從整體與局部角度進(jìn)行“電路”課程教學(xué)設(shè)計的探索

張偉 韓素敏 謝東壘

摘要：“電路”是電氣信息類學(xué)科最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生的后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的過渡和總領(lǐng)作用。首先從整體與局部角度出發(fā)，梳理電路課程主要內(nèi)容間的關(guān)系，并以關(guān)系圖的形式展現(xiàn)，便于學(xué)生從整體角度掌握各部分內(nèi)容間的關(guān)系。從整體與局部關(guān)系常用的分解與合成處理方法入手，提出對電路課程可以進(jìn)行簡單有趣的教學(xué)設(shè)計，通過疊加定理和非正弦周期電流電路分析兩部分重要內(nèi)容具體闡述了設(shè)計過程，使難懂的電路分析問題得到清晰而簡化的表達(dá)，有助于學(xué)生掌握解決問題的方法。初步的教學(xué)嘗試表明，若能在教學(xué)過程中注重此類文理知識的相通交融，必將使老師和學(xué)生受益，獲得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電路課程；教學(xué)設(shè)計；整體與局部；文理交融

作者簡介：張偉（1978-），女，遼寧鞍山人，河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，副教授；韓素敏（1979-），女，河南洛陽人，河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，副教授。（河南 焦作 454000）

基金項目：本文系河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革項目（項目編號：2012JG024）、河南理工大學(xué)電氣學(xué)院教育教學(xué)改革項目（項目編號：2012DQJG05）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0046-02

整體與部分（局部）是唯物辯證法揭示客觀事物整體和它的組成部分間相互關(guān)系的一對哲學(xué)范疇。[1]整體是由若干個部分組成，但非機械相加，當(dāng)整體中各部分以有序、合理、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形成整體，整體功能大于各個部分功能之和，產(chǎn)生部分所沒有的新的功能和特性，在事物發(fā)展中起主要或決定作用。部分是整體的一個方面，一個環(huán)節(jié)，是體現(xiàn)整體多樣性的內(nèi)容之一，對整體的發(fā)展起一定的影響作用。若用整體與局部的哲學(xué)關(guān)系分析問題，需要首先從整體上把握事物，立足整體，統(tǒng)籌全局，觀察整體利于看清全局與各部分間的關(guān)系；觀察局部可以幫助更好地理解整體，并使其在整體中發(fā)揮最大作用。

整體與局部的哲學(xué)關(guān)系在電路課程中也有所體現(xiàn)，筆者通過教學(xué)實踐，從整體與局部的哲學(xué)認(rèn)識角度出發(fā)，梳理電路課程主要內(nèi)容，進(jìn)行積極有趣的教學(xué)設(shè)計，幫助學(xué)生更好地理解課程中的相關(guān)內(nèi)容，獲得了很好的教學(xué)效果。這里僅對改革的主要方面進(jìn)行闡述，目的是希望使更多的理工科老師能在教學(xué)中滲透文科思想及知識，這樣不僅對學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容大有裨益，改變枯燥的授課方式，同時對于學(xué)生處理問題的思維能力也有所幫助。

一、電路課程主要內(nèi)容的整體與局部關(guān)系

電路理論課程內(nèi)容一般分為兩個大部分：電路分析和電路綜合，其關(guān)系如圖1所示。

現(xiàn)有教材及課程主要涉及電路分析部分，即以實際電路（主要針對集總參數(shù)電路）抽象出來的電路模型為研究對象，應(yīng)用合適的分析方法對給定的電路模型進(jìn)行分析，通過電路中電壓、電流、功率（能量）等主要變量分析電路工作狀態(tài)及運行特性。

由于課程內(nèi)容中所講的定理、定律、方法眾多，學(xué)生在有限的課程學(xué)時內(nèi)對內(nèi)容的理解不深，在應(yīng)用時經(jīng)常在選取何種方法上難做選擇。[2]圖2給出整個課程的內(nèi)容關(guān)系圖（選用教材[3]），在緒論及每章內(nèi)容之前給學(xué)生一個清晰的“位置”呈現(xiàn)。

從整體角度看電路分析的主要內(nèi)容可理解為“一個中心，三大類分析方法，三種電路類型”?！耙粋€中心”體現(xiàn)了研究對象——集總參數(shù)電路必須滿足的兩大約束：整體的拓?fù)浼s束關(guān)系（即基爾霍夫電壓、電流定律）和局部的支路約束關(guān)系（即元件約束VCR）。讓學(xué)生明確這個中心是所有求解問題的歸宿點，任何所討論的問題都可以由其得出結(jié)論，同時提醒其“萬能”但并非最簡的分析方法。在這個統(tǒng)領(lǐng)中心之下便有課程內(nèi)容的“三大類分析方法”：等效變換法、系統(tǒng)分析法、電路定理解題。他們是研究工作者經(jīng)過長期研究得到的這個中心的更為具體的體現(xiàn)。這三大類方法以最簡單的直流電阻電路為例進(jìn)行說明，但對于另外兩種電路類型，正弦穩(wěn)態(tài)電路和動態(tài)電路也是相通的，只需做相應(yīng)思維擴(kuò)展。

