面向卓越计划的电工与电路基础教学改革
唐莺 陈棣湘 潘孟春
[摘 要]卓越工程师教育培养计划对电工与电路基础课程有了新的要求。在教学活动中，应该以提高学生工程素养和创新动手能力为目标，深入进行教学内容、教学方法和考核方式的改革，提出具体的教学改革措施。
[关键词]电工与电路基础；卓越工程师；教学改革；教学方法
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）03-0133-02
卓越工程师教育培养计划（简称卓越计划）是教育部于2010年为落实国家中长期教育改革和发展规划纲要而推出的高等教育重大改革计划，其目标是培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才。[1]
课程作为大学教育的主要载体，是提高人才培养的基础，是学生获得知识、发展创新能力、提高素质的主要途径，历来为中外高校所重视。
电工与电路基础课程（以下简称电路课程）是面向我校各工科专业开设的专业基础课，在卓越计划中具有一定的指标性。通过对本门课程的学习，学生可以获得电工与电路方面必要的基本理论、基本分析方法和基本技能，同时培养分析和解决与电学有关的实际问题的能力，使其具有一定的工程素养，建立科学的思维能力，为后续课程的学习以及从事与本课程有关的工程技术、科学研究、装备维护工作打下坚实的基础。
为了适应卓越计划的要求以及相关领域迅速发展的新形势，近年来，秉承以“能力立意”为指导思想，将知识、能力与素质融为一体，以全面提升学生的科学素质、创新能力为目标，我校对电路课程进行了一系列的教学改革。
本文就教学改革思路、内容、教学方法、评价体系环节的改革进行了探讨。
一、改革思路
培养大学生的自主学习能力、综合创新能力以及工程问题的求解能力是卓越计划的教学目标，而电路课程作为“电”领域的入门课程，是学生接触到的第一门工程类课程，对于学生建立工程概念有着十分重要的作用。而教学内容是课程之根本，所有教育思想、教学理念需通过教学内容的改革得以实现。过去的几十年，电力、电子、计算机的飞速发展使得各种实际电路发生重大改变，因此需要更新教学内容，让学生接触到当代最常用的基本元件，引领学生在工程背景下掌握元件建模的思想，弱化解题技巧和有关公式记忆。
David A.Sousa经研究，人体大脑工作有着自身的规律特点，被动式学习如阅读、听讲等，在学习24小时之后知识的保持率不到30%，而主动式学习如学生演讲、分组讨论、演示以及动手实践等，可以将知识保持率提高到70%～90%。[2]进行教学手段和实践教学的改革，要在课堂教学中引入适当的演示实验和实物展示，在实践环节强调课前的预习和仿真实验，课后突出分组总结讨论。
电路课程本身的分析方法具有辩证唯物主义的特点，比如我们在分析具体工程实际问题时常常要建立模型，它首先由具体抽象为一个电路模型，然后变成数学模型进行分析求解。最为简单的就是手电筒照明电路，它由电池、连线和灯泡组成，我们在对其进行建模时将实际电器元件如电池等抽象为理想电路元件，得到由电源、理想导线和电阻组成的电路模型。模型法的本质就是忽略次要矛盾抓住主要矛盾，把主要矛盾解决后再考虑一个次要矛盾，再考虑下一个次要矛盾，这实际是相对真理的绝对应用，事实上绝对真理是永远达不到的。再比如串联电路和并联电路具有对偶性，串联谐振电路和并联谐振电路同样可以采用对偶性进行分析。因此，在本课程的教学方法上，要实施案例教学、研究型教学等多种教学方法相结合，培养学生举一反三、归纳总结的能力以及科学思维的能力。
二、教学内容改革
电路课程是实现科学教育与工程教育有机衔接的一门重要课程。在学习本课程之前，学生主要接受的是科学知识（高等数学、大学物理是其先修课程）；它又是电子技术、计算机硬件电路、传感器与测试技术等专业基础课程的先导课程，教学内容更接近工程实践。因此，电路课程在课程体系中具有承上启下的作用，是本科生由科学教育迈向工程教育的桥梁，本课程的学习对培养学生工程素养有着十分重要的作用。
保持教学主体即电路定律和集总参数、电阻电路分析、动态电路的暂态分析以及正弦稳态电路分析构成电路基本不变，将二极管作为非线性元件，晶体三极管和场效应管作为双端口网络，运算放大器以及“与”、“或”、“非”基本逻辑门作为元件等引入电路课程进行介绍，使得电路课程教学突破仅仅限于理想电阻、电容、电感、独立源和受控源等理想电路元件构成电路的分析计算，打通电路基本原理、定理与实际元件电路的桥梁，使得电路课程与实际电路建立一定联系，提高学生学习兴趣，也有助于与后续课程“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”课程内容的合理衔接。
