戴维南定理实践教学设计

2019-11-05 08:10曹灿云
科技视界 2019年27期
关键词:实践教学教学模式

曹灿云

【摘 要】本文分析了戴维南定理在实践教学过程中存在的问题及教学难点,结合本校学生的特点,重新设计戴维南定理实践教学,弱化教师的作用,突出学生的主体位置,培养学生发现问题、解决问题、自主思考的能力。

【关键词】戴维南定理;教学模式;实践教学

中图分类号: TM13-4;G434  文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)27-0154-002

DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.068

0 引言

戴维南定理是由法国电气工程师戴维南于1883年提出的[1]。戴维南定理指出:“一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口,对外电路来说,可以用一个电压源和电阻的串联组合等效置换,此电压源的激励电压等于一端口的开路电压,电阻等于一端口内全部独立源置零后的输入电阻”[2]。戴维南定理是电路学中非常重要的一个定理,对分析、解决复杂电路中单一参数(比如某一条支路的电压、电流、电功率)的求解非常有利,但同时也是一个教学难点,许多初学者普遍反映戴维南定理较难,尤其是含受控源的电路,很多同学无法找到切入口。

对于戴维南定理的教学过程中,传统教学模式是:授课+例题+作业+实验。教学过程中,出现以下主要问题:(1)由于《电路》是一门理论性较强的学科,电路分析和公式推导非常枯燥无趣,很多同学对此提不起兴趣,所以授课的整体效果并不理想。(2)本校学生的基础较为薄弱,部分同学不能举一反三,只会解同类型的题,不会深层次的进行挖掘,遇到实际应用,不能加以灵活运用。(3)实验课中,只是简单地按照实验步骤,用仪器仪表搭建一个电路,然后测量相应的参数,整节课下来,只是得到了测量数据,动手能力,思考能力并没有提高。

针对以上戴维南定理教学过程中存在的问题,本文作者重新设计戴维南实践教学,辅助于《电路》课堂教学,并提高学生的自主学习能力,动手能力,运用课堂知识解决实际问题的能力。

1 教學环节设置

广东石油化工学院电子信息工程学院电工电子教学中心所开设的《电路》、《电工学基础》、《电工与电子技术》等电类课程中,《戴维南定理的验证及应用》实验是4学时,即180分钟,我们阐述一下如何设计戴维南定理的实践教学。

首先,我们合理地把课堂时间分割成三个部分,比例约为“1:9:8”。

1.1 比例“1”:教师教学授课

大约10分钟,要求教师简明扼要地介绍定理及所含的概念(甚至可以略去定理的讲解),重点介绍仪表仪器使用规则及注意事项。可根据学生掌握程度、学生基础强弱等适当删减讲解部分的时间。

本实验室采用电工台来完成电路实验,因此,电源模块我们并不需要搭建,只需要讲解直流电源的使用规则,特别强调电源不能短路使用,同时对直流电压表、直流电流表的使用规则做简要的说明。

1.2 比例“9”:学生实验操作

学生完成戴维南定理的实验操作,整个过程中以学生为主体,强调学生自由探讨。教师只是一个观察者,记录学生在实践操作过程中的错误、知识误区等情况,以便在今后的教学中及时调整教学方式,不能介入学生的实践操作,学生的错误过程也不需要及时去纠正,让每个小组成员之间充分讨论,小组之间也可以开展讨论。教师可以适当地参与学生的讨论,但不能作为主体参与者。这部分要求在90分钟内完成。

实验线路如图1所示(若学生学有余力,建议他们自行搭建一个可以用于实验的线路)。本实验中,关键是在对电路参数UOC,RO的测量,方法有很多种,我们选择三种方法,让学生自己一一验证,并对三种方法优缺点做出对比。

1.2.1 开路电压、短路电流法

在有源二端网络输出端开路时,用电压表直接测其输出端的开路电压UOC,然后再将其输出端短路,用电流表测其短路电流ISC,则等效内阻RO:

RO=UOC/ISC(1)

1.2.2 伏安法

用电压表、电流表测分别测出有源二端网络在不同的负载情况下的电压、电流,并绘制出有源二端网络的外特性曲线即伏安特性,如图2所示。

1.2.3 零示法测UOC,半电压法测RO

如图3所示,零示法测量原理是用一个内阻较小的直流稳压电压源与被测有源二端网络进行电压比较,由KVL(基尔霍夫电压定理)可知,当直流稳压电压源输出的电压与有源二端网络的开路电压相等时,电压表的读数将为“0”。此时直流稳压电压源输出的电压,即为被测有源二端网络的开路电压UOC。

