“电路与电子学基础”课程教学改革与实践

周芸，蒋婷婷

(吉利学院,四川成都 641423）

“电路与电子学基础”是我院面向计算机科学与技术专业、数据科学与大数据技术专业、物联网专业等工科类专业学生开设的一门基础课程。但由于任课教师面临着由于学生物理基础薄弱、数学计算功底不强而引发的学习积极性差、求知欲望弱等问题，再加上课程安排方面，“电路与电子学基础”比数字电路、模拟电路开课早一学期，学生模拟电路基础空白，上课时长被压缩等问题，教师如何跳出之前传统的教学内容。针对注重学生动手实践的应用型本科院校的办学理念，推进技能型社会人才建设，激发人才创新创造活力，加快培养技术技能人才，促进学生就业能力提升，在课程体系完整的前提下，让学生高效率地接收相关知识点是任课教师迫在眉睫的问题。本文在分析传统教学存在的问题后，针对新工科院校办学理念，重点以“把问题还给学生，不同知识点结合解题”“借助仿真验证理论”，以及“在实验室用实验验证仿真电路”3个部分，论述课程的教学改革思路。通过分析教学改革与传统教学两种形式下，同专业学生获得的成绩，能看到教学改革后学生对学习的主动性有了很大的提高，对知识点的理解和动手实践的能力也有了显著的提升。

一、对传统教学的分析

“电路与电子学基础”课程是在高等数学和大学物理课程的基础上，重点培养和训练学生认识、分析、掌握电路的能力。要求学生掌握电工技术和电子技术的基本原理，培养学生对电工、电子方面实验的动手能力。在应用和巩固之前学习相关课程的基础上，进一步为学习后继课程和专业知识打下良好的理论基础和实验基础，并经过本门课程的学习，掌握电路分析理论和电工技术、电子技术，将所学知识应用于本专业。

由于“电路与电子学基础”的理论性与实践性强，是一门逻辑严密的综合性课程，其内容庞杂、抽象，涉及学科多，与传统工科在电路方面的教学体系相比，需要将教学内容重新组合，加入电子学基础方面的内容[1]，因此，在面对学时压缩，上课时长不充裕的前提下，任课教师很容易为了完成教学目标而出现“满堂灌”的现象。学生在面对内容晦涩难懂、知识点零散交杂，教师上课知识点密集的综合情况下，很容易出现畏难退缩心理，导致本门课程的成绩始终不理想，学生对电子学的掌握程度较差。

二、对教学改革的思考

（一）把问题还给学生，不同知识点结合解题

“电路与电子学基础”课程知识点零散交杂，学生很容易出现知识点掌握薄弱，从而混淆新旧知识点的问题。因此在上课的过程中，教师除了设计如何将大量知识点传授给学生以外，还要考虑怎么样让学生能轻松又牢固地记住所学内容，并将内容应用到具体的电路分析中去。

在上课过程中，只有真正让学生加入到课堂教学，面对实际的电路问题，考虑如何在现有电路和已学内容的基础上，加以改变，才能进一步解决新的问题。在这个过程中，教师就可以自然而然地引出新的知识点，介绍新的电路结构，学生就会对新电路的结构和功能有更加深刻的印象，也能承前启后地将所学的新旧知识点连接在一起，深入地理解知识点，这也推动了学生分析电路、分析问题和解决问题的能力。当学生发现经过融入课堂，能够听懂知识点，提出新的问题，用所学知识解决问题，就会有良性循环。在此基础上，再带领学生做题，学生就有了较强的兴趣，并有扎实的理论作为解题基础。

以“戴维南等效电路”知识点为例：“戴维南定理”表示，任何一个线性有源二端网络的对外作用，总可以用一个电压源与一个电阻相串联的电压源模型来等效替代。这个电压源的电压等于有源线性网络的开路电压，串联的电阻等于该网络内部电源均为零时的等效电阻。

