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摘要:本文根据教学中存在的一些问题,介绍了“电路分析”课程教学中的体会和实施方法。实践证明,这些方法极大地促进了学员学习的积极性,在教学过程中有着很好的效果。
关键词:电路分析;IsSpice软件;模块化教学
作者简介:邢娅浪(1978-),女,陕西西安人,军械工程学院电气工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力电子教育;赵锦成(1962-),男,陕西西安人,军械工程学院电气工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:电气系统及其自动化。(河北 石家庄 050003)
“电路分析”是军械工程学院(以下简称“我院”)四年制本科专业人才培养方案中的一门学科专业基础必修课程,面向全院电类和非电类各专业授课,对电类和非电类专业知识都起着承上启下的作用。该课程的最大特点是实践性非常强,对培养学员的创新能力、工程意识起到了至关重要的作用。为了适应人才培养目标的要求,该课程从原来的90学时缩短为现在的70学时,因此该课程教学内容多课时少的矛盾就显得尤为突出起来。有的教员反映:一个劲地讲课还讲不完,根本没有时间去搞教学改革。于是越紧张越不想改革,越不改革越讲不完,形成了恶性循环。
其实问题就出在一部分教员对讲课的观念上,以为讲课就是“讲书”,书上有多少内容,教员就讲多少内容;以为教员讲多少内容,学员就学多少内容。这是“仓库论”的教学观。那么,怎样在教学过程中避免此类问题的发生呢?本文就“电路分析”教学过程中改革课堂教学的一些方法和体会进行阐述。
一、贯彻一条主线,梳理课程内容
“电路分析”这门课程内容繁杂,知识点多,而且很琐碎,学生普遍感觉难以把握。所以这门课程能不能讲好、学生能不能学好的关键,就在于是否能够归纳出课程的基本结构,找出课程的主线,以利于学生掌握。[1]
所谓基本结构是指课程的基本原理,即各种定理、方法、概念、定义之间相互关系的理论框架。学员一旦掌握了它,就能够处理许多看起来似乎生疏但实际密切相关的知识,有些新的知识只不过是“一个熟悉题目的变形”罢了。这样就通过迁移作用不断扩大和加深知识,完成学习任务,并且对所学知识有一个整体的认识。
对于这门课程而言,它主要研究了集总电路的分析方法,其基本结构可以用“一、二、三”来加以归纳。即:一个假设(集总假设),两类约束(KCL、KVL和元件VAR),三大基本方法(叠加、分解和变换域分析)。这三大部分各自连同有关的定义、概念、定理、方法、公式等内容形成课程的整体。在授课过程中应该以一个假设为前提,两类约束做依据,三大方法作为分析电路的基础,紧紧围绕着这样一条主线。这是整个课程内容的主干,有了这个主干,循着主干再去梳理分支内容,包括各分支的基本概念、定理和分析方法,这样就将整个零散的知识点进行了系统的提纲挈领的归纳,便于学员对整体内容的比较、归纳和总结。
对主线的理解和把握,可以让学生弄清楚所学的内容在基本结构中的脉络,知道在什么位置,它与前继、后续内容之间的联系,不仅有利于学习,而且有利于记忆。
讲授时必须给学员一个清晰的结构脉络,而不必顾虑少讲了哪些具体的内容和计算方法,因为前者才是学员今后进一步从事科学研究和分析解决实际问题所需的知识和能力。
二、引入现代分析手段——计算机仿真软件IsSpice
“电路分析”是电路理论的一个基础课程,经过一个世纪的发展,已经形成了完整的经典分析方法。就该课程而言,课程内容侧重于用数学方法描述和求解电路,教学时往往以分析简单电路为主,力求突出基本概念和基本方法。但是由于近代大规模及超大规模集成电路的发展,传统的分析手段已经很难完成复杂的分析计算。为了适应电路理论发展的要求,在教学内容上我们适当增加了现代电路的分析手段,引入了计算机仿真软件IsSpice。该软件是美国Intusoft公司开发的一款商业化软件,具有强大的可视化功能。对其应用体现在演示和验证两个方面。
演示:指的是对于一些不容易理解的电路输出特性,通过软件的可视化功能,得出直观的输出曲线,从而加深学生对性质的理解和对概念的掌握。对电路的演示主要应用于动态电路和正弦稳态电路中。比如对于二阶动态电路的响应形式,学生一般不容易搞清楚几种阻尼形式,我们可以通过软件上显示RLC电路的输出波形,根据电阻阻值不同引起响应形式改变的特点,实时改变电阻阻值,使得响应形式发生变化,进一步掌握过阻尼、欠阻尼和临界阻尼三种响应规律。再比如在正弦稳态电路功率和能量求解中,可以直观地查看R、L、C元件功率和能量波形,理解L、C元件在电路中不耗能只储能而R元件在电路中不储能只耗能的性质。