与此同时，二极管、晶体三极管在不同工程背景下需要建立不同的等效模型，这有利于学生理解和掌握电路中的建模思想。
引入大量工程实例，包括：警示灯电路，波形变换电路，汽车点火电路，MOSFET构成的常用逻辑门电路，CMOS门电路的静电保护与过流保护原理，万用表分压分流电路，家用有害气体报警电路，二极管整流电路、限幅电路、稳压电路，同相程控增益放大电路，温度测量与控制电路，高压开关灭弧性能试验电路，移相器电路，电视机声像信号分离电路，互感线圈同名端测量电路，电功率表与线圈参数三表法测量电路，三相电路的功率测量等。这些工程实例既紧密结合电路的知识点，即电路的能量处理和信号处理两个方面，又涉及后续课程模拟电子电路和数字电子电路，充分地体现电路的工程应用性，也有助于培养交叉学科人才的应有的创造性。
三、改进教学方法
教学内容、教学方法和教学手段等是教学实践活动的几大要素。教学内容要想有效地启发学生，需采取行之有效的教学方法和教学手段。基于以学生为主体、教员为主导的教学理念，以案例式教学法为核心，综合运用对比分析、交互讨论等多种教学方法，培养学生归纳总结、举一反三、触类旁通的能力，尤其是科学思维的能力。以谐振电路为例，由一个演示实验引入课程内容：采用200W灯泡模拟电阻元件，将灯泡、电感元件和电容元件串联构成RLC串联电路，改变电容值，设计电容值由小到大变化，引导学生观察灯泡的明暗程度并思考：灯泡为什么先由暗到亮再变暗？问题的实质是什么？什么条件下灯泡最亮？最亮时灯泡工作在什么状态？学生们探究这些问题的过程就是培养科学思维的过程，他们已有的知识、信息和经验等会被唤醒：灯泡的亮暗反映了流过电流的大小，而电流的大小又与电路的阻抗有关，由此可以得出串联谐振的条件，总结归纳串联谐振电路的特点；引导学生利用对比分析方法，自行分析RLC并联谐振电路特点，得出谐振电路的共性；可以实现对源的放大，再引入具体实例，如收音机电路以及科研案例悬臂梁结构，加深学生对所学知识的理解。
又比如，一阶电路的响应，在分析基本概念、电路特性基础上，分析时间常数的物理意义，引入闪光灯电路、汽车点火电路等具体案例，步步深入，既能激发学生的兴趣，又能让学生学以致用。
四、评价体系环节改革
学生成绩的评定是重要的教学环节之一。为了能够客观、全方位地对学生的综合能力和素质进行评定，需要拓展传统的考核方式方法，实施以全面衡量学员能力为前提的课程全程跟踪式多种考核方式的有效结合。根据电工与电路基础课程理论性和实践型强的特点，改革课程闭卷考试试题内容，以突出考查学员分析问题、解决电路实际综合应用能力；实施随堂测试和阶段性考试相结合，学生最终成绩由30%的平时成绩和70%的期末笔试成绩组成。平时成绩是课堂测验和课后作业的综合体现，包括学生平时课堂表现，如回答问题、参与课堂讨论、完成作业任务等的评价。
课堂学习的时间是一定的，学生的能力与素质能否得到一定的提高，关键在课外。秉承这一理念，在一些课后大作业的布置和专题研讨内容的安排上，需要学生进行自主设计，以及进行文献调研，撰写学习报告，非常有利于训练学生的科学思维能力，有利于考查学生对于问题的理解能力。例如，在学习谐振电路这部分内容时，布置课后训练题有：1.包含两个频率分量ω1、ω2（ω1<ω2）的激励u1（t）：u1（t）=u11（ω1）+u12（ω2），要求响应uo（t）只含有ω2频率分量，如何实现？2.谐振电路其他一些实际应用，或自行设计电路（无论可以实现什么，重要的是设计具有独创性、可行性），谐振电路又有哪些危害？3.对于低内阻和高内阻激励源，如何选取谐振电路？课后作业的布置体现出自主性和一定程度的开放性。
五、结束语
在科学技术飞速发展的今天，大学教育到底应该教给学生什么，如何教？这是所有高校教师都应该思考的问题。目前，我们就学校的公共基础课程电工与电路基础的教学内容和教学方法等的改革进行了初步探索，实施时间不长，还处于摸索阶段。面对卓越计划的目标和要求，以提高学生的自学能力、工程素养和创新动手能力为首要任务，如何进一步改革教学方法、如何加强实践教学环节等，还有待下一步的思考和实践。
[ 注 释 ]
[1] 刘浩，杨上河，尚建华，等.面向卓越计划的“电路与模拟电子”的教学改革[J].计算机教育，2012（1）.
