逆向思维在电路原理实验教学中的应用

2014-05-03田社平范承志

实验技术与管理 2014年5期

孙盾，田社平，范承志

（1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

心理学研究表明：每一个思维过程都有正向与逆向两种相互关联的思维过程。所谓正向思维，就是沿袭某些常规去分析问题，按事物发展的进程进行思考、推测，通过已知来揭示事物本质的思维方法；所谓逆向思维，是指和正向思维方向相反，按照客观存在，逆着事物形成过程倒推事物的原始存在或原因，也就是执果索因，知本求源，从原问题的相反方向着手的一种思维，逆向思维属于发散性思维的范畴，是一种创造性的求异思维。逆向思维与创造性发明和发现的思考方法紧密相关，科学上的许多发明都离不开逆向思维。

1 逆向思维的典型案例——电磁感应定律的发明

1820年丹麦本哈根大学物理学教授H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。英国物理学家法拉第怀着极大的兴趣重复了奥斯特的实验。果然，只要导线通上电流，导线附近的磁针立即会发生偏转，深深地被这种奇异现象所吸引。当时，法拉第受德国古典哲学中的辩证思想影响，认为电和磁之间必然存在联系并且能相互转化。既然电能产生磁场，那么磁场也能产生电。为了使这种设想能够实现，他从1821年开始做磁产生电的实验。虽然实验屡屡遭到失败，但他始终坚信，逆向思维的方法是正确的。10年后，法拉第设计了一种新的实验，他把一块条形磁铁插入一只缠着导线的空心圆筒里，结果导线两端连接的电流计上的指针发生了微弱的转动，电流产生了。10年的坚持与执着终于带来了划时代意义的成果。1831年著名的电磁感应定律诞生了，并根据这一定律世界上第一台发电装置出现了。法拉第成功地发现电磁感应定律，是运用逆向思维方法的一次重大胜利。

2 逆向思维的特点与作用

逆向思维不仅仅是指倒过来思考，它有多种形式，只要从一个方面想到与之对立的另一方面，都是逆向思维，所以具有普适性；如果要转换思路思考问题往往会对常规思路发起挑战，通常需要克服思维定势，所以具有批判性；逆向思维引导人们既看到熟悉的一面，同样看到陌生的一面，得到的结论往往出人意料，让人耳目一新，所以具有新颖性。在教学实践中，巧妙设置实验内容，可以凸显问题现象，精心构造逆向思维情境，一则可激发学生学习的积极性，引导学生积极主动探究学习内容；二则可挖掘学生思维的深刻性，思得愈深，收获愈丰；三则采用逆向思维的教学方法，有利于培养学生的开拓创新意识［1－5］。

3 逆向思维在电路实验教学中的应用示例

下面，根据笔者的教学实践［6－11］，展示3个逆向思维在电路原理实验教学中的示例［12］，与大家共同分享。

（1）示例1：KCL验证实验。在图1所示电路中，IS为直流稳流电源，R1、R2选用精密可调电阻，实验往往要求学生测量IS、I1和I2，观察是否满足KCL，这种正向思维的实验，难以激发学生的探究欲望。简单的验证往往导致学生轻视实验，倘若按照逆向思维，精心设置参数，例如调节直流稳流源电流的大小为某恰当值（例如略小于2mA），R1R2取恰当值（例如为10Ω），测量IS、I1和I2，特定参数的设置使得3个电流明显不满足KCL。KCL不成立的实验现象马上触动学生思考的阀门。与传统实验思路不同的实验数据迫使学生思考，是理论出错还是测量有误？弄清原委的实验情绪高涨，实验内容像磁铁一样吸引着学生。实验的探究气氛增强，实验效果大大提升。

