基于类比法的短学时电工学教学难点突破

邵永成，何 春

（昆明理工大学 信息与自动化学院，云南 昆明 650051）

0 引言

电工学是理工类普通高校中绝大多数非电专业都要开设的一门重要的技术基础课。而在电工课的教学过程中，学生普遍反映电工学的概念、定义、定律、定理等繁杂而抽象，难以理解和接受，不容易记忆［1］。并且由于各方面的原因，包括我校在内的很多高校都呈现出电工学理论课时逐渐被压缩的趋势。而电工学自身学科涉及面广、知识点多、且随科技进步还在日渐增多的特点，与课时减少的矛盾日益突出。如何在诸多不利因素的影响下提高教学质量，成为当前电工学短学时任课教师教学研究的一个重要课题。

类比法是通过对两个研究对象的比较，根据它们某些方面（属性、关系、特征、形式等）相同或相类似之处，推出它们在其他方面也可能相同或相类似的一种推理方法［2］。而类比教学法是创设真实生动情景的最有效工具之一。教师运用类比法创设的问题情景，能有效地促使学生发现新知识、新方法。学生沉浸在由设问负载的类比教学情景中，要探索的问题与已有经验联系起来，找到类比的对象，而运用对此类比对象的研究所取得的成功经验、方法和结果等进行分析比较，建构类比以寻求规律，作出猜想并找出证明思路，为建构知识意义打下良好的基础［3］。可以说，类比法是教学活动中最常用的、也是实践证明非常有效的一种教学方法。

在电工课的理论教学中，若采用多种类比法相互结合，对于降低教学难点的难度、活跃课堂气氛、激发学生学习兴趣、强化现场记忆，从而最终达到提高教学质量的目的，具有现实而积极的意义。针对短学时电工学不同章节的难点，采用适当的类比法教学，对于难点的突破具有事半功倍的作用。

1 相似规律知识类比

电工学课程一般安排在大二的上下两学期进行，此时学生已经学习完大学物理课程，而对于中学所学的知识，经过高考前的强化记忆，多数知识都还有较深刻的印象。此时对电工学中的一些基本概念的教学，可与这些相似知识进行类比。例如：电压或电流参考方向（或正方向）的概念，可与物理学中力学部分常见的矢量作类比，如位移相对于参照物或参照系，相当于电路物理量（电流、电压等）的参考方向相对于实际方向；在类比的基础上再加以举例讲解，学生就比较容易理解了。

又如电位的概念与计算，可以通过海拔高度的定义与测量作类比。首先引入电压升与电压降的概念：在电路中沿确定的绕行方向而行，遇到的电压若升高为电压升，反之电压降低则为电压降，即所谓的压降；然后介绍电位的定义：在电路中选取一个电位为零的参考点，即零电位点，并在电路图中用符号“┷”表示，电路中各点相对该零电位点的电压即为各点电位。接着引导学生回忆海拔高度的定义，将电路中的零电位点类比为海平面，而电位类比为海拔高度，电位差或电压类比为高度差。此时，通过类比，学生已经对电位的概念有了初步的认识，再通过一个已经设计好的问题，进一步阐明电位的概念以及特点：假设已知教室地面的海拔高度为1800米，课桌桌面的高度为0.8米，讲台台面的高度为1.2米，则后两者的表面海拔高分别为1800.8米及1801.2米；若将海平面即参考点改为教室地面，也很容易确定其新的海拔高度分别为0.8米及1.2米，都已经发生了改变，但两表面的高度差与海平面的位置没有关系，是不变的；然后画出两个只是零电位点不同的含一个单电源、三个电阻的单回路电路，再分别用定义求出电路中各点电位以及指定的两点间的电压，并与前述的海拔高度、高度差等概念以及特点再次进行类比，得出在电路结构及参数不变时，电压值是“绝对”而电位值是“相对”的特点，强化学生头脑里通过两种知识之间的相似性进行类比所产生的记忆。最后介绍计算电位的另一种方法——电位升降法：选取电路中一条已知各元件上电压的路径后，从零电位点（亦可从选定路径上任意已知电位点）出发，向被求电位点看去，途中遇电压升取正，遇电压降取负，到达被求电位点后，求所有途经电压的代数和，即得该点电位。这样若干次的类比，就能使电位的概念与计算方法在理解的基础上，比较清晰地留在学生的记忆中。

在介绍基尔霍夫两定律时，则可以在介绍完定律内容和简单的例题后，总结基尔霍夫两定律的本质：电路中的电压和电流都不会无缘无故地产生或消失，这其实就是在中学所学过的物质不灭定律在电路中的体现。学生们听到这里，都会有得恍然大悟的感觉和表情。

2 相互关联知识类比

电工学在电路分析部分介绍的除最简单的电阻之外的4个理想元件：电感、电容以及恒压源、恒流源分别是对称的元件，亦可称为对偶元件，它们的很多特性都是对称的：电感的时域表达式为，用文字表达为：电感上的电压与其流过的电流的变化率成正比；而电容的时域表达式为，用文字表达为：电容上的电流与其两端的电压的变化率成正比；两者之间具有很明显的对称关系：只需要将公式中电压电流的位置对调，并换一下系数，就是另一个元件的时域表达式，其文字表达可依此类推；同样，两种理想电源亦如此；根据这样的规律，我们只需要记住一个元件的特性即可，这样既便于理解，又将记忆难度降低了一半。

