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电气工程自动化电路原理课程教学改革

2019/12/03 阅读:

摘要:为了改善学生对电气工程及其自动化专业电路原理课程的学习效果,文章从优化课程教学内容、加强电气工程及其自动化专业需要的知识点的教学、电路实验改革和考核方式改革四个方面论述了电气工程及其自动化专业电路原理课程教学改革。

关键词:电气工程及其自动化;电路原理;考核方式

“电路原理”是北方民族大学(以下简称“我校”)电气工程及其自动化、自动化、测控技术及仪器、信息工程、通信工程等电气信息类专业一门必修的专业基础课[1]。由于是学生接触的第一门专业课,学生的学习还停留在高中物理电路的思维惯性中;加上课时少、内容多,教师上课所讲的只是“电路原理”的主干知识,对于电气工程及其自动化专业需要加强的内容没有安排;电气工程及其自动化专业在学习完“电路原理”之后就开设电机学、电力系统分析等专业课程,没有如测控技术及仪器专业的“测控电路”、通信工程专业的“通信电子线路”等电路衔接课程;再加上实验部分对测量技术和实验方法缺乏系统训练,动手环节和设计性内容少,没有三相电路实验,导致电气工程及其自动化专业学生对“电路原理”课程的学习无法满足后续专业的学习要求。区别于其他电气信息类本科专业,电气工程及其自动化专业对“电路原理”课程的内容和侧重点要求均不同。由于我校“电路原理”是电气信息类专业平台课,在教学过程中无法满足电气工程及其自动化专业培养创新人才的要求,因此,本文从培养创新型应用人才的角度出发,以提高学生对“电路原理”课程理论知识理解及实践动手能力为目的,对课程理论教学内容进行优化设置、加强电气工程及其自动化专业需要的一些重要概念和知识点、改革实践教学模式和考核方式。重点突出教学内容优化、实验内容设置及实验模式的改革,为我校培养创新型应用人才奠定基础。

一、优化课程教学内容

课程体系的优化是培养高素质工程技术人才的重要前提。“电路原理”是一门较成熟的专业基础课程,笔者结合我校电气工程及其自动化专业培养方向,从培养创新型应用人才的角度出发,对课程体系及内容安排进行了整合和优化。“电路原理”是电气工程及其自动化专业一门重要的专业基础课,有些内容会出现和后续课程重叠的现象,且教学要求和目的基本相同。例如“电路原理”均匀传输线部分与后续课程“工程电磁场”和“高电压技术”内容有重叠,且“工程电磁场”和“高电压技术”课程均匀传输线部分教学要求能满足“电路原理”课程的要求;“电路原理”中电路的频率响应内容和“自动控制原理”内容有重叠,且“自动控制原理”对这部分的要求比“电路原理”更具有深度。同时,我校电气工程及其自动化专业“电路原理”课程,选用的教材是高等教育出版社出版邱关源主编的《电路》(第5版)。由于教材共有18章,内容多,授课课时紧张,教师在教学过程中就可以删减这两部分内容。有些教学内容虽然和后续课程有重叠,但是不同课程对教学内容的要求和侧重点不同,教师应根据不同课程授课目的的差异,从不同角度和深度设置教学内容[2]。如在讲授完三相电路之后,教师可以加入对储能元件(电感、电容)知识的拓展部分。以电容章节教学为例,以往的教学经验表明,学生对电容的认识仅是理论概念的记忆,对于法拉有多大、电容是不是绝缘体、电力电容和电子电容的区别并没有感性认识。因此,对于电容部分教师应加强学生对电容单位、结构、作用、性质、在直流和交流作用下充放电的动态过程、在特定电路中功能的理解,尤其是加强学生对串联电容和并联电容功能的理解。由于“工程电磁场”和“电机学”自感、互感和铁芯线圈对学生的知识学习要求较高,因此附录A中的磁路和铁芯线圈应加入教学安排。

二、加强电气工程及其自动化专业需要的知识点的教学

针对我校电气工程及其自动化专业的学生,教师在教学中应突出“系统”的概念,要求学生重点掌握储能元件、正弦稳态电路的分析、一阶电路和二阶电路的时域分析、向量法、含有耦合电感的电路、三相电路等知识,并关注相关知识在电气工程学科的要求,注重其在电力系统领域的应用。教师在授课时应引入电气工程实例,使学生逐渐熟悉“电路原理”理论电路与实际电路之间的联系,不断培养学生从实际电路到理论电路建模的思维方法。例如,教师在讲正弦稳态电路的分析时,可以搭建日光灯实际工作电路,通过讲述日光灯工作原理[3],分析镇流器在日光灯启动和工作状态时的作用,使学生理解电路状态发生变化时电感在电路中的作用及感性负载提高功率因数的原理与方法。对于抽象、难以理解的概念,则采用Flash动画使学生理解电路系统的动态特性。例如,讲含有耦合电感的电路时,教师可以引入Flash动画,学生可以更深入地理解电感分别通过磁路和电路耦合的原理。在讲一阶电路和二阶电路时采用Flash动画,使学生深入理解储能元件电场(磁场)的建立过程及能量的流动过程。对于定理的证明,教师可以引入Mutisim仿真软件进行演示,提高学生的学习兴趣,如叠加定理、基尔霍夫定律的证明等。比如,在“电机学”“电力系统分析”和“电力系统继电保护”课程中,经常提及阻抗的性质。教学经验表明,许多学生没有理解透彻。对于RLC串联电路在复平面中,电阻是实部,电抗是虚部。电阻是阻抗向量在实轴上的投影,电抗是阻抗向量在虚轴上的投影,分为感抗和容抗,虚轴正向是感抗,反向是容抗,电抗等于感抗减去容抗,如果感抗大于容抗电抗呈感性,反之呈容性。在“电路原理”三相电路线电压(电流)与相电压(电流)关系中,只提到了如式(1)所示的关系,授课时教师没有讲解到线电压(电流)是相电压(电流)的一种线性变换形式,如式(2)所示。由于学生只建立了线电压(电流)与相电压(电流)的数值关系与相位关系,没有建立线电压(电流)与相电压(电流)的线性变换关系,所以学生无法理解在电路结构和状态发生变化时线电压(电流)与相电压(电流)的关系会发生变化。导致教师在“电力系统分析”讲授对称分量法时,在课后学生经常会问到正序电压(电流)、负序电压(电流)、零序电压(电流)是什么,正序电压(电流)、负序电压(电流)、零序电压(电流)的物理意义是什么。其无法理解正序电压(电流)、负序电压(电流)、零序电压(电流)是三相电压(电流)的一种线性变换形式。

