突出科研素质培养的“电路分析”教学改革

    冯兴田 马文忠 赵仁德

    摘? ? 要：“电路分析”课程教学改革以提升学生的科研素质为目标，从师资配备、课程内容优化、教学方法改革、实验设计、考试方法改进等多个方面设计教学改革方案，并基于先进工程教育模式，融合立体化教学、双语教学，尤其在实验教学内容与方法上进行了突破性的改革，通过在电气信息类本研一体化班级中试点，促进了学生科研素质与创新能力的提升。

    关键词：科研素质;电路分析;教学改革

    中图分类号：G642.0? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? 文章编号：1002-4107（2019）12-0017-02

    新工科建设背景下，面向国家能源发展战略需求，培养基础宽厚、专业精深、综合素质高、创新能力强，能够引领未来能源领域科技发展的高层次创新型人才[1-2]，迫在眉睫。“电路分析”课程作为电气信息类的专业基础课程，要夯实基础、学好知识，也要在基础中渗透综合、创新、实践能力等科研素质的培养[3-4]。本课程结合慕课、翻转课堂开展教学，融合讨论、专题、答辩等多种教学模式，提高学生自主学习、团队协作、探究质疑、总结汇报等科研素质方面的能力。

    一、教学改革方案

    （一）师资配备强调科研经历

    选配长期从事“电路分析”课程教学、课程建设经验丰富、具有科研经验的教师进行授课，充分利用“电路分析”省级精品课、学校重点课程和学校在线开放课程三大平台，提高本课程的教学质量。为了提高学生的科研素养，坚持理论联系实际的原则，将课上内容有重点地与实际科研课题相结合，结合相关科研任务和教师的科研经历，讲述典型电路在实际工程中应用的案例，提高学生的学习兴趣，培养学生利用所学电路知识分析问题、解决问题的能力。

    （二）教学内容侧重本研衔接

    集中优秀师资力量成立“电路分析”课程建设小组，以培养学生电路分析和设计的素质和能力为目标，以“电路分析”与后续课程的承启关系为统领，以科研素质所需知识储备为抓手，以引导学生形成研究性学习习惯和能力为核心，开展课程内容体系建设，重点结合后续课程及研究生阶段课程对本课程的内容体系、章节内容进行再梳理、再整合，实现本、研阶段学习任务和目标的有机衔接，强化创新能力的培养。

    （三）教学方法融合产学研

    教学实行小班授课，教师讲解结合翻转课堂开展教学，融合讨论、专题、答辩等多种教学模式。将OBE（基于产出的教育模式）以及CDIO（构思、设计、实现、运作）先进工程教育模式引入本课程的教学过程，实现工程素质培养的规划设计。灵活采用基于项目、问题、案例的探究式、启发式、讨论式等多元化的教学方式方法，以教师为主导，以学生为主体，提高学生学习的积极性。融合验证性实验、综合性实验、开放性实验、虚拟仿真实验、课程设计以及科技创新项目，全面提升学生的工程实践能力和科研创新能力。

    （四）实验教学采用项目形式

    根据课堂学术素养的培养需要，转变以往单纯的验证性实验，采用自主性设计型实验为主的实验教学模式。实验内容参照电子设计竞赛的形式，以小课题、小任务为牵引，调动学生学习的热情和主动性。采用数字仿真与实验相结合的实验教学模式，设计综合性实验。

    1.传统实验方案包括基本实验、一阶二阶电路、三相电路三大部分。具体包括万用表、直流稳压电源的使用，线性、非线性、理想电压源、实际电压源伏安特性及其测试方法;对含两个网孔的线性网络，自行设计实验方案及实验线路，验证基尔霍夫定律;对复杂线性网络，自行设计实验方案验证叠加定理;设计实验方案验证戴维南定理;示波器、信号发生器、毫伏表等常用仪器的使用和波形测试方法;一阶电路响应波形的测试和分析;实验研究阻抗频率特性曲线;测量和观察RLC串联电路谐振时的电压电流关系;实验分析交流电路中电压电流和功率之间的关系，以及并联电容对提高功率因数的作用;自拟三相电路的连接和测试方案，验证三相电路中电压电流的关系;应用三表法、二表法测量三相电路的功率。每个内容2学时，主要是通过简单的实验方案设计，验证基本原理，缺少综合应用性实验。

    2.新实验方案由三个单元组成，分别是基础实验、莱顿瓶放电实验、三相无功补偿实验研究。基础实验5学时，主要包括MATLAB仿真软件的介绍和应用;基本仪器（万用表、直流稳压电源、示波器、信号发生器等）的实际应用;基本原理的仿真與实验验证（包括基尔霍夫定律、叠加定理、戴维南定理等）。通过基础实验，使学生能够将仿真工具初步入门，对基本的仪器设备学会使用，能够通过搭建仿真模型和实验电路验证基本电路原理。该部分与传统方案的基本实验比较，强调了仿真软件的使用和建模仿真分析。