（2）示例2：一端口结构与参数的推演。对于任意复杂的一端口网络，总可以用复数阻抗或导纳表示，利用实验手段，便可以测得端口等效参数值、确定感性或容性负载性质等信息。如果实验仅仅正面展开，要求学生测量出某端口的阻抗或导纳，那么电压三角形法就可以达到目的。但是，如果实施逆向思维，精心设计由RLC构成的封闭盒子（黑盒子），分别设置不同的难度系数等级，由学生尽可能利用各种实验手段，推求黑盒子的连结构成以及元件参数，那么，如此通过逆向思维改造的实验难度远超过正向传统实验的难度，图2展示了4种难度系数的实验封闭盒子外形。逆向思维的运用把原本平铺直叙的实验改造为充满挑战性的实验，引导学生运用各种实验手段判断黑盒子内部结构以及相应的元件参数，使基础实验转变成为研究探索型实验。教学实践表明，学生对此实验表示了极大的兴趣，很好地检验了前期所讲授的三表法和电压三角形法以及示波器测量法的掌握运用情况。学生充满渴望地进行实验，课堂气氛活跃，各种想法各种思路激烈碰撞，在比较、讨论和实践中，学生的操作能力、思考能力、判别能力纷纷提升。当学生信心满满推断黑盒子中的结构和参数后，当场开启，实验课程学习气氛被推向高潮。

图1 KCL实验电路

图2 黑箱子实验盒

图3 RLC串联谐振电路

（3）示例3：RLC谐振电路。在图3所示的RLC串联谐振电路中，通常实验都是要求改变信号源频率，利用电路谐振特点寻找电路发生谐振的谐振频率f0，分别测量UR、UL和UC随频率的变化关系曲线，测量电路的通频带以及品质因数，学生往往不断改变输入电压源的工作频率，重复测量电感、电容、电阻两端的电压值，记录了一堆实验数据，然后画出每个元件电压随频率的变化曲线，算是完成实验教学任务。教学实践表明，这样的实验安排，无法刺激学生实验的兴奋点，学生按部就班、依葫芦画瓢、按照广播操的程式无需多动脑筋就可以顺利完成实验，其结果是轻松实验转身很快忘记，实验没有取得应有的教学效果。笔者发现，按照逆向思维安排同样的实验教学内容，实验效果大相径庭。在实验开始便提出问题，本实验按照元件标称值估算的品质因数与实验实际测量得到的品质因数相差甚远，实际测量得到的Q大约只有估算值的一半左右，请学生依托实际测量得到的实验数据，找出导致实际电路品质因数下降的原因，必须进行定性和定量分析。随着问题的提出，学生精神抖擞，跃跃欲试，急迫地想揭示问题的缘由，实验的欲望立即被逆向思维所点燃。我要实验、我想实验的主动实验气氛蔚然成风。由我被安排实验转变为我自己要实验，“教”的过程悄然向“学”的过程转化。

4 逆向思维是教学方法改革的有力抓手

当下，教学方法的改革愈来愈受到人们重视。浙江大学大力倡导在教学方法的改革中实施3个转变，即“以教为主向以学为主转变”、“以课堂教学为主向课内外结合转变”、“以结果评价为主向与过程评价结合转变”。转变需要方法，需要载体，需要抓手，逆向思维是实验教学中贯彻实施3个转变的有力抓手。譬如在上述列举的教学示例中，示例1的KCL验证实验，与其教师明确告诉学生实际元器件有别于理想元器件，不如让学生在实验的数据引导下观察生动的实验现象，通过实验学习、自主发现测量仪表的内阻不仅客观存在，并且在某些参数设置的实际电路中不得不修正，不然方法误差将导致错误的实验结论，自然而然地将以教为主转向以学为主；示例3中估算的品质因数与实验实际测量得到的品质因数相差甚远的问题，在前一次实验就可以明确告诉学生，引导学生思考，要求学生课前预习并设计实验方案，然后在课堂上实施实验方案，通过实验数据分析破解差异的真像所在，将实验课程有效的向课内外延拓。实验的效果不仅仅取决于学生课堂的实验操作，还与学生对实验的准备及思考密切关联，真正做到课内外紧密结合，自然而然地实现以课堂教学为主向课内外结合转变；示例2黑箱子实验盒的结构与参数推演，学生可以自主选择难度系数，通过外在的端钮测试，采取各自不同的自拟测量方法，每个学生的技术路线不同、测试途径不同，反映每位学生灵活运用实验技能不同、驾驭实验能力不同。实验评价不仅关注最后的实验推演结果，更重要的还要考量实验方案、实验依据和实验过程，自然而然地完成以结果评价为主向结果与过程评价结合转变。因此，逆向思维将实验内容原本平淡的常规实验，改造的为反常规的具有挑战意义的新型实验，通过选择恰当的切入点，精心策划实验内容、巧妙引入反向思维，循循诱导实验进程、培养学生判断决策、设计明辨的创新思维，杜绝了指令性的实验教学模式，对基础电路实验项目在趣味性、研究型、探索性和综合性方面进行逆向思维的再设计，有利于营造情境式教学、启发式教学以及研究型教学的良好氛围。有学生在实验课后，写如下学习体会：

