谈述电路原理课程中融入工程实例教学实践

摘要：为了转变“电路原理”课程教学重理论轻实践的目前状况，使学生体验抽象的理论知识其实就在社会生活实际中，结合教学经验，给出若干个工程实例，包括人体的电阻模型、万用表的测量误差、延时开关、无线充电器、双音多频拨号键盘等。实践表明，此举提高了学生对理论学习的兴趣，同时也培养了其工程意识和工程能力。
关键词：电路原理；工程实例；教学改革
作者简介：欧阳宏志（1982-），男，湖南衡阳人，南华大学电气工程学院，讲师；陈文光（1968-），男，湖南株洲人，南华大学电气工程学院，教授。（湖南 衡阳 421001）
1007-0079（2014）06-0042-02
“电路原理”是一门理论性和技术性电路原理课程中融入工程实例的教学实践论文资料由论文网www.udooo.com提供,转载请保留地址.较强的电类基础课，通过学习该课程掌握电路的基本理论知识、基本分析策略和初步实验技能，为后续课程建立必要的理论基础，最终目的是作为工程研究和应用设计的基础和指导，集中体现对学生工程意识和工程能力的培养。教育部已经启动了“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养适用经济社会发展的工程技术人才，强调培养大学生的创新精神和实践能力。“电路原理”作为一门重要的专业基础课程，特别适合做改革试点的排头兵。在教学实践中，教师如果一味去推导复杂的公式，演算抽象的习题，再加上国内的教材普遍枯燥乏味，学生会逐渐失去学习的热情，更谈不上应用和创新。电路课程的课堂讲授与工程实例相融合，是提高教学效果，开阔视野，启迪思维的一种有效途径。
笔者尝试在课堂教学中融入工程实例，根据长期的教学和科研实践，总结出电阻等效变换、戴维宁定理、动态电路、变压器原理、谐振电路、无源滤波器、非正弦交流电路等电路理论在工程实际中的应用，为电路基本理论的教与学提供一些鲜活的例子。[1]

一、人体的电阻模型

人体是导体，人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗。人体阻抗是确定和限制人体电流的参数之一。它受皮肤状态、接触电压、电流、接触面积、接触压力等多种因素的影响，在很大的范围内变化。人体电容很小，工频条件下可忽略不计，于是可以得到图1所示的简化人体电阻模型。RN表示头部的电阻，RA表示手臂的电阻，RT表示躯干的电阻，RL表示腿部的电阻。
这个案例可以让学生看到电路建模的过程，了解工程近似的策略，也可以理解电阻星三角的联结关系以及安全用电等知识点。可以提供给学生一些讲义，让他们分析：10mA以下的电流流经人体哪一条路径相对是安全的？人在遭受生理刺激时，阻抗会变化吗？国家规定的安全电压有哪几种？进而引起大家对于安全用电的重视。

二、数字式万用表的测量误差

数字式万用表是将测量的电压、电流、电阻等电参数值直接用数字显示出来的测试仪表，是一种常见的仪表。它灵敏度高，准确度高，显示清晰，但是如果使用不当，也会带来较大的误差。[2]图2所示为万用表测量电压的示意图。
已知在不同量程下万用表内阻RV的大小，求解电压的相对测量误差，一般用电阻的混联等效的策略计算，比较麻烦。但如果应用戴维宁定理，把被测电路看成有源二端网络，等效成电压源和内阻的形式后，用分压公式计算会简单很多。通过这个实例，可以进一步引发同学深思：数字式万用表测量电压的原理是什么？其内阻与量程有何关系？如何测量交流电压？

三、楼道延时开关

住宅小区的楼道里现在使用的都是声光控触摸延时开关，方便又节能。一个简单的延时开关电路如图3所示。它是如何实现延时的呢？当开关K闭合时灯常亮，当K断开时，LED发光，电容C通过R2及D5，D6被充电，可控硅SCR得到触发电流导通，电灯在开关断开后仍然亮，随着时间的延长，电容两端的电压渐渐升高，充电电流逐渐减小，经过一段时间后，可控硅截止，电灯熄灭，从而实现延时照明的功能。
这是电容充放电（动态电路）应用的典型实例，由于和日常生活密切相关，同学们都表现出极大的兴趣。[3]这时可顺势引导学生在课堂上研究：时间常数怎样估算？如果想延长电灯点亮的时间，怎么改造电路？通电延时开关可以怎样设计？