验证:指的是对求解的结果进行检验,主要是为了便于学员自学。比如说,根据我们所学的经典分析方法得出的结论到底是否正确,学员可以在软件上进行仿真。如果仿真结果与自己得到的结论不符,则可能是分析方法或者求解有误,应返回到原题中继续分析。此举可以激发学生学习的积极性和主动性,同时也为后续模电、数电等电类课程中对复杂电路的分析、设计打下良好的基础。
21世纪是信息时代,学员获取知识可以通过多种媒体和方式,而不再局限于课堂上。因而教员不能再有“以我为主”的思想,而应该多为学员提供各类学习资料(参考书、CAI课件等),并进一步创造一种学习环境(讨论、实验、电路分析软件的应用等),让学员成为学习的主体。
三、针对不同专业配置教学内容
“电路分析”课程是我院学员的必修课程。由于学员所学的专业不同,对教学内容所要求的侧重点就有所不同,而他们所用的是统一的教材,授课时只能按照电类和非电类两大类的教学大纲实施,难以兼顾不同专业的不同需求。因此,如何在有限的学时内保证课程自身知识结构体系完整,同时更好地适应众多专业不断变化发展的需求,使每个专业学员都能学到与本专业密切相关的知识,是我们面临的一个重要问题。[2]
针对上述问题,我们拟在教学中采用模块化教学方法。在保证基本知识结构完整性的同时,根据各个不同专业的需求,将课程体系结构进行整合,横向设置若干教学模块,作为知识平台的底层;同时根据各专业学科发展的需要,对不同专业优化相关内容,作为课程知识的扩展和延伸。使用时根据不同的专业需求,将所需的模块有机地联系起来组成一个统一的整体。这样一来,各模块间相对独立,当因技术发展需调整某一模块的课程设置时,不会影响其他模块。而同一模块内的知识注重系统性和连贯性,便于学员掌握。对于任一模块而言,其基础理论与实际应用均贯穿于该模块的教学全过程,并且与后续的专业课程相结合,使学生感受到“学以致用”,可以大大提高学习兴趣。这种体系结构不仅可以使课程紧跟科技发展,还可以根据不同专业对课程的不同要求进行灵活构架。
在授课时,教员只需根据不同的专业选用相应的模块体系即可。学员可以在有限的学时内掌握更多与本专业密切相关的电知识,使知识体系更具有针对性和应用性,为后续专业课程的学习打下良好的基础。[3]
通过以上教学方法和手段的应用,学生普遍反映课程听起来较清楚,学起来不费劲,在授课过程中取得了较好的效果。该项研究有利于教员对教材内容的全面理解和掌握,能较好地满足不同层次、不同专业学员的需要,便于网上教学和自学。同时,也便于教学内容的不断更新和改革,对提高教学质量具有重要意义。
四、以创新的眼光审视学科的发展
电路理论遵循的是“简单——复杂——简单”的发展、上升趋势。为了求解电路的响应,从用欧姆定律、基尔霍夫定律解算简单电路,发展到用网络参数、卷积和各种变换解算较为复杂的电路问题。如今大量的计算工作可由计算机代劳,使经典电路理论中的部分内容和方法的重要性有所下降,对不同层次的教学对象,完全可以进行有区别的删减。删繁就简正是体现了电路理论发展的规律。
进入近代电路理论后,可以用新的观点来处理经典的内容,达到推陈出新的效果,而不应将传统的东西全部束之高阁。可以用对偶的观点来讲述各种串联和并联的电路问题,达到事半功倍的效果;也可以用求解变量从多到少,再从少到多的辩证发展观点来讲述从全部的支路电压、支路电流做求解变量到支路电压、支路电流法求解方程,再到网孔分析法、节点分析法,达到将各种分析方法融会贯通的目的。还可以用二端网络起变换作用的观点来讲述二端网络的参数以及理想变压器、耦合电感等器件,达到树立学员创新意识的效果。[4]
总之,“电路分析”这门课程从教学内容上来看,表面上教学的难度不大,但是真正要取得良好的教学效果确实不易。这就促使我们更要深刻理解这门课的教学规律,进一步改进我们的教学方法,从而真正地教好这门课程,便于学员更好地学习。
参考文献:
[1]刘润华,任旭虎,单亦先.电子技术课程综合改革的研究与实践[J].电气电子教学学报,2001,(4).
[2]汪英.模块化教学法教材的组织与选择[J].成都教育学院学报,2003,(4).
[3]熊元新,刘涤尘.“电路”模块化教学探讨与实践[J].高等工程教育研究,1999,(S1).
