“電路”課程教材建設(shè)探討

摘要：在當前電路課程課時大量縮減，強調(diào)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教育理念的指導(dǎo)下，電路教材應(yīng)便于教師組織教學(xué)和學(xué)習(xí)者自學(xué)。如何處理知識體系和學(xué)生認知體系的關(guān)系及電路課程和后續(xù)課程的聯(lián)系，是教材編寫者應(yīng)該考慮的問題。為此，提出模塊化編寫電路教材的思想，對高校電路教材建設(shè)具有建設(shè)性意義。

關(guān)鍵詞：電路課程；教材建設(shè)；模塊化思想

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）18-0049-02

“電路”課程（“電路原理”、“電路分析”、“電路分析基礎(chǔ)”）是電氣與電子信息類專業(yè)的必修課?！半娐贰闭n程理論嚴密，邏輯性強，有廣闊的工程背景。通過本課程的學(xué)習(xí)，對培養(yǎng)學(xué)生嚴肅認真的科學(xué)作風(fēng)、理論聯(lián)系實際的工程觀點、科學(xué)思維能力、分析計算能力、實驗研究能力和科學(xué)歸納能力有重要的作用。

“電路”課程對初學(xué)者來說，往往給人的感覺是概念多、公式多、方法多，如何梳理這些知識點之間的前后聯(lián)系，使其系統(tǒng)化，不僅對教師的教學(xué)能力和專業(yè)素養(yǎng)提出很高的要求，也對電路教材的編寫質(zhì)量提出了很高的要求，電路教材建設(shè)已成為電路教學(xué)改革的重要內(nèi)容。筆者結(jié)合自己的教學(xué)探索和實踐，就如何處理知識體系和學(xué)生認知體系的關(guān)系，以及電路課程和后續(xù)課程的聯(lián)系，提出了電路教材編寫模塊化的思想，將電路課程的知識點歸為電阻電路的分析、動態(tài)電路分析、二端口網(wǎng)絡(luò)和電路方程矩陣形式四大模塊。

一、電阻電路分析

電阻電路分析（靜態(tài)電路分析）分為線性電阻電路分析和非線性電阻電路分析兩部分。其中，線性電阻電路分析包括電路模型、電路定律（歐姆定律和基爾霍夫定律）、電阻電路的一般分析方法（回路電流法、結(jié)點電壓法）和電路定理（疊加定理、替代定理、戴維寧定理和諾頓定理、最大功率傳輸定理等）；非線性電阻電路分析包括非線性電阻模型和非線性電阻電路分析方法（圖解法和小信號分析法）。

在編寫電阻電路分析這一部分內(nèi)容時應(yīng)注意以下幾點：

（1）應(yīng)強調(diào)電阻電路的概念，它雖然簡單，但卻容易被忽視。一些學(xué)習(xí)者在學(xué)完電路課程后，也無法清晰和準確地表述電阻電路的概念，對其分析方法的掌握情況就可想而知了。

（2）教材在編寫回路電流法和結(jié)點電壓法時，[1-2]采用最原始的基爾霍夫定律，而摒棄采用自電阻、互電阻和自電導(dǎo)、互電導(dǎo)的公式法，這是不可取的，因為學(xué)習(xí)電路課程是為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做準備的，采用最原始的基爾霍夫定律列寫回路電流方程和結(jié)點電壓方程對規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單的電路是可取的，但在實際工程應(yīng)用中，對于規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜電路就必須采用計算機輔助手段進行分析，而用計算機分析電路就要求電路方程規(guī)范化，電氣專業(yè)后續(xù)課程“電力系統(tǒng)分析”中的潮流計算就是個很好的例子。事實上，按公式法列寫回路電流方程和結(jié)點電壓方程之所以讓學(xué)習(xí)者望而生畏，并不是方法本身的問題，而是教材編寫和教師講授的問題——過多的強調(diào)了一些特殊電路，而忘了方法本身應(yīng)最終服務(wù)于工程實踐。

（3）教材將非線性電路分析放在最后一章，[3-4]講授教師往往由于課時的限制，根本無法講到這一章的內(nèi)容，以致非線性電路的分析方法對學(xué)習(xí)者來說是一片空白，而非線性電路的分析方法對學(xué)習(xí)者來說又是很重要的，因為后續(xù)課程中的電路（如二極管、三極管、場效應(yīng)管等電路）一般都是非線性電路，對這些電路的分析就需要采用非線性電路分析方法。因此，將非線性電阻電路納入電阻電路分析提前講授是必要的。