    莱顿瓶放电实验在电路分析发展历史上有重要的地位，汤姆逊据此写出了经典的论文，赫兹发现电磁波。放电实验刺激，历史故事丰富，能够激发学生学习电路的兴趣。结合微分方程的求解，让学生体会拉氏变换的作用。感兴趣的学生，可以在此基础上进行赫兹的电磁波发现等实验。莱顿瓶放电实验5学时，3学时由学生进行演示汇报，2学时PPT汇报。内容包括自行设计、制作莱顿瓶，进行放电实验的分析与研究;记录相应的实验波形，并结合所学电路知识给出理论解释。

    三相无功补偿实验6学时，包括构建三相电路及其感性负载的仿真和实验平台;检测三相电路的有功和无功功率;计算电容参数，进行无功补偿分析;电容容量优化问题的探讨，过补偿会引起什么问题？电容投切的过渡过程研究，是否出现电流冲击？在什么情况下冲击最小？让学生通过实验，理解实际工程问题的复杂性，以及在各种因素的作用下，寻找最优的工程解。

    通过比较可以看出，新方案在降低学时的基础上，以小项目的形式开展。无论是实验训练的内容，还是实验模式，以及考核内容和方式，都是围绕学生的科研素质培养开展的。

    （五）考核引入工程思想

    改革现有单一的期末统考的考试方法，采用期中、期末考试与平时考查相结合，平时考查采用课外作业、研讨课及网上互动等形式。借鉴国外的项目考查方式，考虑闭卷与开卷相结合，“一页开卷”方式和大作业报告方式，突出科研项目和工程思维的考查。真正实现教考统一，学以致用，促进各个环节师生之间的交流互动，提高学生学习的主观能动性，激发学生的求知欲和探索精神，锻炼学生终生学习的能力。

    二、教学改革措施

    （一）强化科研理论方法

    电路理论是在物理学中电磁学的基础上发展起来的，并形成了一整套完整的经典分析方法，这些方法同时也是近代电路分析方法的基础，因此教学中要求学生必须牢固掌握。具体授课中以分析简单电路为主，突出基本概念，力图避免繁杂的数学计算;另外，随着电路理论的发展和进步，教学中适当增加现代电路的分析方法及手段，如非线性电路的分析、矩阵分析方法、网络分析方法等，其主要特征是计算机辅助分析的应用，介绍它们在实际科研项目中的应用，强调基础理论在科研中的必要性和重要性，提升学生的兴趣和探索精神。加强两方面的理论结合教学，既满足了电路课程发展的要求，也为学生学好后续课程打下良好的基础。

    （二）立体化教学引入科研仿真与实践平台

    建立立体化的教学体系：充分利用翻转课堂、慕课等新的教学方法和手段，提高学生的自主学习意识和分析问题、解决问题能力;理论课程内容与实验课程内容互相配合、互相融合，彻底解决目前存在的理论授课和实验授课分别进行、相互割裂的问题;强调计算機虚拟分析与理论、实验分析的有机结合，将后续课程学习和将来科研创新研究需要掌握的MATLAB引入电路分析教学，加强学生后续应用能力的培养，强化科研仿真平台和实验平台的应用;充分利用“电路分析”的学校在线开放课程平台，配备完善的网络教学资源，方便学生预习、复习和自学，成为学生与教师之间交流的平台，调动学生平时学习的主动性和自觉性，实现多层次、多方面、多角度的立体化教学体系。

    （三）双语教学突出学术思想

    为进一步提高教学质量，提高学生能力，课程组采用双语教学方法。首先根据外文原版资料编写了校“十二五”规划教材《电路》（双语版）作为双语教学专用教材，制作了电路分析多媒体双语课件，平时授课中的习题、作业采用英文形式给出题目，理论课程期末考试采用英文试卷，提高学生的专业英语学习意识，丰富学生的专业词汇储备，为将来的英语文献阅读及学术研究打下基础，并适当地介绍进行科学研究必须经历大量英文文献阅读的经历，给学生足够的思想准备。经过4届学生的试行，目前已经取得了较好的应用效果。

    “电路分析”课程的教学改革以培养学生的科研素质为突破口，制定了相应的教学方案，灵活采用多种教学模式和方法，特别是在实验部分的设置上，突出了学生的创新能力培养。教学改革实践在校级教改项目的资助下，在电气信息类本研一体化班级进行试点，取得了较好的效果。

    参考文献：

    [1]余寿文.工程教育评估与认证及其思考[J].高等工程教育? ? 研究，2015，（3）.

    [2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，? ? 2017，（3）.

    [3]王源远，王丽萍.高校实践教学的理论认识与实践探索? ? [J].实验技术与管理，2013，（1）.

    [4]闵永智，李红，王秀华.电气工程专业研究性实验教学? ? 新模式探索[J].实验技术与管理，2015，（12）.

    收稿日期：2019-03-14

    作者简介：冯兴田（1978—），男，山东东营人，中国石油大学（华东）新能源学院副教授，主要从事电气工程研究。

    基金项目：中国石油大学（华东）教学改革项目“基于柔性培养的电气工程卓越计划和教育认证专业实践体系构建与实施”（JY-B201883）