在对电路进行分析时，要求同学们根据图1的电路求出戴维南等效电路。

图1

根据课本和大纲教学的内容，教师需要引导学生对电路进行分析。从图中可以看出有两个电压源，借助叠加定理求得两个电源作用的开路电压UOC的值。

在只有12 V电压源工作时，电路如图2所示。

图2 12V 电源单独工作的等效电路

图3 4V 电源单独工作的等效电路

图4 无源等效电路

UOC'为3 Ω//(6 Ω+(3 Ω//2 Ω))电阻中，(3 Ω//2 Ω)总电阻分得的电压值：

UOC''为 2 Ω+(3 Ω//6 Ω)电阻中，(3 Ω//6 Ω)总电阻分得的电压值：

因此开路电压UOC的值为

电阻值为6 Ω//3 Ω//2 Ω，即1 Ω。最终得到的戴维南等效电路如图5所示：

图5 戴维南等效电路

由于书本的例题都是按照电源叠加定理进行开路电压的计算，学生在刚接触新的知识点后，很容易形成惯性思维，根据例题的模式对电路进行分析。实际上，在学习叠加定理之前，学生已经掌握了基尔霍夫定理，因此在求开路电压UOC时，可以根据基尔霍夫电流定律列出图1中，c节点的KCL方程为：，由此可以更加简便地求解出UOC的值为4V。

在同一道题目中，通过加平时成绩的形式鼓励学生用不同的方法对电路进行求解，可以增强学生对电路的分析能力，同时又可以对已学的知识点进行回顾复习，加深学生的理解。

（二）用仿真数据验证理论推导

如何把公式推导出的结论生动形象地展示在学生面前，是课程改革提高上课效率的重中之重。“电路与电子学基础”课程是基于电路的理论性课程，如果在教学过程中加入仿真，就可以在理论推导之后，让学生看到具体电路对应的结果，将理论学习与实际电路、数据结合在一起。依旧以“戴维南等效电路”为例，运用Multisim仿真软件，在图1电路的输出端ab右边接入万用表，来测量ab端的电压和电阻，得到如图6所示的仿真电路。通过读取万用表，可以得到图1电路的输出电压为4 V，等效电阻为1 Ω。

图6 仿真电路

从以上示例可以看出，上课过程中，加入Multisim对电路进行仿真，可以让学生在理论分析得到答案的基础上，快速通过仿真实验对自己的计算结果进行验证，这样可以在很大程度上激发学生的好奇心和求知欲望。将枯燥乏味的电路理论课变成边学边验证的实践课程，也可以进一步帮助学生提高动手能力，在使用Multisim画电路图时，也可以加深学生对电路结构的梳理，进一步帮助学生提高综合能力。

以“RLC串联谐振”电路为例，首先引入理论知识：

RLC串联电路中，阻抗是

在讲完理论推导之后，借助Multisim仿真软件，用函数信号发生器作为交流信号的输入，连接RLC串联电路图，将万用表串联进电路作为交流电路表对电路的电流进行测量，在负载R两端并联电压表，测量加在电阻R两端的电压值。输入不同的值，检测电路中电流I和加在电阻R两端电压的大小，仿真图如图7所示：

图7 RLC 串联谐振电路仿真图

上图是RLC谐振电路的仿真电路图，给定R=1 kΩ，L=25 mH，C=0.01 μF的值，根据公式确定谐振频率为10 kHz。在函数信号发生器中，给定输出电压的有效值为4 V，设置不同信号源的频率，记录串联在电路中电流表和加在电阻R两端电压的值I和Uo，数据如表1所示。

表1 RLC 串联电路的输出电流和电压值

通过对每组频率和对应的I、Uo分析就会发现，当信号源的值等于谐振频率时，电阻两端的电压值等于输入电压的有效值4V，此时电路中电流也达到最大值，最大值为阻抗只有电阻R=1 kΩ时对应的电流值4 mA。

在这样的学习过程中，不仅能让学生理解理论公式的推导，也进一步向学生直观地展示了理论推导的数据在实际电路图中的应用，以及对整个电路的影响。加强了学生对理论知识的掌握，也为后续在实验室做实际电路连线奠定了基础。

三、在实验室用实验验证仿真电路

为了进一步对标应用型本科的要求，学校在推进实践教学改革过程中，加大了对实践教学环节的财政投入，逐步健全实践教学环节必备的教学设备与设施，已经有了满足现代化教学手段的推广应用和立体化教学模式的改革和实施。实验室的创建能最大化地解放学生思想，鼓励了学生的创新和动手实践能力。