JK触发器是时序逻辑电路部分最重要的触发器，但很多学生易将J与K端逻辑功能记反，教学时可在介绍完其逻辑功能后反问学生：同步RS触发器中的R、S端分别是复位（置0）和置位（置1）的英文首写字母，那么J、K又是什么意思呢？稍等片刻，再问学生J、K在扑克牌里分别是分别是代表谁的？在激起学生好奇心之后，给他们介绍关于JK触发器命名的传说：在扑克牌中，K代表国王King，J代表国王的贵族侍从Jack，JK触发器就意味着它是王牌触发器，之所以这样命名，就因为它是功能最强的触发器。课堂气氛由此一下就被调动起来。紧接着再教给学生记忆这两个输入端的方法：J即Jack，有“千斤顶”之意，意味着将“1”“顶”起来，J就是置1端；而K可以当做英文Kill的首写字母，意为“灭掉”“1”，K即置0端。这样，在轻松活跃的课堂气氛中，绝大多数学生都记住了JK触发器输入端的逻辑功能。

3 生活常识与经验类比

在讲授难点较多的基本放大电路时，很多学生对三极管的电流放大作用，即以小控大的原理难以理解。这时，可以在简单讲解三极管内部载流子运动规律之后，把电流类比为水流、常用的NPN型三极管类比为生活最常见的水龙头，其集电极相当于水龙头的进水口，发射极相当于水龙头的出水口，基极则是水龙头的开度调节手柄，在线性区时，水流（电流）是与水龙头的开度调节手柄的开度（基极电流）成正比的；接下来再进一步介绍三极管的另外两种非线性状态：截止就相当于开度调节手柄锈死了拧不动，水龙头不会出水或最多滴出几滴水；而饱和就是管道中水流较小，开度调节手柄开得再大出水量也不再变大；这样，只需稍稍一点拨，学生们都会恍然大悟，在感叹两种规律的相似之余，亦深刻地理解了晶体管电流放大的工作原理。

不少学生由于没有感性认识，对多级电压放大电路中输入输出电阻对于放大电路的影响感到非常枯燥难懂。于是在解释时，将放大电路或电信号源比作是做生意的老板，而输出电阻即等效内阻比作老板娘，负载比作被雇佣的工人。每个信号源（或前级放大电路）“老板”都希望少出工钱（输出电流），而“工人”能少拿钱、多干活（输出电压）；在通过 “老板娘”发工钱时，又会被“老板娘”克扣掉一部分（输出电阻压降）；正是因为这样的关系，所以我们在和“老板”一样希望后级的放大电路的输入电阻（即前级的负载）越高越好的同时，也和“工人”一样希望而前级的输出电阻（“老板娘”）越小越好，“这样社会才会更和谐！电路工作也会更和谐！”一句话总结，使课堂气氛达到高潮，在一片笑声中，难点烟消云散。

基本放大电路中的非线性失真分析也是教学中的一个难点。可用单管共射放大器Q点的设置，与室内集体跳绳时，甩绳人执绳抬手的高度作类比；同样的甩绳幅度，执绳抬手过高绳会碰到屋顶，而过低则会碰到地，分别类比饱和失真与截止失真，最后提醒学生注意：单管共射放大器输入电压与输出电压是反相的，应该倒过来记忆。与此相似，差分放大电路的基本工作原理，可用两部电梯的升降作类比；是都能以非常贴近生活且生动易懂的类比法突破教学难点。

4 结束语

从以上几种类比教学法，可以总结出这样的规律：若当前学习的知识对象与曾经学习过的某个知识对象具有相似的知识系统架构，或是思想方法类似，就可以考虑使用类比教学法。但应注意的是：

1.要准确抓住所教内容的特点，选择在关键属性上具有足够相似性的类比对象；

2.类比对象本身还应尽量简单易懂；

3.具有一定的趣味性；

4.在教学实践过程中应注意主次分明，切不可喧宾夺主［4］。

在目前学时少、内容多、难点多等诸多不利因素的影响下，要提高短学时电工学的教学质量，除了改动教学大纲、削减教学内容之类的下策之外，探索包括类比教学法在内的各种教学方法在教学实践中的运用，以达到提高教学效率，使学生在有限的课时内学到和记忆的知识量最大化，并充分理解、学会运用，应该是今后电工学教学改革探索的一个重要方向。

［1］赵景延.类比思维在《电工基础》教学中的应用［J］.才智，2009.23

［2］张克菊，邓兴兰.类比教学法何以独占鳌头［J］.甘肃教育，2009.14

［3］韦程东，梁斌.多媒体条件下的类比教学法［J］.高教论坛 ，2002.05

［4］李小平，孙宝玲.谈类比教学法在《电工基础》教学中的应用［J］.科技信息，2008.24