实作考核在电类基础课程中的重要性研究

李玲，周波，艾娉婷

（海军大连舰艇学院，辽宁大连，116018）

0 引言

《电路分析基础》、《模拟电路》和《数字电路》三门课程并称为电类基础课程。学习该类课程的目的是为了让学员掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法[1]，培养学员运用电类基础知识解决实际工程问题的能力，为后续信号与系统、自动控制、雷达原理等专业课程的学习打好基础，为未来发展储备电类方面的基本知识和技能。

课程考核是检验学员对课程内容理解和掌握情况的重要手段，学员在校所学的每一门课程都设定有考核评价方式。为了更加及时、全面、客观地评价学员在整个学习过程中的学习效果，近年来，我院的电类基础课程加大了过程性考核成绩比例。目前三门课程的考核方式均是形成性考核和终结性考核相结合，各占比50%，形成性考核包括平时作业、期中考试和实作考核，终结性考核采取闭卷考试方式[2]。基于电类基础课程理论与实际联系紧密这一课程特点，为促进学员对理论知识的理解，同时培养学员的动手实践能力，三门课程的教学小组经过多次讨论，设定形成性考核中的实作考核占比20%，并且针对各自的课程特点，采用了多样化的实作考核形式。如《电路分析基础》理论性较其他两门课程更强一些，所以实作考核方式主要是让学员在实验室连接和测量电路，对理论所讲的定理和方法进行验证；《模拟电路》在三门课程中工程性最强，更加强调近似的思想，设计电路需要综合考虑各方面指标性能的影响，并且稳定性较差，所以实作考核方式主张用EWB或Multisim虚拟实验平台对理论所实现的电路进行仿真验证；《数字电路》课程内容相对简单，可实现的功能电路也比较多，所以实作考核方式采用让学员根据理论所学内容，自己搭建可完成某些功能的实际电路。现以《电路分析基础》课程中第四章“正弦稳态电路分析”为例说明实作考核的重要作用。

1 理论教学中存在的问题

1.1 理论基础

《电路分析基础》主要是分析直流电阻电路、一阶动态电路以及正弦稳态电路这三类典型电路的电压、电流和功率。所谓正弦稳态电路是指，激励和响应均为同频率正弦波的电路[3]。学会分析该类电路是分析非正弦稳态电路的基础。

该类电路的分析依据仍然是电路的两种约束关系，即元件约束和拓扑约束。由于在该类电路中，激励和响应的频率一致，为了分析和计算方便，引入正弦量对应的相量形式，相应地，两种约束也转化为相量形式，如表1和表2所示。

表1 两种约束的相量形式

在对正弦稳态电路进行求解时，需首先将电路图的时域模型转化为相量模型，即各元件特性参数用其对应的阻抗来表征，各电压、电流均以相量形式出现；然后运用解直流电阻电路中的各种方法进行分析和计算。这种借助于相量求解正弦稳态电路的方法称为相量解析法[3]。

在正弦稳态电路中，电路元件除电阻和电源之外，还有电容和电感，因此功率的分类有多种。

（1）有功功率：P=UIc osφ，即电路中电阻元件消耗的功率。

（2）无功功率：Q=UIs inφ，即电路中电容或电感与电源进行能量交换的规模。

（3）视在功率：S=UI，即电路中用电设备的最大容量，也即为保证电路正常工作，供电设备需提供的能量。

1.2 重难点问题

《电路分析基础》课程中电路花样多、概念定理多、分析方法多，并且是学员入校以来接触的首门工程类基础课，历来都是学员学习的难点。而“正弦稳态电路的分析”一章的学习不仅需要学员熟练掌握直流电阻电路中定理和方法，还需要对高等数学中复数的运算有比较好的基础，所以更是本门课程的难点。在本章内容的理论学习中，学员对基尔霍夫定律的相量形式掌握不好，容易将相量之和与有效值之和混淆；对有功功率及功率因数的意义理解不透彻，不明白提高功率因数的实质及如何提高功率因数。围绕这两大方面的问题，在实作考核中设置针对性的实验内容帮助学员理解和掌握。