（4）目前，一些教材將“含運算放大器的電阻電路”作為一章進行介紹，實際上這樣做沒有必要。首先，運算放大器本身是非線性器件，含有運算放大器的電阻電路是非線性電路，對含運算放大器的電阻電路的分析是非線性電路分析。其次，如何建立運算放大器模型、運算放大器模型為什么能理性化得到理想運算放大器模型，這不僅僅是一個數(shù)學(xué)問題，更重要的還是和通用運算放大器本身的特性有關(guān)的，這些都會在電氣和信息類專業(yè)的后續(xù)專業(yè)課程“模擬電子技術(shù)”中介紹，而且“模擬電子技術(shù)”課程也會對運算放大器運算電路作專門介紹。

二、動態(tài)電路分析

動態(tài)電路分析分為動態(tài)電路穩(wěn)態(tài)分析和動態(tài)電路暫態(tài)分析兩部分。其中，動態(tài)電路穩(wěn)態(tài)分析包括正弦穩(wěn)態(tài)電路分析——相量法和正弦穩(wěn)態(tài)電路分析的工程應(yīng)用（含耦合電感電路分析、RLC串并聯(lián)諧振電路分析、非正弦周期電流電路分析——諧波分析法和三相正弦穩(wěn)態(tài)電路分析）；動態(tài)電路暫態(tài)分析包括時域分析法和頻域分析法（拉普拉斯變換法），而時域分析法又分為經(jīng)典法和狀態(tài)方程法。

在編寫動態(tài)電路分析這一部分內(nèi)容時應(yīng)注意以下幾點：

（1）應(yīng)強調(diào)動態(tài)電路的概念，因為建立不了動態(tài)電路的概念，掌握動態(tài)電路分析方法就無從談起。

（2）應(yīng)強調(diào)動態(tài)電路穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析概念，因為這兩對概念的建立對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)是很有幫助的，比如電氣專業(yè)學(xué)習(xí)“電機學(xué)”、“電力系統(tǒng)分析”等課程對電路的分析就包含穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析兩大部分。

（3）教材將動態(tài)電路的暫態(tài)分析放在穩(wěn)態(tài)分析之前、電阻電路分析之后，實踐證明教學(xué)效果是不理想的。[3，5]動態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析應(yīng)放在暫態(tài)分析之前、電阻電路分析之后，因為線性電阻電路的所有分析方法都可推廣應(yīng)用于正弦穩(wěn)態(tài)電路分析方法——相量法，緊接電阻電路分析法之后講正弦穩(wěn)態(tài)電路分析不僅有利于對相量法的學(xué)習(xí)，也可以進一步鞏固前面所學(xué)的電阻電路的分析方法。而動態(tài)電路暫態(tài)分析的時域分析法——經(jīng)典法和狀態(tài)分析法常用到的僅是元件的兩類約束——元件約束（VCR）和拓撲約束（基爾霍夫定律）。

（4）強調(diào)動態(tài)電路暫態(tài)分析的時域分析法、頻域分析法的概念，將這些方法放在一起，可保持對動態(tài)電路暫態(tài)分析方法知識的系統(tǒng)性和完整性。教材將動態(tài)電路的暫態(tài)分析分別分為兩章內(nèi)容（一階電路和二階電路的時域分析、線性動態(tài)電路的復(fù)頻域分析），而且兩章內(nèi)容編排相差甚遠，這對學(xué)習(xí)者系統(tǒng)掌握動態(tài)電路暫態(tài)分析方法是不利的。[3，5]

（5）將含耦合電感電路分析、RLC串并聯(lián)諧振電路分析、三相正弦穩(wěn)態(tài)電路分析和非正弦周期電流電路分析——諧波分析法歸入正弦穩(wěn)態(tài)電路分析的工程應(yīng)用，是因為這些電路不管電路形式如何特殊，所使用的分析方法本質(zhì)上都是相量法，如放在不同的章節(jié)對其講解，會讓學(xué)習(xí)者過多的關(guān)注這些電路在電路形式上的不同，而忽略它們本質(zhì)的分析方法。

三、二端口網(wǎng)絡(luò)

二端口網(wǎng)路知識對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)很有幫助，如放大器、濾波器、變壓器的電路模型都可歸結(jié)為二端口網(wǎng)絡(luò)。電子電路中會經(jīng)常遇到二端口網(wǎng)絡(luò)的相互連接。它們之間的連接有5種方式，分別為串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)、并-串聯(lián)和級聯(lián)。這樣連接而成的網(wǎng)絡(luò)仍為二端口網(wǎng)絡(luò)。另外，電力系統(tǒng)中用于模擬遠距離輸電線的鏈型電路也是一些二端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成的。因此，二端口網(wǎng)路也是電路課程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。