[2] David A.Sousa.How the Brain Learns[M].Corwin Press Inc（3rd Revised edition），2006.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]卓越工程师教育培养计划对电工与电路基础课程有了新的要求。在教学活动中，应该以提高学生工程素养和创新动手能力为目标，深入进行教学内容、教学方法和考核方式的改革，提出具体的教学改革措施。
[关键词]电工与电路基础；卓越工程师；教学改革；教学方法
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）03-0133-02
卓越工程师教育培养计划（简称卓越计划）是教育部于2010年为落实国家中长期教育改革和发展规划纲要而推出的高等教育重大改革计划，其目标是培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才。[1]
课程作为大学教育的主要载体，是提高人才培养的基础，是学生获得知识、发展创新能力、提高素质的主要途径，历来为中外高校所重视。
电工与电路基础课程（以下简称电路课程）是面向我校各工科专业开设的专业基础课，在卓越计划中具有一定的指标性。通过对本门课程的学习，学生可以获得电工与电路方面必要的基本理论、基本分析方法和基本技能，同时培养分析和解决与电学有关的实际问题的能力，使其具有一定的工程素养，建立科学的思维能力，为后续课程的学习以及从事与本课程有关的工程技术、科学研究、装备维护工作打下坚实的基础。
为了适应卓越计划的要求以及相关领域迅速发展的新形势，近年来，秉承以“能力立意”为指导思想，将知识、能力与素质融为一体，以全面提升学生的科学素质、创新能力为目标，我校对电路课程进行了一系列的教学改革。
本文就教学改革思路、内容、教学方法、评价体系环节的改革进行了探讨。
一、改革思路
培养大学生的自主学习能力、综合创新能力以及工程问题的求解能力是卓越计划的教学目标，而电路课程作为“电”领域的入门课程，是学生接触到的第一门工程类课程，对于学生建立工程概念有着十分重要的作用。而教学内容是课程之根本，所有教育思想、教学理念需通过教学内容的改革得以实现。过去的几十年，电力、电子、计算机的飞速发展使得各种实际电路发生重大改变，因此需要更新教学内容，让学生接触到当代最常用的基本元件，引领学生在工程背景下掌握元件建模的思想，弱化解题技巧和有关公式记忆。
David A.Sousa经研究，人体大脑工作有着自身的规律特点，被动式学习如阅读、听讲等，在学习24小时之后知识的保持率不到30%，而主动式学习如学生演讲、分组讨论、演示以及动手实践等，可以将知识保持率提高到70%～90%。[2]进行教学手段和实践教学的改革，要在课堂教学中引入适当的演示实验和实物展示，在实践环节强调课前的预习和仿真实验，课后突出分组总结讨论。
电路课程本身的分析方法具有辩证唯物主义的特点，比如我们在分析具体工程实际问题时常常要建立模型，它首先由具体抽象为一个电路模型，然后变成数学模型进行分析求解。最为简单的就是手电筒照明电路，它由电池、连线和灯泡组成，我们在对其进行建模时将实际电器元件如电池等抽象为理想电路元件，得到由电源、理想导线和电阻组成的电路模型。模型法的本质就是忽略次要矛盾抓住主要矛盾，把主要矛盾解决后再考虑一个次要矛盾，再考虑下一个次要矛盾，这实际是相对真理的绝对应用，事实上绝对真理是永远达不到的。再比如串联电路和并联电路具有对偶性，串联谐振电路和并联谐振电路同样可以采用对偶性进行分析。因此，在本课程的教学方法上，要实施案例教学、研究型教学等多种教学方法相结合，培养学生举一反三、归纳总结的能力以及科学思维的能力。
二、教学内容改革
电路课程是实现科学教育与工程教育有机衔接的一门重要课程。在学习本课程之前，学生主要接受的是科学知识（高等数学、大学物理是其先修课程）；它又是电子技术、计算机硬件电路、传感器与测试技术等专业基础课程的先导课程，教学内容更接近工程实践。因此，电路课程在课程体系中具有承上启下的作用，是本科生由科学教育迈向工程教育的桥梁，本课程的学习对培养学生工程素养有着十分重要的作用。
保持教学主体即电路定律和集总参数、电阻电路分析、动态电路的暂态分析以及正弦稳态电路分析构成电路基本不变，将二极管作为非线性元件，晶体三极管和场效应管作为双端口网络，运算放大器以及“与”、“或”、“非”基本逻辑门作为元件等引入电路课程进行介绍，使得电路课程教学突破仅仅限于理想电阻、电容、电感、独立源和受控源等理想电路元件构成电路的分析计算，打通电路基本原理、定理与实际元件电路的桥梁，使得电路课程与实际电路建立一定联系，提高学生学习兴趣，也有助于与后续课程“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”课程内容的合理衔接。