三、电路实验改革

我校电路原理实验教学之前使用的是“电路原理”实验箱,近年引入了Mutisim虚拟仿真实验系统,具体实验采用实验箱和Mutisim虚拟仿真实验系统结合的方法,教师依照多年教学经验和“电路原理”教学规律编写实验指导书,学生在实验指导书和实验教师的指导下完成实验,验证电路功能。学校也开设部分设计性实验,但只是动手连接电路,没有体现创新能力的培养。由于模块化的实验箱中电路种类、数量和功能都是确定的,学生实验时只是连接导线,没有自主设计电路的环节,导致学生的实验结果都是一样的,所以在实验数据和结果分析时没有给学生提供思考和探索的空间,限制了学生的创新思维,不利于学生创新能力的培养[4]。利用Mutisim虚拟仿真实验系统开设的实验也是以验证电路功能为主,没有体现学生创新能力培养的环节。为满足电气工程及其自动化专业对“电路原理”实验的要求,笔者认为可将“电气测量”实验室和“电路原理”实验合并,并购置面包板、电抗器、电容器、互感器、变压器、负载箱等电气设备。在实验前,教师依托“电气测量”实验室的设备加强学生实验测量能力的训练,实验过程需要学生搭建所有实验电路,使学生熟悉理论电路元件与实际电路的联系,逐渐掌握电路系统的建模过程。同时增加设计性实验内容,从实验方案确定、实验电路搭建、实验数据采集与测量到实验结果分析,学生全过程自主设计,以培养学生的创新能力。另外,学校还可以开设三相电路实验,搭建实际三相电路模型,使学生掌握对称负载、不对称负载三相电路的实验,理解中性线在不对称负载电路中的作用;扩展一阶电路和二阶电路的实验内容,使学生充分理解储能元件在电路中的作用及储能元件的动态特性。

四、考核方式改革

近年来,我校“电路原理”课程开展了慕课教学,教学效果得到了很大提升,考核方式也有了较大的改革,提高了学习过程评价在总评成绩中的比例,试卷增加了基本原理的考核内容,增加了填空题比例。此外,针对电气工程及其自动化专业“电路原理”课程,学校在现有考核方式的基础上增加了“电路原理”课程总结和思维导图,教师需要和学生交流各自的思维导图,对思维导图给出合理解释与理解,并将思维导图计入总评成绩,使学生对“电路原理”知识得到系统理解。具体实践中,“电路原理”课程的考核改革为“平时表现+期末测评+实践”三个部分。平时表现占总成绩的35%,其中,作业完成情况占5%、课堂讨论占10%、课程总结及思维导图占10%、学习态度等指标占10%;期末测评占总成绩的35%,同时教师应注意在试卷中增加基本原理的考核内容,增加填空题比例;实践考核占30%,教师通过电路仿真评价学生的操作技能水平。通过相对完善的考核,促进学生知识与能力同步提高。

五、结语

“电路原理”是电气工程及其自动化专业第一门必修的专业基础课,电气工程学科许多基本概念都是从这门课开始建立的,再加上实践性较强,学生学习难度大。随着电气工程新技术不断出现,新工科对电气工程及其自动化专业要求的不断提高,对“电路原理”课程的要求也越来越高,我们应该利用新的教学手段、新的实验模式、先进的实验设备,积极研究和探索教学方法。通过对“电路原理”课程的改革,我校电气工程及其自动化专业学生学习效果得到了改善,但仍存在一些问题,需要不断地进行探讨与完善。

参考文献:

[1]刘耀年.电路[M].北京:中国电力出版社,2013.

[2]邵琳林.“电路原理”课程教学的改革与探索[J].科技资讯,2016(22):113-114.

[3]马丽萍,徐健.“电路原理”课程教学改革研究与探索[J].教学研究,2018(10):86-87.

[4]谢丽萍,孝大宇,齐林.基于虚拟仿真技术的电路原理实验教学改革研究[J].中国教育信息化,2018(22):67-69.

作者:李学生 单位:北方民族大学电气信息工程学院

电气工程自动化电路原理课程教学改革

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