電路課程融合的教學(xué)方法研究

謝娜 周井泉 張宇飛

【摘 要】由于教材的分立，教師專(zhuān)業(yè)背景的區(qū)分，電路系列科目間往往缺乏交叉融合。在電路課程中，應(yīng)該在一個(gè)較高的視角審視各科目之間的融合，融會(huì)貫通電路知識(shí)整體，才能夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)出具有應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力的工程人才。

【關(guān)鍵詞】電路；課程融合；應(yīng)用能力

1.引言

電路課程作為電子信息類(lèi)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課是極其重要的。該課起著承上啟下的作用，上承大學(xué)物理學(xué)，下啟數(shù)電、模電、信號(hào)與系統(tǒng)。電路課程可以說(shuō)是一門(mén)將物理基礎(chǔ)理論過(guò)渡為工程實(shí)踐基礎(chǔ)的核心課程，并由此開(kāi)啟了工程實(shí)踐的大門(mén)。

要能夠深入理解電路基本概念，準(zhǔn)確把握各方法的應(yīng)用條件，有必要理解其物理基礎(chǔ)電磁學(xué)。電路系列課程之間存在著關(guān)聯(lián)抽象，如基爾霍夫定律是麥克斯韋方程組在滿足集總參數(shù)條件下的簡(jiǎn)化；運(yùn)放電路模塊以及組合邏輯門(mén)電路都是對(duì)于一般電路的一種抽象提取。所以對(duì)于電路應(yīng)用來(lái)說(shuō)，強(qiáng)調(diào)電路基礎(chǔ)課程與模擬電路和數(shù)字電路的緊密關(guān)聯(lián)，可以讓學(xué)生明確把握電路的整體脈絡(luò)。做到既理解物理基礎(chǔ)，同時(shí)掌握實(shí)際電路連接原理，把電路知識(shí)整體從各個(gè)科目之間加以融合，融會(huì)貫通才能夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)，從而提高實(shí)際應(yīng)用能力。

麻省理工學(xué)院首任校長(zhǎng)威廉？羅杰斯提出，培養(yǎng)工程技術(shù)人才，僅僅精通技術(shù)是不夠充分的，高等教育應(yīng)該使學(xué)生在數(shù)學(xué)、物理、自然科學(xué)、英語(yǔ)和其它現(xiàn)代語(yǔ)言以及心理學(xué)和政治學(xué)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生在畢業(yè)后能適應(yīng)任何領(lǐng)域的工作做好準(zhǔn)備[1]。被劃分的各個(gè)科目本質(zhì)上是融合的一個(gè)科學(xué)整體，由于教材的分立，教師專(zhuān)業(yè)背景的區(qū)分，學(xué)科間的交叉融合往往缺乏系統(tǒng)性。所以在電路課程中，應(yīng)該在一個(gè)較高的視角審視各科目之間的融合，從而培養(yǎng)出具有應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力的工程人才。

2.電路課程的理論基礎(chǔ)

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中指出，基礎(chǔ)研究給我們的社會(huì)生活帶來(lái)了巨大的變化。例如，經(jīng)典物理的成就帶來(lái)了蒸汽機(jī)、照相術(shù)、電子工程、收音機(jī)、電視、飛機(jī)等[2]。電子工程的產(chǎn)生來(lái)源于經(jīng)典物理的基礎(chǔ)研究。對(duì)于工科學(xué)生的培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，要熟練運(yùn)用抽象化、模塊化的基本元件來(lái)設(shè)計(jì)連接電路，這基本類(lèi)似于調(diào)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的庫(kù)元件編程的工作。但是不能否認(rèn)，扎實(shí)的理論功底對(duì)于準(zhǔn)確把握工程實(shí)踐條件等起著至關(guān)重要的作用。

