张天然 常路宾 谭 浩 费雯丽

海军工程大学电气工程学院 湖北武汉 430033

海军工程大学在1949年成立了电工基础教研室,1950年开设了电路课程。电路作为重要而经典的课程要进行改革创新的原因一方面是新技术的发展与实验平台的革新;另一方面是为战育人。这与地方大学的培养目标不同,专业课与战斗力相关度高,但专业基础课又是专业课的保障与前提,因此目标是既保持经典理论的厚基础,又能提升电路课程与专业课、实战的耦合度,但专业课的难度较大会降低学生兴趣,专业基础课正好是过渡课程,既要保持学生的学习热情和动力,更要为专业课的学习打下坚实专业基础。但学生的兴趣是目前遇到的较大挑战,学生面临体能、纪律、日后工作去向等多影响因素的挑战,使部分学生出现了对电路等课程缺乏兴趣的问题。

兴趣是学生学习的最大动力,学生只有对我们的目标课程产生了课堂以及课外的兴趣,才会真正达到自主学习以及学以致用。于是,基于一代又一代的国外以及国内学者的翻译、总结工作才使牛顿力学能够更加简明。1687年的《自然哲学的数学原理》,是牛顿用拉丁语写成的,其严密的推导使书稿页数超过了一千。但各大学的大学物理以及物理力学的教科书仅用很短的篇幅就介绍了大致的定律内容[1]。虽然忽视了数学上的部分推导,但对本科生入门更容易,直接提升了学生的学习兴趣。如果物理教学始终墨守成规,直接进行复变函数等学习推导牛顿力学公式将会非常艰难。

而电路课程所用的课本也是如此,国内各大学使用的电路、电路原理课本已经浓缩,将最常用的定理和公式用最简易的方法进行证明和推导来增加入门效率。如果不将一些原本较为复杂的推导以及较难的知识进行总结概括,使其更加简明容易理解,则必然会让兴趣与知识产生巨大分歧。

一、了解学生生源,因材施教“打捞”学生学习电路的兴趣

目前海军工程大学有34个本科专业,涵盖理工科几乎全部领域。而目前的要求是宽口径、厚基础。其中宽是拓展学生的视野,使学生可以把复杂的理论联系实际生活、工程、军事上的问题,为使学生了解电路原理在各个领域的应用,“打捞”学生的兴趣点并提升学员联想的逻辑思维能力。厚基础正是提高了基础课和专业基础课的地位和要求,全面提升学生的理论基础和逻辑思维能力来适应国家战略的要求。

要想实现上述宽口径、厚基础的目标,电路作为专业基础课就必须结合大学本科的教学特点和不同学生生源的认知规律,解决如何讲电路课的问题。那么生源从一定程度上决定了因材施教的根基。

从各地的本科招生情况来看,不同专业学生的分数相差很大,或者同一专业不同地区的学生的基础也有不同,不同分数段的学生对基础理论部分的掌握程度差距很大,因此必须因材施教,针对性地“打捞”学生兴趣,激发学生的学习动力,其意义与难度不言而喻。

为了因材施教,针对性地“打捞”学生兴趣,激发学生的学习动力,大致将学生分为两大类。而如何分类则要根据其大学一年级的基础课的成绩,例如高等数学、大学物理、大学化学,并综合学生的电路期中考试之前的课后作业情况、实验报告完成情况以及电路课程期中考试的考试成绩来判断。可以将班上学生分为理论基础较弱的学生和理论基础较好的学生两大类,针对这两类学生,具体因材施教的措施如下:

(一)针对理论基础较弱的学生

立足于学生在平时生活中发现的简单电路问题,从这些生活中的问题出发,引导学生分析出现问题的原因,并最终通过动手实验的手段解决生活实际问题。

该方法在实际应用中可以有效提高学生的实践动手能力和解决实际问题能力,同时激发学生的学习和探索兴趣,从身边能做的电路问题一步一步抓紧抓实。例如:

(1)日光灯管的修理;

(2)三相接线板的安装;

(3)四驱车电动机的改装;

(4)家庭配电箱、配电盒中火线、零线、地线的查线、改线等。

(二)针对理论基础较好的学生

普通日常的电路小问题对基础好的学生来说可能难度太小,因此还需要在日常简单电路问题的基础上应用一些仿真软件来提高其兴趣。仿真就像玩游戏一样,搭建自己的电路阵地,输入一定的能量,改变不同参数,输出不同的曲线,验证自己的猜想或者发现一些问题。

常用的电路仿真的软件有Multisim、Simulink、Proteus pro、TINA-TI、Infineon Designer等软件,但用作本科生的教学工具,与其他软件相比,Multisim具有一定的优势:

(1)操作界面非常简易且有中文的汉化版,方便学生迅速入手效率高;

(2)常用电路元件基本都自带直接拖出来使用;