二端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的定義及二端口網(wǎng)絡(luò)、二端口方程和參數(shù)、二端口的等效電路、二端口的連接和二端口知識的工程應(yīng)用——回轉(zhuǎn)器和負阻抗變換器。在二端口網(wǎng)路這一部分的編寫中應(yīng)注意以下兩點：

（1）首先應(yīng)簡單介紹網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念，因為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)中驅(qū)動點阻抗（導(dǎo)納）、轉(zhuǎn)移阻抗（導(dǎo)納）、電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)和電流轉(zhuǎn)移函數(shù)的概念對二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的物理意義的理解是很有幫助的。教材在“電路的頻率響應(yīng)”和“線性動態(tài)電路的復(fù)頻域分析”兩章中都介紹了網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念，[3]但網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念對RLC串并聯(lián)諧振知識點的學(xué)習(xí)幫助并不大，而在線性動態(tài)電路的復(fù)頻域分析中根本沒有必要介紹網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念，因為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的零點和極點、網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的零點和極點的配置及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響等是電氣類專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程自動控制原理的重要內(nèi)容，并且教學(xué)實踐證明一本教材中多數(shù)出現(xiàn)對同一概念的定義，只能增加對教師和學(xué)習(xí)者的困擾，對教師安排教學(xué)和學(xué)習(xí)者自學(xué)都很不利。

（2）在介紹二端口網(wǎng)絡(luò)的方程和參數(shù)時，應(yīng)首先介紹完所有的參數(shù)以后，再簡單介紹一下各種參數(shù)的轉(zhuǎn)換，并且應(yīng)著重強調(diào)各種參數(shù)的物理意義。教材介紹了二端口Z參數(shù)和Y參數(shù)后緊接著介紹兩種參數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，然后再介紹T參數(shù)和H參數(shù)，最后給出了各種參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換公式。[3]教學(xué)實踐證明，學(xué)習(xí)者往往會忽略參數(shù)本身表示的物理意義，而去關(guān)注各種參數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系并強行記憶各種參數(shù)間相互轉(zhuǎn)換的公式，這不僅不利于后續(xù)課程中二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的相關(guān)工程應(yīng)用的學(xué)習(xí)，而且讓學(xué)習(xí)過程變得枯燥而又痛苦。

四、電路方程的矩陣形式

對于規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電路，需要采用計算機輔助手段對其進行分析和求解，這就要求電路方程必須用矩陣形式表示。在這一部分介紹電路方程的矩陣形式及其系統(tǒng)建立方法，這是計算機輔助分析和設(shè)計所需的基礎(chǔ)知識。

電路方程的矩陣形式內(nèi)容包括電路的圖（回路、樹、割集等）、回路矩陣、關(guān)聯(lián)矩陣、割集矩陣、回路電流方程的矩陣形式、結(jié)點電壓方程的矩陣形式。

教材在第三章“電阻電路的一般分析”中介紹了電路的圖的概念，[3]但由于第十五章“電路方程的矩陣形式”之前的各章節(jié)所涉及到的都是規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單的電路，電路的圖的概念并沒有多大用處，但等到學(xué)習(xí)第十五章“電路方程的矩陣形式”需要用到電路的圖的概念時，因為時間過長，又得重新復(fù)習(xí)電路的圖的概念，這在當前電路課程課時大量壓縮的形勢下是不利的。因此，應(yīng)直接將電路的圖的概念放在電路方程的矩陣形式這一部分介紹。

五、結(jié)束語

電路課程作為電氣和信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其學(xué)習(xí)效果直接影響到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。電路課程廣闊的工程背景要求電阻電路、動態(tài)電路以及動態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)等概念必須深深扎根于學(xué)習(xí)者心里，每一類電路也有相應(yīng)的分析方法，這些概念和方法應(yīng)該清楚的、系統(tǒng)地呈現(xiàn)在讀者的面前，而不是過分的依靠講授教師的經(jīng)驗和其對后續(xù)專業(yè)知識的掌握，特別是在當前電路課程課時大量壓縮，強調(diào)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教育理念的指導(dǎo)下，這一點是尤為重要的。如何處理知識體系和學(xué)生認知體系的關(guān)系，以及電路課程和后續(xù)課程的聯(lián)系，是教材編寫者應(yīng)該考慮的問題。

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（責任編輯：劉麗娜）