[4]吴霞,潘岚.电路与电子技术实验系列课程教学改革[J].电气电子教学学报,2004,(6).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:电路分析;IsSpice软件;模块化教学
作者简介:邢娅浪(1978-),女,陕西西安人,军械工程学院电气工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力电子教育;赵锦成(1962-),男,陕西西安人,军械工程学院电气工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:电气系统及其自动化。(河北 石家庄 050003)
“电路分析”是军械工程学院(以下简称“我院”)四年制本科专业人才培养方案中的一门学科专业基础必修课程,面向全院电类和非电类各专业授课,对电类和非电类专业知识都起着承上启下的作用。该课程的最大特点是实践性非常强,对培养学员的创新能力、工程意识起到了至关重要的作用。为了适应人才培养目标的要求,该课程从原来的90学时缩短为现在的70学时,因此该课程教学内容多课时少的矛盾就显得尤为突出起来。有的教员反映:一个劲地讲课还讲不完,根本没有时间去搞教学改革。于是越紧张越不想改革,越不改革越讲不完,形成了恶性循环。
其实问题就出在一部分教员对讲课的观念上,以为讲课就是“讲书”,书上有多少内容,教员就讲多少内容;以为教员讲多少内容,学员就学多少内容。这是“仓库论”的教学观。那么,怎样在教学过程中避免此类问题的发生呢?本文就“电路分析”教学过程中改革课堂教学的一些方法和体会进行阐述。
一、贯彻一条主线,梳理课程内容
“电路分析”这门课程内容繁杂,知识点多,而且很琐碎,学生普遍感觉难以把握。所以这门课程能不能讲好、学生能不能学好的关键,就在于是否能够归纳出课程的基本结构,找出课程的主线,以利于学生掌握。[1]
所谓基本结构是指课程的基本原理,即各种定理、方法、概念、定义之间相互关系的理论框架。学员一旦掌握了它,就能够处理许多看起来似乎生疏但实际密切相关的知识,有些新的知识只不过是“一个熟悉题目的变形”罢了。这样就通过迁移作用不断扩大和加深知识,完成学习任务,并且对所学知识有一个整体的认识。
对于这门课程而言,它主要研究了集总电路的分析方法,其基本结构可以用“一、二、三”来加以归纳。即:一个假设(集总假设),两类约束(KCL、KVL和元件VAR),三大基本方法(叠加、分解和变换域分析)。这三大部分各自连同有关的定义、概念、定理、方法、公式等内容形成课程的整体。在授课过程中应该以一个假设为前提,两类约束做依据,三大方法作为分析电路的基础,紧紧围绕着这样一条主线。这是整个课程内容的主干,有了这个主干,循着主干再去梳理分支内容,包括各分支的基本概念、定理和分析方法,这样就将整个零散的知识点进行了系统的提纲挈领的归纳,便于学员对整体内容的比较、归纳和总结。
对主线的理解和把握,可以让学生弄清楚所学的内容在基本结构中的脉络,知道在什么位置,它与前继、后续内容之间的联系,不仅有利于学习,而且有利于记忆。
讲授时必须给学员一个清晰的结构脉络,而不必顾虑少讲了哪些具体的内容和计算方法,因为前者才是学员今后进一步从事科学研究和分析解决实际问题所需的知识和能力。
二、引入现代分析手段——计算机仿真软件IsSpice
“电路分析”是电路理论的一个基础课程,经过一个世纪的发展,已经形成了完整的经典分析方法。就该课程而言,课程内容侧重于用数学方法描述和求解电路,教学时往往以分析简单电路为主,力求突出基本概念和基本方法。但是由于近代大规模及超大规模集成电路的发展,传统的分析手段已经很难完成复杂的分析计算。为了适应电路理论发展的要求,在教学内容上我们适当增加了现代电路的分析手段,引入了计算机仿真软件IsSpice。该软件是美国Intusoft公司开发的一款商业化软件,具有强大的可视化功能。对其应用体现在演示和验证两个方面。
演示:指的是对于一些不容易理解的电路输出特性,通过软件的可视化功能,得出直观的输出曲线,从而加深学生对性质的理解和对概念的掌握。对电路的演示主要应用于动态电路和正弦稳态电路中。比如对于二阶动态电路的响应形式,学生一般不容易搞清楚几种阻尼形式,我们可以通过软件上显示RLC电路的输出波形,根据电阻阻值不同引起响应形式改变的特点,实时改变电阻阻值,使得响应形式发生变化,进一步掌握过阻尼、欠阻尼和临界阻尼三种响应规律。再比如在正弦稳态电路功率和能量求解中,可以直观地查看R、L、C元件功率和能量波形,理解L、C元件在电路中不耗能只储能而R元件在电路中不储能只耗能的性质。