例1：“书中的实验内容相对来说还是较基本的，但是即使是这些基础的内容，老师依然能将其本质循序渐进地以一种探索性的形式讲授给我们。老师只是交代给我们有这个现象，至于具体是什么现象，现象背后的原因，这便给我们一种不确定性，进而带来挑战性，因为我们需要面对一个未知的问题。这比把理论讲清楚，把问题解释好，然后再一步步按步骤去验证，这就更能激发我们的兴趣，因为实验本身最大的意义和乐趣就在于解决未知的问题”

例2：“在基础实验的基础上，通过问题的提出而增设的具有创新性的实验任务。每当在这个阶段，同学会变得更加活跃起来。这样的任务则更需要一定的知识含量以及能够学以致用的能力。在被充分调动的情况下，大部分同学都会完成拓展的内容，从而对所学的知识能够加以提升，并对其加深了解。此外，还能培养我们自主思考的能力。实验的趣味甚至吸引着同学在课后继续探究，直到得到合理的数据与方案之后，才依依不舍地离开实验室”

例3：“老师在几次的实验中都预设了问题场景，这就是说按照老师的所给的思路与条件一成不变地进行的话，得到的会是一个错误的结果。这一点是以往的课程上从未经历过的教学形式。应该说这样的形式打破了我们完全按照老师的路线走的传统思维，极大地锻炼了我们自己的质疑能力，发现问题并解决问题的能力，这才是我们真正需要的能力。这真的可以算是我学习过程中的一次新的体验”

例4：“在课堂的后期，往往是一片相互交流的声音，甚至会有相互辩论的声音，让我充分感受到了实验课程独特的魅力”

学生的课后感受、学习体会表明逆向思维是改革教学方法、激发学习兴趣、提升教学质量的有力抓手。

5 结束语

教学工作是培养创新人才的重中之重，课堂教学又是教学工作的关键所在，如何在课堂教学中采取积极有效的教学方法，激发学生自主学习兴趣、锻炼学生推理思辨能力、深度挖掘学生发展潜质，达到优化教学模式、提高人才培养质量的教学目标，是当下教育教学十分关注的问题。逆向思维仅仅是其中的举措之一，意在抛砖引玉、共同提高。

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［1］赖绍聪，华洪.课程教学方式的创新性改革与探索［J］.中国大学教学，2013（1）：30－31，45.

［2］王秀梅.以学生为本构建全方位开放的实践教学体系［J］.实验技术与管理，2013，30（2）：1－4.

［3］陈佑清，吴琼.课堂教学中如何指导学生进行探究：大学研究性课堂教学模式的分层构建［J］.中国大学教学，2012（11）：59－62.

［4］朱桂萍，于歆杰，陆文娟.电路原理课程深度改革的理念探索［J］.电气电子教学学报，2013，35（5）：1－5.

［5］晏滂，蓝波.“任务驱动”教学法在电工电子技术课程中的应用［J］.实验技术与管理，2012，29（9）：163－166.

［6］孙盾，姚缨英，范承志.基于问题情境意识的电路实验教学探索与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：160－162.

［7］常洪亮，孙盾，姚缨英，等.基于有源器件应用的模块化组合实验开发［J］.实验技术与管理，2010，27（5）：38－42，66.

［8］孙盾，姚缨英.开设自主实验的实践与思考［J］.实验技术与管理，2009，26（5）：21－23.

［9］姚缨英，孙盾，等.精心规划，耐心启发，全力培养：电路原理实验课程教学内容和方法的改革与实践［J］.实验技术与管理，2008，25（4）：19－21.

［10］姚缨英，孙盾，童梅.电路原理模块化综合实验的探索［J］.电气电子教学学报，2009，31（2）：65－67.