一阶电路过渡过程引导启发式教学探索与实践

摘要：根据独立学院实际教学情况，在教学过程中淡化数学推导证明，强调学生对三要素法的掌握以及对零输入响应、零状态响应和全响应概念的理解，通过对过渡过程实质的分析，讲解一阶电路的过渡过程。实践证明，此种方法不仅能够使学生很好地理解电路的过渡过程，同时也提高了教学效率，有利于实现精讲多练的目标，符合应用型人才的培养理念。

关键词：独立学院；教学方法；过渡过程

作者简介：何英昊（1978-），女，锡伯族，辽宁辽阳人，大连理工大学城市学院，讲师。（辽宁 大连 116600）单世民（1978-），男，辽宁大连人，大连理工大学软件学院，讲师。（辽宁 大连 116622）

中图分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）07-0082-02

过渡过程普遍存在于自动控制、电子技术及测量技术等应用中，在电子技术的生产实践中占有重要地位。因此，不管是在电类专业的“电路理论”，还是非电类专业的“电工学”、“电子技术基础”等课程中，都将过渡过程列入了授课的重点内容。

一阶电路的过渡过程是高阶过渡过程的基础。典型的一阶电路过渡过程包括零状态响应、零输入响应和全响应。目前，绝大多数学校对过渡过程的教学都是从数学分析的角度出发，首先介绍零输入响应，然后介绍零状态响应，最后介绍全响应。这种方式具有逻辑严密、理论性强的特点，但至少需要两个电路，并且必须进行事先铺垫，延长了教学过程。更重要的是，这种方式不利于学生对实验现象的理解，不符合学生的认知顺序。这种影响对于独立学院的学生尤为突出。

因此，笔者借鉴建构主义及混合式学习理论的思想，在分析学生已学内容的前提下，从学生的认知规律出发，提出在教学过程中应先淡化数学推导证明，强调学生对三要素法的掌握以及对零输入响应、零状态响应和全响应概念的理解。然后以学生已有的感性认知为基础，通过对过渡过程实质的分析，讲解一阶电路的过渡过程。最后，引导学生在自主思考的过程中对过渡过程进行理论分析。实践证明，此种方法不仅能够使学生很好地理解电路的过渡过程，同时也提高了教学效率，有利于实现精讲多练的目标，符合应用型人才的培养理念。

一、建构主义与混合式学习方法

在传统的教学过程中，教师起到主导作用，学生被动地学。整个学习过程就是一个在教师指导下的“记忆→理解→使用→再记忆”的过程，很难发挥学生学习的主观能动性。学生虽然掌握了大量理论，但对于新问题却不知如何应用理论去解决。与传统的教学过程相反，建构主义认为学习者应以已有知识和经验为基础，主动地、有意识地将新知识与原有知识交互，将其内化为新的认识结构，将学习过程由原先的被动接受变为积极的自主构造。建构主义强调教学过程中的学生主导性，是一种以“学习者为中心”的教学方式。这种方式对于促进学习者掌握与运用理论方法具有十分重要的作用，有利于培养学生的自主学习能力。但事物具有两面性，建构主义的教学方法在一定程度上增加了学习难度，延长了学习周期，不利于提高教学效率和教学效果。

因此，国际教育技术界在总结网络教学经验的基础上，为已有的混合式学习（Blending Learning）理论方法赋予了全新含义，指出应将自主学习方式与协作学习方式相结合，既要发挥教师的主导作用，又要充分体现学生的主观能动性。这种全新的含义可以看做是对建构主义的改进，强调学生自主学习重要作用的同时，又强调了教师的引导启发在教学过程中的重要地位，符合我国对创新人才培养的需要，有利于实现独立学院所倡导的培养应用型人才的总体目标。同时也为高效地引导学生学习，提高教学效率提供了有益的指导。

二、基于学生认知规律的一阶电路过渡过程的教学设计

典型的一阶电路过渡过程包括零状态响应、零输入响应和全响应。在讲解过渡过程之前，学生已经掌握了充电、放电的理论知识，而过渡过程的实质就是对储能元件的充放电过程。因此，在教学中笔者借鉴建构主义及混合式学习理论的思想，采用了“先充电、后放电”（即先讲零状态响应，后讲零输入响应）的总体讲解思路，辅以突出学生主观能动性的分析引导式教学，使学生能够充分利用已学知识分析问题，符合学生对问题理解的思维方式，有助于学生分析问题、解决问题的能力培养。