实验室的整体建设满足学生对电路进行实际连线的需求。在之前的学习过程中，通过理论学习时借助仿真实验，学生已经有了理论到实践的过渡，而实验室的实践课程可以帮助学生把电路图从电脑里搬回实验室，最终完成理论知识到实际电路的过渡。真正帮助学生理论联系实际，既能学会理论知识，又能将理论应用于实际，做到应用型本科教学的宗旨。

四、对课堂氛围的调动

由于“电路与电子学基础”理论性较强，上课过程中，学生比较容易出现注意力不集中、思想走神的情况。这就要求教师在上课过程中，不仅要有节奏地传授上课内容，还需要和学生实时互动，调动学生的学习氛围和积极性。上课过程可以借助教学软件，随机抽取学生回答问题，也可以鼓励学生用不同方法解决电路问题，让学生注意力时刻与老师保持同步，这样既加强了学生的参与度，又有效督促了课堂上每一位学生的思考。

课程的考核方式也由之前的平时作业成绩+期末考试成绩改为更加多元化的组成，包括课堂表现成绩+课后作业完成成绩+仿真成绩+实验室实验成绩+期末考试成绩组成。具体信息如表2所示。

表2 课程成绩组成

从表中可以看出，通过课堂表现和课后作业的打分，能督促学生端正学习态度，并考查学生对知识点的掌握情况。仿真能进一步帮助学生加强理论知识的理解，并作为实验的过渡，将理论与实际电路连接起来。有了理论基础和仿真作为铺垫，学生在做实验时也能更加熟练地分析电路组成，更清晰地掌握所学的知识点在实际生活中的应用[2-3]。

五、对改革效果的统计

通过“把问题还给学生，不同知识点结合解题”，学生在课堂上形成了良性竞争，不再是被动地接收教师教授的知识点和解题方法，开始尝试是否可以用其他方式处理电路，学生上课态度明显更加活跃。通过“用仿真数据加强理论推导”，一些数学和物理基础薄弱的同学也可以通过仿真结果更加理解理论推导的过程，进一步激发学生的求知欲，甚至反向推进学生对理论公式的探索精神。通过“在实验室用实验验证仿真结果”，很大程度上解决了学生对于理论学习和实际应用脱节的现象，进一步促进了学生对于电路学习的积极性，进一步加强了“理论联系实践”的办学宗旨。

分析同一位任课教师在同一专业不同班级，分别使用传统教学方式和使用“把问题还给学生，不同知识点结合解题”+“借助仿真作为理论和实践过渡”改革后的教学方式，对学生的作业和成绩进行对比，比较结果如表3所示。

表3 不同教学模式下班级对比

上表中，电子信息工程1班是采用传统教学手段进行授课的班级，电子信息工程2班是改革之后进行授课的班级。“课堂回答问题占比”可以从每节课，学生通过学习通软件回答问题的统计中求得。

分析表中数据，在加入多角度分析模式后，2班同学的课堂回答问题占比超出1班同学30.2%，可以看出“把问题交给学生去寻求解决办法”的模式能极大地调动学生上课的积极性，促进他们掌握学过的知识点，并对知识点加以应用。从课后作业的雷同率下降20.9%可以看出，只要学生积极融入课堂学习中，掌握了所学的知识，课后的习题就会自己主动去解决，而不再是一味地依靠班级中部分“好学生”的作业[4-5]。

通过对两个班学生做实验，搭建电路的平均用时进行分析，可以看出，在平时的课堂中，加入“用仿真数据加强理论推导”，帮助学生增强了对电路的分析能力。因此在实际实验过程中，学生用在电路搭建的时间就会缩短，这也反映了仿真作为理论与实践连接的必要性。

最后，从期末成绩的平均值可以看出，采用了改革模式的电子信息工程2班比采用传统教学的电子信息工程1班成绩高出16分，进一步证实了改革对于教学效果提升的重要性。

六、结束语

通过对之前传统的教学内容存在的问题进行分析，本文提出从“把问题还给学生，不同知识点结合解题”“借助仿真验证理论”“在实验室用实验验证仿真电路”3个方面，解决“电路与电子学基础”课程中，任课教师面临的学生物理基础薄弱、数学计算功底不强、求知欲望弱等问题。针对注重学生动手实践的应用型本科院校的办学理念，推进技能型社会人才建设，激发人才创新创造活力，加快培养技术技能人才，促进学生就业能力的提升。