四、无线充电技术

无线充电器是指利用电磁感应原理进行充电的设备，原理上类似于空心变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。能量的传送和信号的传输要求显然不同，后者要求其内容的完整和真实，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。虽然能量的无线传送这一想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个瓶颈，使它一直不能进入实用领域。这种用比较简单的设备实现微距条件下的无线传能，将使便携式电子设备面对一次新的变革。
有些同学已经体验到了无线充电器的乐趣，这也是一个时髦的话题。从这个例子还可以引出功率和效率的理由，什么情况下主要考虑功率？什么情况下主要考虑效率？可以让学生探究无线供电还有哪些应用，第二代的识别又是什么原理。学生查阅资料后会顿悟，原来所学的东西就是高科技的基础，要把基础打牢，才能建好高楼大厦。

五、三分频音箱

很多同学是音乐发烧友，对音质要求很高。对于音响系统，通常需要独立地调节低音、高音和中音。音箱分频器是一种由电感和电容组成的组合式滤波器。如二分频器就是由一个高通滤波器和一个低通滤波器组成。三分频则又增加了一个用于中音通道的带通滤波器，如图4所示。滤波器在分频点附近呈现较陡斜率的衰减特性。通常把相邻曲线衰降相交叉处叫做分频点。由于滤波器的斜率不能绝对陡峭，在分频点附近就会有一段重叠的频带，在这一段频带内，两只扬声器都有输出。理论上要求滤波器的衰减率越大越好。但是衰减率越大，元件越多，结构复杂，调整困难，且插入损耗亦越大。
电路的频率特性这一知识点复杂而且抽象，用分频器作为实例不失为一个很好的策略。讲解完分频器电路的原理后，可以用万用仪软件或者音频编辑软件在课堂上处理流行的歌曲，让学生感受不同类型滤波器的过滤效果，并学会计算截止频率，绘制波特图，设计简单的无源滤波器。[4]

六、双音多频信号

双音多频（DTMF，Dual Tone Multi Frequency）是由贝尔实验室开发的电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令。DTMF编在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：高频组和低频组。每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。通信设备，比如手机，就能自动根据对方系统提示恢复数字或者符号，从而实现自动拨号功能，这在如今的电话银行、语音菜单、分机呼叫系统中使用效果尤其明显，可见DTMF在手机上的使用可以带来更多的便利和精彩。如表1所示，双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如“1”相当于697Hz和1209Hz。交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。
表1 双音多频信号频率
高频群频率（Hz）
低频群频率（Hz）1209133614771633
697123A
770456B
852789C
941*0#D
在课堂上，可以用Pspice等软件仿真让学生看到DTMF信号的波形，也可以利用加法器使学生理解：非正弦周期信号可以由不同频率的正弦量叠加而成，这是线性系统的重要思想。尝试进一步发问：DTMF信号如何编码和解码？当利用VoIP（Voice over Internet Protocol）技术等进行声音压缩传输时，还能直接发送原始信号吗？这样使得通信类学生有了一定的专业素养。

七、结束语

“电路原理”是电类专业学生的第一门专业基础课程，对学生以后的专业学习有着深远的影响。与工程应用融合的教学策略在考验着教师的工程素质、研究经历和实践经验，课堂教学又是大学教育的主战场，教师在对电路理论分析和计算的同时，应尽可能把内容融合工程实例，把抽象的概念现实化，给学生以电路相关应用的启迪和工程实际的体验，有助于学生理论联系实际，在潜移默化中培养工程意识和创新理念。[5电路原理课程中融入工程实例的教学实践由提供海量免费论文范文的www.udooo.com,希望对您的论文写作有帮助.]
参考文献：
[1][美]海特.工程电路分析[M].周玲玲，蒋天乐，译.北京：电子工业出版社，2006.
[2]刘敏华，吴桂峰.电路分析基础课程案例教学法探讨[J].中国现代教育装备，2011，（23）.
[3]李悦丽，张汉华，黎向阳.电路原理课程中培养学生工程观念的实践[J].中国电子教育，2013，（2）.
[4]胡岩，袁宏，高有华，等.电路理论在电气工程中的若干应用[J].电气电子教学学报，2009，（1）.
[5]焦永功，常青.技术基础课教学中对学生工程观念和策略的培养理由[J].电气电子教学学报，2003，（3）.
（责任编辑：王意琴）