1.预备知识

在实际讲解中，如图1所示的一阶RC电路过渡过程分析图被先后用来讲解零输入响应和零状态响应，此种教学设计使学生能够在一个具有延续性的场景中分析问题，有助于其系统化知识体系的形成。

在此电路中，初始状态下开关处于3的位置，电路达到稳定状态。此时，说明储能元件中没有初始储能。当开关由3置1的瞬间，根据换路定律可知，在换路的瞬间，电容两端的电压为零，电源电压全部施加在电阻上，电阻消耗电源的能量。此时，由于电路的结构发生了变化，进而引发了过渡过程。当过渡过程结束，电路进入到新的稳定状态时，电路中电容两端的电压为，储能元件中有了能量。这就是零状态响应。完成零状态响应后，电路进入另一稳态，电容已经被电源充电，储存了一定的能量，电容电压为。此时，开关由位置1变到位置2。由于电容存有一定能量，电容的储能将被电阻所消耗（即电容通过电阻放电）。最终，电容的能量被电阻耗尽，电容电压稳定为零。整个过程又是一个能量再分配的过程，亦即零输入响应过程。零状态响应和零输入响应合在一起即为全响应。

2.零状态响应讲解方法

在讲解零状态响应之前，首先对电路的构成及初始条件进行介绍。然后，引导学生使用充电过程的知识分析电路的物理特征变化。通常学生都能够分析出对储能元件充电的过程，甚至可以将其理解为一个能量再分配的过程。这样，学生可以在未接触零状态响应具体概念的情况下完全理解掌握其物理意义。此时，再对零状态响应的具体概念进行阐述，可以进一步加深学生对理论知识的理解，有助于学生总结归纳能力的培养。在此基础上，对衡量充电过程快慢的时间常数的理解与掌握也就自然水到渠成了。

3.零输入响应讲解方法

采用与零状态响应讲解过程类似的方法，采用“设定场景—分析问题—理论归纳”的思路讲解零输入响应过程。两者的区别仅在于物理规律的不同：零状态响应分析的是充电过程，而零输入响应是放电过程，并且两者的初始条件也不相同。与零状态响应的讲解类似，在总结归纳零输入响应概念之后，也要自然引出衡量放电过程快慢的物理量时间常数。

在教学实践中发现，学生在理解零状态响应过程是一个对储能元件充电的过程后，会自然而然地理解零输入过程的电容放电过程，进而总结出过渡过程就是电路中能量再分配过程的结论。

4.全响应讲解方法

在学生对零状态响应和零输入响应有了充分的认识后，采用启发式方法，引导学生利用线性电路叠加性原理对全响应过程进行分析。由于求解恒定激励下一阶电路的全响应需要应用三要素法，因此全响应的理论也可以在三要素法中进行进一步深入讲解，此处不再赘述。

至此，对于一阶电路过渡过程的讲解全部完成。可以发现，此讲解过程突出了学生的自主分析，训练了学生分析问题的能力。

此外，进一步加深了学生对一阶电路过渡过程的认识和理解，还应用Multisim软件进行了一阶电路过渡过程的仿真。仿真实验中，利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为正阶跃激励信号；方波下降沿作为负阶跃激励信号。只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，则电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应和直流电源接通与断开的过渡过程是基本相同的。图2即为一阶RC电路仿真结果图。仿真实验的现象与理论授课的过程相互验证，利于学生对知识的接受理解和应用。

三、结语

本文提出从过渡过程的实质出发，结合学生认知规律讲解一阶电路过渡过程的讲解方法是在实际教学工作中进行的一些尝试和探索，其所借鉴的建构主义及混合式学习理论的思想和教学过程中所使用的引导式教学方法也可以应用于独立学院其他课程的教学。人才培养工作是一个复杂的系统工程，面向应用型人才培养的教学方法需要在不断的实践中总结和完善。

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（责任编辑：麻剑飞）