2 实作考核内容

2.1 验证三角形相量关系

测量图1所示电路电阻两端电压和电容两端电压，改变电容值，重复测六组。根据测量数据验证电压三角形关系[4]，即

图1 基本正弦稳态电路

测量数据如表2所示，从表中数据可以验证，C取不同值时，对应的各组测量数据均不满足，但满足，即三者构成一个直角三角形，斜边为电压U。对于此电路，电阻和电容上电流相同，阻抗角相差90°，所以两元件上的电压相位相差90°，且电容电压超前电阻电压90°，而通过实验数据又验证了两元件电压的有效值之间的关系为，这就说明，验证了基尔霍夫电压定律的相量形式。

表2 基本正弦稳态电路测量数据

2.2 日光灯电路的研究与测量

测量图2所示日光灯电路的端口电压、有功功率、功率因数及各支路电流，改变电容值，重复测六组[4]。分析测量数据，并得出结论。

图2 日光灯电路

测量数据如表3所示，从表中数据可得如下结论：

表3 日光灯电路测量数据

（1）C取不同值时，对应的各组数据均不满足IL+IC=I，说明在正弦交流电路中，流入某一结点的电流有效值之和不等于流出该结点的电流有效值之和，侧面说明了在正弦稳态电路中，基尔霍夫电流定律的相量形式应该为

（2）C取不同值时，测量到的有功功率P和流过日光灯电流IL基本不变，且各组数据均满足P≈UIλ，这首先验证了有功功率计算式的正确性，同时也说明电路中有功功率与电容无关，仅与日光灯电路的等效电阻有关，而日光灯两端的电压不变，所以流过日光灯的电流IL不变，则日光灯等效电阻消耗的功率不变。

（3）随着C值的增加，日光灯的功率因数也提高，但是当C值增加到一定程度时，功率因数不升反降。这是因为日光灯为感性负载，并联电容可抵消感性，进而提高电路的功率因数，但是当并联的电容值过大时，电路又变为容性，故随着容性的增加，功率因数会越来越低[3]。

3 教学实践效果

笔者所在教学小组在2019级学员的教学中实现了理论讲授和实验考核的一致性，任课教员既承担理论教学，又担任实验教员，可以更直观地评价学员的学习效果。

正弦稳态电路的内容较为抽象，理论学习之后，通过做相关的考核实验，明显加深了学员对理论知识的理解，如通过实验1中电压的测量及实验2中电流的测量，学员牢固掌握了基尔霍夫定律的相量形式，很少再出现有效值直接相加的情况；通过实验2中功率及功率因数的测量，学员深刻理解了有功功率的意义，对提高功率因数的实质豁然开朗。

在实作考核中，为了得到有效的实验数据和结论，需要学员提前熟悉理论内容，有时还需查阅实际电路的相关知识，如实验2中日光灯电路的连接，如不了解日光灯的原理，很容易接错电路，从而烧坏保险丝或日光灯管，致使实验失败。所以实作考核的设置调动了学员对本门课程的学习兴趣，提高了他们的自主学习能力，培养了他们分析问题、解决问题的能力，同时对于理实结合的动手实践能力也有极大的促进作用[5]。

另外，在实验数据的分析过程中会发现，理论计算和实际测量之间会存在一定误差，但误差都在10%以内，学员可以直接体会到理论与实际的差别，工程意识感明显增强。

4 结束语

电类基础课程中的定律、定理和分析方法是分析一切复杂电路的基础，也是该类课程学习的重点，围绕如何能让学员深入理解和掌握这些内容，结合课程工程实践性强的特点，在课程考核方式中合理的加入实作考核环节，并且加大实作考核的比例具有重要作用。经过对三门课程两轮的教学实践发现，加入实作考核环节后，学员对理论所学知识更加认可，学习积极性明显提高，自主学习能力显著提升，工程思维和工程意识都得到增强，较好地完成了课程教学目标，培养了学员的综合素质。