如图4所示,当负载电压为被测网络开路电压UOC的一半时,负载电阻(由电阻箱的读数确定)即为被测有源二端网络的等效内阻值。

等效参数测量完之后,要求学生自制表格,结合十进制电阻箱,完成对原有源二端网络外特性(伏安特性)的测量。

搭建一个戴维南等效电路,并对戴维南等效电路的外特性进行数据测量。学生在搭建戴维南等效电路实验线路时,不再局限于老师提供的实验线路,由学生设计方案,这样学生设计的实验方案各具特色。部分同学会选择用可调电位器模拟等效电阻,直流稳压电源输出大小为实测的开路电压值,加上十进制电阻箱组成实验线路;部分同学则直接采用除源方式,把原有源二端网络中的电压源短路,电流源开路开路后,在端口串联上实测的开路电压UOC和十进制电阻箱完成实验线路的搭建。

实验过程中,学生是作为主体,各类问题的解决均由学生自己讨论,实验过程中,不断地发现问题,纠正错误,优化方案,对戴维南定理的理解就会更透彻。

1.3 比例“8”:拓展提质环节

教师就实验情况提出问题,学生们讨论;学生向教师提问,解疑答惑;教师提出新的例子,要求学生在课后通过练习,对实验做出总结,提升教学质量。这部分大约需要80分钟,可以适当增加时间,以便学生能够更深刻地理解。

1.3.1 教师提问

问题一:此实验中如何体现出等效变换—对外等效的概念,电路等效变换的条件是什么?

问题二:如何通过实验的方法证明两个电路是等效的?

问题三:如果二端网络的内阻很小,是否可采用开路电压、短路电流法测等效参数UOC、RO?为什么?如何解决?

问题四:如果二端网络的内阻很大,是否可采用伏安法测等效参数UOC、RO?为什么?如何解决?

问题五:零示法测量测等效参数UOC时电压表是否改用电流表?为什么?如何解决?要求学生现场搭建电路进行验证。

问题六:对于非线性元件,戴维南定理成立吗?要求学生自己利用二极管、稳压源、电阻箱设计一个简单的电路完成验证。

问题七:网络中含线性受控源,戴维南定理成立吗?同样,利用实验台上的受控源模块,搭建一个简单的电路来完成。

问题八:戴维南定理与诺顿定理在什么情况下互为等效状态?什么情况下两者不能等效?为什么?

1.3.2 学生提问

在实验过程中遇到的问题,学生可以在这个环节中对老师提出,老师做出解答。

1.3.3 布置新例题

根据学生掌握程度,适当辅助一道例题,并要求学生在课后完成练习。最后对本次实验课做出总结,将教师在巡视实验操作过程中见到的操作错误、错误设计方案等一一指正。

2 实验效果分析与体会

在戴维南定理验证实验中,尽管在测量等效参数时,由教师提供电路图,但等效电路实验线路的设计、实验步骤的拟定以及实验的具體实施,均由学生自己完成;在提问环节,我们又增加了三个实验线路,在这三个实验线路中,尽管我们要求设计一个简单的电路,但由于要求学生现场设计方案、拟定实验步骤并完成实验,这对学生而言,具有一定的(下转第187页)(上接第155页)挑战性。基于问题驱动、研讨式教学模式,学生不再机械地根据教师的安排做实验,而是主动学习、认真思考,相互探讨,探究式地完成实验任务,这不仅拓展了学生的思维能力,而且提高了学生自主实验能力和创新能力[3]。

3 结束语

本文重新设计了戴维南定理实践教学方案,将设计性和研究性融入其中,弱化了教师的作用,突出学生中心地位。学生在实验过程中发现问题,讨论问题,解决问题,有效地促进学生自主探讨,培养了学生思考的能力。这种方式不仅适用于戴维南定理的验证实验,对于《电路实验》课程其他实验以及对于像“电路分析实验”这种专业基础课程来说,都具有一定的参考价值。

【参考文献】

[1]冯清娟.如何做好戴维南定理的教学设计[J].电脑知识与技术.2016,5:149-150.

[2]邱光源.电路第五版[M].高等教育出版社.2018,3:91.

[3]何新霞,王艳松,马文忠,等.“电路分析实验”课程融合设计性和研究性的探索[J].电气电子教学学报.2016,6(38):120-123.

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