(3)电路分析计算功能相对精确、仿真显示数据波形方便等[2]。

与传统的硬件实验相比,仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代,通过软件升级就能保持实验的先进性。一些因仪器价格昂贵而无法开展的实验,通过仿真就能够容易实现。同时,Multisim电路仿真实验打破了时间和空间的限制,学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验,并根据自己的兴趣爱好,选择一些传统实验较少涉及、用传统方法进行实验比较烦琐的实验内容进行仿真实验,增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力。仿真实验方式可以满足不同层次学生的需要,从而大大扩展实践空间和实验范围,有利于学生开展探索性、研究性实验。

我们以电路课程中的交流电路部分——交流稳态电路的功率与功率因数提高为例。在前一节课已经通过理论课堂的部分对功率和功率因数的概念和计算进行了讲述,后续要进行功率、功率因数和功率因数提高的电路实验。在实验课之前,我们要求学生对负载功率因素的提高进行仿真,给学生提供了电路的原理图如下图1所示,请学生课前完成仿真并进行理论分析,用相量图法分析为什么并联电容可以提高功率因数,提高功率因数的原则(限制条件)是什么。

图1 负载功率因素提高电路原理图

已知灯管不并联电容时的部分参数为:额定电压220V,负载功率因数已通过实验测定为0.5,根据实际日光灯管的型号确定了额定工作时有功功率P=24W,如下表2所示。请搭建电路进行仿真,计算电流、电阻、感抗和电感值,并填写表1,再在日光灯管两端并联不同电容值的电容,仿真测量电压、电流、功率和功率因数填写表2。

表1 负载不并联电容时数据

表2 负载并联电容时数据

采取上述的教学方法,在2022年对所教班级的学生进行了类似上述案例的线上的电路仿真课程。班上的学生在家中电脑上完成的质量非常高,可以采用当堂截屏录屏等方式在线检查学生的掌握情况,其教学效果良好。而后学生回归线下课堂的实验室实操时,学生对基本概念以及操作流程掌握的更快、更扎实。

二、依托电工技能创新与实践俱乐部,“打捞”学生的实用和创新兴趣

通过课前、课中以及课后三个阶段,我们可以发现许多基础优秀的学生。对于学习基础非常扎实的优秀学生,我们发现其兴趣点在于学习更多课本外、大纲外的实用技能和创新知识。因此,我们鼓励他们进入电工技能创新与实践俱乐部,选取培养内容,在保持本课程的基础上,更加着力培养学生的创新精神和创新意识。学生完成俱乐部的学习和实操后,要具备提出和解决与专业课相关电路问题的能力。我们希望依托电工技能创新与实践俱乐部,使学生达到这样的实力。最终不仅仅考取国家中高级电工证以增强实操自信,更锻炼出一定的创新实力。

在实验楼已经建成拥有独立可容纳30人的授课、培训和实操场所,所使用的高级维修电工实训考核装置见图2。配备了强大师资力量,为俱乐部的成员答疑解惑。以锤炼学员电工专业技能,提升学员电气职业素养,培养海军技术尖兵为原则;本着为学员发现自我、展示自我、锻炼自我、提升自我电工实操技能的出发点;服务于“为战抓教,为战练兵”“紧盯科技之变、战争之变、对手之变”。

图2 高级维修电工实训考核装置

俱乐部具体培养方法:

(1)以电工证培训为抓手继续进行每周一次的培训,进行签到打卡,并由俱乐部学生干部进行检查,提升成员动手能力,真正做到俱乐部人人敢实验,人人会排障,每年培养优秀学生考取中级或高级电工证,为到部队下基础做工作打下基础。

(2)此外,仅仅会操作台上的实验与排障是不够的。每个专业所学的专业课不同,但通过邀请校内外优秀的电路课老师以及专业课老师举办知识讲座,让学生开拓学员视野,丰富学识,了解其他专业课大致的目标、任务以及核心,为基础好的学生也提供了互相交流的平台,真正为电路课与专业课服务。

(3)依托俱乐部,积极准备,进行电气方面的竞赛培训,为动手能力非常强的俱乐部成员参加竞赛提供平台。

(4)邀请部队中已经到基层的学长到学校来为大家讲解战位中、岗位中的电工技能,让电工技能向基层靠拢,了解一线部队中存在的真实问题。

结语

要提高军校学生对先进的武器装备的应用,提高打仗作战实力,就要培养学生的逻辑、知识,最大限度地发挥武器装备效能[3]。军校教学中有计划地培养学生是原则,而这个培养过程中面临的较大挑战之一是学生的兴趣。这是目前从事军校教学的广大教员实践所遇到的问题,军校学生面临体能、纪律、日后工作去向等多影响因素的挑战。同时,专业课的难度较大会降低学生兴趣,而电路作为理工科专业中基础课与专业课间的桥梁,其使命是既要保持学生对专业方向的学习热情,更要为专业课的学习打下坚实专业基础。对此,本文提出了两点措施:因材施教与俱乐部拓展训练是目前的电路课程改革的两点方法。这两点方法协同作用来“打捞”不同生源的学生的兴趣,满足不同专业、不同基础的学生对工作或读研更直接相关内容的学习期待。努力继续改进具体课堂内外的教法,努力做到“宽口径、厚基础”,努力构建电路课程成为理工科专业中基础课与实战应用间的桥梁。