与此同时，二极管、晶体三极管在不同工程背景下需要建立不同的等效模型，这有利于学生理解和掌握电路中的建模思想。
引入大量工程实例，包括：警示灯电路，波形变换电路，汽车点火电路，MOSFET构成的常用逻辑门电路，CMOS门电路的静电保护与过流保护原理，万用表分压分流电路，家用有害气体报警电路，二极管整流电路、限幅电路、稳压电路，同相程控增益放大电路，温度测量与控制电路，高压开关灭弧性能试验电路，移相器电路，电视机声像信号分离电路，互感线圈同名端测量电路，电功率表与线圈参数三表法测量电路，三相电路的功率测量等。这些工程实例既紧密结合电路的知识点，即电路的能量处理和信号处理两个方面，又涉及后续课程模拟电子电路和数字电子电路，充分地体现电路的工程应用性，也有助于培养交叉学科人才的应有的创造性。
三、改进教学方法
教学内容、教学方法和教学手段等是教学实践活动的几大要素。教学内容要想有效地启发学生，需采取行之有效的教学方法和教学手段。基于以学生为主体、教员为主导的教学理念，以案例式教学法为核心，综合运用对比分析、交互讨论等多种教学方法，培养学生归纳总结、举一反三、触类旁通的能力，尤其是科学思维的能力。以谐振电路为例，由一个演示实验引入课程内容：采用200W灯泡模拟电阻元件，将灯泡、电感元件和电容元件串联构成RLC串联电路，改变电容值，设计电容值由小到大变化，引导学生观察灯泡的明暗程度并思考：灯泡为什么先由暗到亮再变暗？问题的实质是什么？什么条件下灯泡最亮？最亮时灯泡工作在什么状态？学生们探究这些问题的过程就是培养科学思维的过程，他们已有的知识、信息和经验等会被唤醒：灯泡的亮暗反映了流过电流的大小，而电流的大小又与电路的阻抗有关，由此可以得出串联谐振的条件，总结归纳串联谐振电路的特点；引导学生利用对比分析方法，自行分析RLC并联谐振电路特点，得出谐振电路的共性；可以实现对源的放大，再引入具体实例，如收音机电路以及科研案例悬臂梁结构，加深学生对所学知识的理解。
又比如，一阶电路的响应，在分析基本概念、电路特性基础上，分析时间常数的物理意义，引入闪光灯电路、汽车点火电路等具体案例，步步深入，既能激发学生的兴趣，又能让学生学以致用。
四、评价体系环节改革
学生成绩的评定是重要的教学环节之一。为了能够客观、全方位地对学生的综合能力和素质进行评定，需要拓展传统的考核方式方法，实施以全面衡量学员能力为前提的课程全程跟踪式多种考核方式的有效结合。根据电工与电路基础课程理论性和实践型强的特点，改革课程闭卷考试试题内容，以突出考查学员分析问题、解决电路实际综合应用能力；实施随堂测试和阶段性考试相结合，学生最终成绩由30%的平时成绩和70%的期末笔试成绩组成。平时成绩是课堂测验和课后作业的综合体现，包括学生平时课堂表现，如回答问题、参与课堂讨论、完成作业任务等的评价。
课堂学习的时间是一定的，学生的能力与素质能否得到一定的提高，关键在课外。秉承这一理念，在一些课后大作业的布置和专题研讨内容的安排上，需要学生进行自主设计，以及进行文献调研，撰写学习报告，非常有利于训练学生的科学思维能力，有利于考查学生对于问题的理解能力。例如，在学习谐振电路这部分内容时，布置课后训练题有：1.包含两个频率分量ω1、ω2（ω1<ω2）的激励u1（t）：u1（t）=u11（ω1）+u12（ω2），要求响应uo（t）只含有ω2频率分量，如何实现？2.谐振电路其他一些实际应用，或自行设计电路（无论可以实现什么，重要的是设计具有独创性、可行性），谐振电路又有哪些危害？3.对于低内阻和高内阻激励源，如何选取谐振电路？课后作业的布置体现出自主性和一定程度的开放性。
五、结束语
在科学技术飞速发展的今天，大学教育到底应该教给学生什么，如何教？这是所有高校教师都应该思考的问题。目前，我们就学校的公共基础课程电工与电路基础的教学内容和教学方法等的改革进行了初步探索，实施时间不长，还处于摸索阶段。面对卓越计划的目标和要求，以提高学生的自学能力、工程素养和创新动手能力为首要任务，如何进一步改革教学方法、如何加强实践教学环节等，还有待下一步的思考和实践。
[ 注 释 ]
[1] 刘浩，杨上河，尚建华，等.面向卓越计划的“电路与模拟电子”的教学改革[J].计算机教育，2012（1）.
[2] David A.Sousa.How the Brain Learns[M].Corwin Press Inc（3rd Revised edition），2006.
[责任编辑：钟 岚]