這樣的一個從整體（課程的核心）到局部（具體內(nèi)容和方法）的關(guān)系由圖形直觀展現(xiàn)，給學(xué)生一個較清晰的全局認(rèn)識，在緒論和每個新章節(jié)授課前筆者都會再展示該課程圖，并向?qū)W生強調(diào)將要學(xué)習(xí)部分與整體和其他學(xué)過部分間的關(guān)系，收到了很好的教學(xué)效果。下面給出筆者在教學(xué)設(shè)計中采用的兩個整體與局部思想的較為成功的應(yīng)用案例。

二、整體與局部關(guān)系在課程內(nèi)容中的體現(xiàn)

1.疊加原理

疊加原理不僅是電路分析中的一種主要分析方法，對于線性問題的分析具有重要的意義，也是人們在處理一大類問題中應(yīng)用整體與局部、分解與合成思想的成功應(yīng)用范例。筆者通過一個簡單的引例進(jìn)行內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計，如圖3所示首先給出兩個簡單的電阻電路，讓學(xué)生給出2歐電阻兩端電壓，如虛線框所示，再給出第三個電路圖，問此時的電壓，學(xué)生很容易得出正確結(jié)果。

教學(xué)設(shè)計中要注意關(guān)鍵的三點引導(dǎo)工作。引導(dǎo)一，指出若首先給定的電路是復(fù)雜的，則處理思路是什么？引導(dǎo)二，這里蘊含著整體與部分的思想，與之對應(yīng)的處理方式類同于分解與合成的思路。引導(dǎo)三，對于線性電路，這就是疊加定理的基本內(nèi)容（疊加定理闡述：對于任何線性電路，電路任意處的響應(yīng)（電壓、電流）是所有激勵源單獨作用下響應(yīng)的代數(shù)相加），疊加后體現(xiàn)了事物的整體特性。

在進(jìn)行一些特殊問題時要稍做處理，利用這種先感性后理性，文理交融式的教學(xué)設(shè)計，不僅把內(nèi)容興趣化，由淺入深地學(xué)習(xí)了內(nèi)容，同時對學(xué)生的思維引導(dǎo)也是一個積極調(diào)動的過程。

2.非正弦周期電流電路分析

非正弦周期電流電路是應(yīng)用廣泛的一種實用電路，如相關(guān)的諧波抑制問題、信號處理問題等都與此相關(guān)。本課程中側(cè)重于非正弦周期激勵源作用于線性電路時的一類電路分析。多年實踐教學(xué)表明，學(xué)生對此部分內(nèi)容掌握經(jīng)常抓不住要點。通過啟發(fā)式的教學(xué)引導(dǎo)，主要應(yīng)用要整體與局部（其處理方式是分解與合成）的思想進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計。

第1層引導(dǎo)，請學(xué)生們思考所討論的非正弦周期量與周期量的關(guān)系，由簡單直觀的一個引例配合說明，如圖4所示。指明分解是為了看清事物中每個單元的特點和作用，合成是為了表示每個單元共同作用后的整體特性。

第2層引導(dǎo)，非正弦周期信號能不能分解成一些正弦量的合成？在滿足狄里赫利條件下（電工中遇到的物理量一般滿足該條件）由傅立葉級數(shù)展開處理成式（1）的表達(dá)。

（1）

第3層引導(dǎo)，以這樣的函數(shù)作為激勵源下的線性電路分析便是課程的非正弦周期電流電路分析。其處理思路如圖5所示。

非正弦周期電流電路分析的處理方法實質(zhì)依然以疊加原理為核心，也即分解與合成、整體與局部的問題處理思維，只是此時要處理兩種電路類型（直流電阻電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路）。有了這樣的感觀認(rèn)識后，再輔以習(xí)題加深體會，同時做特殊強調(diào)，學(xué)生就可以較輕松地掌握處理問題的要點。

上面僅對電路課程教學(xué)中應(yīng)用整體與局部思想進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的兩個案例進(jìn)行說明，若教師能在教學(xué)過程中細(xì)心分析、聯(lián)系，還可以進(jìn)行一些類似的教學(xué)設(shè)計，如動態(tài)電路的全響應(yīng)、零狀態(tài)和零輸入響應(yīng)關(guān)系等。

三、結(jié)論

在教學(xué)過程中，老師與學(xué)生若想獲得雙贏的良好結(jié)果，也要處理好部分與整體的關(guān)系。老師在教學(xué)過程中要注意抓住學(xué)生的整體水平進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，不能過高過低地評估學(xué)生能力，也就是關(guān)注了整體性，需要讓大部分學(xué)生跟上教學(xué)進(jìn)度，同時也要注意個別學(xué)生的反映，通過有效手段調(diào)動他們的積極性，實現(xiàn)一個有效的“閉環(huán)控制”。

用整體與局部關(guān)系的哲學(xué)視角對電路課程教學(xué)問題進(jìn)行思考，既對整體與局部關(guān)系的認(rèn)識得以加深，理論聯(lián)系實際，又為枯燥的理工科知識注入了利于理解的人文信息，啟迪科研思路和人生。希望本文的獨特視角能提醒理工科的研究工作者在教學(xué)和科研工作能滲透人文、哲學(xué)的信息，從而可以更好地開展教學(xué)科研工作，若能將其用于理工科的教學(xué)中，必將有效提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]金觀濤.整體的哲學(xué)[M].成都：四川人民出版社，1987.

[2]龔紹文，鄭君里，于歆杰.電路課程的歷史、現(xiàn)狀和前景[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（6）：5-12，40.

[3]邱關(guān)源.電路[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

（責(zé)任編輯：王意琴）