实践联系不紧，导致学生参与教学的热情度不高。

1.2 学生自主学习的学习习惯还没有养成

电路课程的开设时间为大学一年级下学期，这个时间段刚好是学生处在高中学习习惯还在，大学学习习惯还没有养成的时刻，学生学习依然依赖老师，基本上是围绕着老师要求走，缺乏自我控制能力，没有养成自主学习的好习惯，在学习的过程中遇到难题，不主动排解，累积过多，导致对课程学习逐渐失去了兴趣。

1.3 教学方式不完善

目前课堂教学模式还是以教师为中心的单向传播形式，教学的过程基本都是原理讲解—定性分析—定量计算—例题讲解—结论验证，这种模式下，学生被动地学习，加上学生缺乏对电路的客观认识，生硬的理论知识学生无法接受，更难以吸收，这些从某些方面来说抑制了学生解决问题的积极性和灵活性。

基于以上的问题，主要从兴趣的产生和内容抽象感的降低或难题的提示着手进行改善。

2 课前的问题驱动

兴趣是学习的第一动力，只要有了兴趣，再难的问题都不是问题了，所以在课前，我们采用问题驱动的形式。问题驱动不管对中学生还是对大学生，理论课还是实践课的教学都行之有效[1-3]，从实际生活入手，从学生熟悉的内容着手，设置与知识点相关的问题，在课前发给学生，让他们带着问题先在线上进行学习，学习效果再通过习题来检测，如果检测通过，学生有成就感，学习劲头更足，如果检测不如意，带着问题到课堂来，学习专注度得以提高。例如在讲授“电阻电路的一般分析方法”这个知识点前[4]，整理了几个问题：（1）对于仅由一个电源和一个电阻组成的电路，如果要求解该电阻上的电流或电压时，可以采用什么方法？（2）如果电路是由多个电源和多个电阻组成，如果要求解某个电阻上的电流或电压时，又该采用什么方法？（3）如果电路更复杂些，如图1 所示，如何求解？再有相同的元件，不同的联系方式，如果要求解某个电阻上的电流或电压时，方法是否是唯一的？有没有规律可循？对于问题（1），大多数学生本能反应是欧姆定律；对于问题（2），就要在欧姆定律的基础上辅以基尔霍夫定律、电阻串并联分压分流公式才行，这些知识点都是同学们中学就学过的，用来解答问题，难度不大，但对于问题（3），电路也许是结点少，也许是支路少，还可能是回路少，这样子就要区分情况来对待，这正是“电阻电路的一般分析方法”这个知识点准备讲述的内容。有了问题做铺垫，同学们的思路自然而然就聚焦在一起了的，课前可以在网站上自主学习知识。

图1 问题（3）电路图

3 课堂教学

3.1 理论讲授

以讲授“电阻电路的一般分析方法”这个新知识点为例进行阐述。基于同学们已在课前自主学习，对新知识有了一定的了解，所以在课堂上不再细说新知识的推导过程，而是对新知识的要点和难点做个归纳总结，把平铺的内容加以优化组合[5]，更利于同学们进行比较式的学习。“电阻电路的一般分析方法”这个知识点主要是要求同学们熟练掌握电路方程的四种列写方法，如图2 所示。这四种方法的列写步骤或标准式的罗列可参考文献[5]，并针对问题（3）和图3 所示的小结（1）给出了明确的回答，具体问题具体分析，不能一概而论。针对难点，图4 给出了含有受控源的电路如何进行方程的列写。

图2 新知识讲解的要点汇总

图3 小结（1）

图4 小结（2）

3.2 例题讲解和仿真分析

以图1 为例进行不同方法的求解以及仿真对比。把仿真技术融入教学或实验当中，可把抽象内容具体化，形象化，更利于学生的学习[6-8]。对图1 进行求解前，先在MULTISIM 中进行仿真，如图5 所示，得到答案，以供进行理论求解时心中有数，以核查理论求解的正确与否。

图5 所示电路图的仿真结果

（1）采用支路电流法列方程求解。题解的电路图如图6 所示，由图6 可直接看出第二条支路电流I2=10A，所列的支路电流方程如式1）所示。

图6 支路电流法

求解式1），可求出别的支路电流为：I1=-3.33A,I3=-13.33A,I4=-6.67A，与仿真结果相符。

（2）采用网孔电流法来进行求解。题解的电路图如图7 所示，所列的网孔电流方程如式2）所示。

图7 网孔电流法

据式2）所求得的网孔电流可求得支路电流为：

I4=i3=-6.67A，与仿真结果相符。

（3）采用回路电流法来进行求解。题解的电路如图8 所示，所列的回路电流方程如式3）所示。

图8 回路电流法

据式3）所求得的回路电流可求支路电流为：

I4=i4=-6.67A，与仿真结果相符。

由（2），（3）两步的求解过程验证了理论讲解的知识点，网孔电流法和回路电流法相类似，但通过选择合适的回路，可以列更少的方程进行求解。

（4）采用结点电压法来进行求解。题解的电路如图9 所示，以结点②为参考结点，结点电压方程及所求的结点电压如式4）所示。

图9 结点电压法

据式4）所求得的结点电压可求支路电流为：

通过以上4 种方法的对比，对于同一个电路图，求解时先看看电路的支路数，结点数和网孔数，再选择采用哪种方法，具体问题具体分析。

4 结论

在电路的教学当中，可以根据学生的实际情况，选择全是线下教学，或线上线下混合式教学，在教学的过程中，融入问题式引导和虚拟仿真技术，以问题引起学生的学习兴趣，以虚拟技术辅助学生缩短抽象内容和实践内容的差距，或者在某些问题难以求解时，可以先行仿真给予提示，两相结合可以使教学效果得以改善，大大提高教学效率，但驱动问题的修订及虚拟技术的使用还有待深化。