舉例來(lái)說(shuō)，由麥克斯韋方程組得到基爾霍夫定律需滿足集總參數(shù)條件，從而使得麥克斯韋微積分方程簡(jiǎn)化為代數(shù)方程。一般課本上的集總參數(shù)條件描述為，電路器件以及整個(gè)實(shí)際電路的尺寸遠(yuǎn)小于電路最高工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)[3]。單從電路教材中對(duì)于這一條件的解釋?zhuān)瑢W(xué)生往往不是很清楚，只是死記硬背該條件。而用物理學(xué)中電磁波動(dòng)方程來(lái)解釋就會(huì)很容易，滿足該條件可以讓整個(gè)電路信號(hào)的傳輸沒(méi)有延時(shí)（延時(shí)極小可忽略），這時(shí)電路各處的電流和電壓才能保持同相位，基爾霍夫定律才成立。如果不滿足該條件，只能用復(fù)雜的麥克斯韋電磁場(chǎng)理論去解決實(shí)際問(wèn)題。顯然，在理解物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上分辨集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路會(huì)更加容易。

另外，在動(dòng)態(tài)元件特性、耦合電感同名端、諧振電路等等諸多內(nèi)容中，都可以通過(guò)電磁學(xué)的內(nèi)容深入理解。

3.電路課程的抽象發(fā)展

以事物的內(nèi)在聯(lián)系對(duì)現(xiàn)象做出統(tǒng)一的科學(xué)說(shuō)明，這就是科學(xué)抽象。實(shí)際工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題都極其復(fù)雜，從復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題抽象出具體的理論模型，從而對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用，是理工類(lèi)學(xué)科普遍采取的方法。

比如在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的多功能運(yùn)算放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，但把它抽象成一個(gè)獨(dú)立的電路元件后，忽略該元件內(nèi)部電路的工作情況，只關(guān)注其外部特性及其等效電路，這樣就可以模塊化地直接利用運(yùn)放的工作特性設(shè)計(jì)電路。再比如MOSFET管很容易構(gòu)造出一個(gè)反相器電路，反相器就可以抽象成一個(gè)獨(dú)立的電路元件，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出更多功能的電路。邏輯門(mén)電路是實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算的電子電路組合，這也是對(duì)于一般電路的一種抽象數(shù)字提取。

部分高校已經(jīng)開(kāi)始整合電路系列課程并投入教學(xué)實(shí)踐，取得了一定成效?！霸谌诤系恼w框架中介紹從無(wú)源器件到有源器件、從線性到非線性、從直流到交流再到瞬態(tài)、從小信號(hào)到大信號(hào)、從單元電路到功能電路以及從模擬到數(shù)字邏輯，從分析到設(shè)計(jì)，節(jié)節(jié)深入，步步提高，實(shí)現(xiàn)了電路與電子線路概念和知識(shí)的融會(huì)貫通和理論與工程的密切結(jié)合[4]。”

4.結(jié)論

電路課程的教學(xué)內(nèi)容大部分時(shí)候都比較理論化，往往學(xué)生熟練掌握某個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，仍不能將其與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，提高自己的應(yīng)用和應(yīng)變能力。在相對(duì)靜態(tài)的教材基礎(chǔ)上，教師在備課過(guò)程中應(yīng)該從融合的整體開(kāi)始備課，課堂上做到深入淺出，并且不斷充實(shí)即時(shí)的科技發(fā)展訊息，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能聯(lián)系現(xiàn)在熱門(mén)的技術(shù)產(chǎn)品，激發(fā)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何振海.美國(guó)麻省理工學(xué)院教育理念的演進(jìn)及啟示.紀(jì)念教育史研究創(chuàng)刊二十周年論文集（18）——外國(guó)高等教育史研究，2009：1712- 1716.

[2] 丁肇中.尋找宇宙中最基本的粒子.百家講壇——物理的挑戰(zhàn).

[3] 沈元隆，劉陳.電路分析基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4] 王志功，沈永朝，趙鑫泰，徐建.“電路”與“電子線路”兩門(mén)課程的貫通教學(xué).電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014.2，36（1）：1- 3.

致謝

本文受南京郵電大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目資助，項(xiàng)目號(hào)：JG03311J61，JG03314JX05。