验证:指的是对求解的结果进行检验,主要是为了便于学员自学。比如说,根据我们所学的经典分析方法得出的结论到底是否正确,学员可以在软件上进行仿真。如果仿真结果与自己得到的结论不符,则可能是分析方法或者求解有误,应返回到原题中继续分析。此举可以激发学生学习的积极性和主动性,同时也为后续模电、数电等电类课程中对复杂电路的分析、设计打下良好的基础。
21世纪是信息时代,学员获取知识可以通过多种媒体和方式,而不再局限于课堂上。因而教员不能再有“以我为主”的思想,而应该多为学员提供各类学习资料(参考书、CAI课件等),并进一步创造一种学习环境(讨论、实验、电路分析软件的应用等),让学员成为学习的主体。
三、针对不同专业配置教学内容
“电路分析”课程是我院学员的必修课程。由于学员所学的专业不同,对教学内容所要求的侧重点就有所不同,而他们所用的是统一的教材,授课时只能按照电类和非电类两大类的教学大纲实施,难以兼顾不同专业的不同需求。因此,如何在有限的学时内保证课程自身知识结构体系完整,同时更好地适应众多专业不断变化发展的需求,使每个专业学员都能学到与本专业密切相关的知识,是我们面临的一个重要问题。[2]
针对上述问题,我们拟在教学中采用模块化教学方法。在保证基本知识结构完整性的同时,根据各个不同专业的需求,将课程体系结构进行整合,横向设置若干教学模块,作为知识平台的底层;同时根据各专业学科发展的需要,对不同专业优化相关内容,作为课程知识的扩展和延伸。使用时根据不同的专业需求,将所需的模块有机地联系起来组成一个统一的整体。这样一来,各模块间相对独立,当因技术发展需调整某一模块的课程设置时,不会影响其他模块。而同一模块内的知识注重系统性和连贯性,便于学员掌握。对于任一模块而言,其基础理论与实际应用均贯穿于该模块的教学全过程,并且与后续的专业课程相结合,使学生感受到“学以致用”,可以大大提高学习兴趣。这种体系结构不仅可以使课程紧跟科技发展,还可以根据不同专业对课程的不同要求进行灵活构架。
在授课时,教员只需根据不同的专业选用相应的模块体系即可。学员可以在有限的学时内掌握更多与本专业密切相关的电知识,使知识体系更具有针对性和应用性,为后续专业课程的学习打下良好的基础。[3]
通过以上教学方法和手段的应用,学生普遍反映课程听起来较清楚,学起来不费劲,在授课过程中取得了较好的效果。该项研究有利于教员对教材内容的全面理解和掌握,能较好地满足不同层次、不同专业学员的需要,便于网上教学和自学。同时,也便于教学内容的不断更新和改革,对提高教学质量具有重要意义。
四、以创新的眼光审视学科的发展
电路理论遵循的是“简单——复杂——简单”的发展、上升趋势。为了求解电路的响应,从用欧姆定律、基尔霍夫定律解算简单电路,发展到用网络参数、卷积和各种变换解算较为复杂的电路问题。如今大量的计算工作可由计算机代劳,使经典电路理论中的部分内容和方法的重要性有所下降,对不同层次的教学对象,完全可以进行有区别的删减。删繁就简正是体现了电路理论发展的规律。
进入近代电路理论后,可以用新的观点来处理经典的内容,达到推陈出新的效果,而不应将传统的东西全部束之高阁。可以用对偶的观点来讲述各种串联和并联的电路问题,达到事半功倍的效果;也可以用求解变量从多到少,再从少到多的辩证发展观点来讲述从全部的支路电压、支路电流做求解变量到支路电压、支路电流法求解方程,再到网孔分析法、节点分析法,达到将各种分析方法融会贯通的目的。还可以用二端网络起变换作用的观点来讲述二端网络的参数以及理想变压器、耦合电感等器件,达到树立学员创新意识的效果。[4]
总之,“电路分析”这门课程从教学内容上来看,表面上教学的难度不大,但是真正要取得良好的教学效果确实不易。这就促使我们更要深刻理解这门课的教学规律,进一步改进我们的教学方法,从而真正地教好这门课程,便于学员更好地学习。
参考文献:
[1]刘润华,任旭虎,单亦先.电子技术课程综合改革的研究与实践[J].电气电子教学学报,2001,(4).
[2]汪英.模块化教学法教材的组织与选择[J].成都教育学院学报,2003,(4).
[3]熊元新,刘涤尘.“电路”模块化教学探讨与实践[J].高等工程教育研究,1999,(S1).
[4]吴霞,潘岚.电路与电子技术实验系列课程教学改革[J].电气电子教学学报,2004,(6).
(责任编辑:麻剑飞)