电路分析与高中物理的衔接

2015-03-18贾竹君

湖南科技学院学报 2015年5期

关键词：元件电阻高中物理

贾竹君

（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州 425199）

电路分析与高中物理的衔接

贾竹君

（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州 425199）

电路分析是许多电类专业基础课程，电子科学技术的发展使基础课程已经发生深刻变化，但电路分析课程却还存在着如何与高中物理课程进行衔接的问题。本文在分析《普通高中物理课程标准》的基础上，结合电路分析课程标准，提出从课堂和实验两方面解决电路分析课程与高中物理课程的有效衔接。

基础课程改革；物理课程标准；有效衔接

引言

电路分析是电类专业必修的一门重要的专业基础课，也是后续课程《模拟电路》、《数字电路》、《电子仪器与测量》《信号与系统》等必不可少的铺垫。电路分析的先修课程应是《大学物理》和《高等数学》，但往往在本科院校里，三门课程是同时进行的，以我校为例，计算机专业大一的第一学期就已开设电路分析这门课程，同时开设《大学物理》和《高等数学》，电子科学与技术和电子信息工程专业是第二学期开设电路分析这门课程。虽然第一学期就开设《大学物理（上）》和《高等数学》，而作为电磁学部分是在《大学物理（下）》中，故与电路分析是并行的。学生们的电学知识基本上来源于中学，特别是高中物理，大致有35%的内容属于电学。应试教育决定了中学生们做过大量的电学题目，同时对实验几乎没有涉及，调查显示，大部分同学高中时没怎么做过物理实验，连老师演示实验都少之又少。作为大一的新生，从中学校门走进大学校门，从初等教育到高等教育，角色转变有个过渡过程，思维方式存在惯性，怎样转变学生的思维方式，改变学习方法，提高电路分析教学质量，是我们首要解决的问题。

本文在分析《普通高中物理课程标准》的基础上，结合电路分析课程内容，提出从课堂和实验两方面解决电路分析课程与高中物理课程的有效衔接。

1　电路分析与高中物理课程电磁学部分的异同点

电路分析是一门工程性较强的课程,主要内容为:电路中的电磁现象、电路的基本规律和电路的分析方法,突出工程性，为后续课程服务。

在《高中物理课程标准》中，电磁学部分占的比例比较大，有电场和磁场、电路、电磁感应、交变电流、电磁振荡和电磁波。电磁感应中不要求用自感系数计算自感电动势；交变电流中不要求讨论交变电流的相位和相位差；电路分析以电路为主，讨论电路元件时，除了电阻，储能元件电容和电感单独作为一章进行了讨论，线圈之所以被成为电感，就是因为它的自感现象，故用自感系数来代表线圈。电阻也不仅仅是线性电阻还提及非线性电阻。以邱关源主编的《电路分析》教材为例，我们来分析下与高中物理电磁学部分的重叠部分，第一章电路模型和电路定律，重叠的有电路元件，电流和电压，欧姆定律；第二章电阻电路的等效变换，重叠的有电阻的串联、电压源和电流源的串并联，实际电源的两种模型及等效变换；；第四章电路定理，重叠的有最大功率传输定理；第六章储能元件重叠的有电容元件和电感元件；第八章相量法重叠的有正弦量；第十章含有耦合电感的电路重叠的有互感，变压器原理，理想变压器；其余章节没有重叠。这些内容的相似性，使得电路分析这门课程成为同学们最熟悉的课程，学习起来会得心应手。但在这些重叠章节中都有在原基础上加深拓展的内容，比如：第一章电路模型和电路定律，增加了电流和电压的参考方向，受控电源，基尔霍夫定律；第二章电阻电路的等效变换，增加了电路的等效变换的概念，电阻的Y型联结和△型联结的等效变换、输入电阻；第四章电路定理，增加了叠加定理，替代定理，戴维宁定理和诺顿定理等等；第六章储能元件，增加了电容元件和电感元件的串并联问题；第八章相量法，重点介绍什么是相量法和电路定律的相量形式；第十章含有耦合电感的电路，增加了含有耦合电感电路的计算，耦合电感的功率；电路分析相对高中物理电磁学部分，这种螺旋上升式的内容让学生既觉得熟悉又觉得陌生，两者之间的有效衔接变得异常重要。

2　课堂教学中的有效衔接

2.1从教学目标和教学内容中进行有效衔接

高中物理教育是基础教育，用感性认识定性地了解分析较为简单的物理现象，在感性认识的基础上给出相应概念和定律，用初等数学进行定量计算，初步形成一个比较完整的知识体系。电路分析课程是高等教育中的工程课程，具有知识体系更系统、实践性更强的特征。可以归纳出更具有普遍意义和广泛适用性的概念、定理、定律。高中物理是素质教育，培养具备一定的科学知识素养的人才，电路分析是专业基础课，目的是为专业后续课程打基础，为各个行业培养具有一定电学知识和专业技能的专门人才。两者教育目标的差异，决定了电路分析教学中既要随时复习高中物理，增加同学们的认同感，又要在原基础上将知识讲深讲透，开阔学生的专业视野。比如第一堂课绪论，我们就利用多媒体先给出电路在实际中的应用，电机和机床、楼宇电梯等的控制为工业控制；压力、温度、水位、流量等的测量与调节、电子仪器和医疗仪器等为电信号的检测；再比如家用电器：电灯、电话、手机、电视和冰箱、洗衣机、家庭影院等；汽车电子电气设备等。无一不是电工电子技术的应用。

2.2从教学方法和学习方法中进行有效衔接

高中物理教育是应试教育，为了升学率，老师们采用灌输式教学，既不生动也不有趣，更谈不上参观学习。这种填鸭式教学方法使学生们没有做笔记的习惯，理论反复详细讲解，手把手进行教学；使用题海战术，天天练习，周周小考，试卷不用抄题也罢，作业练习也从不抄题，解题步骤也是能省则省，不想多写一个字，就连解答题目的第一个字“解”也懒得写，更谈不上写出解题思路了。这一不良习惯被学生们带到大学里来，成了理工科学生思路慎密，逻辑性强，治学严谨的天敌。所以我们要在电路分析课程中，强化学生的主体意识，大力提倡“课前预习，课后复习”，上课做笔记，解题要抄题，每步写出步骤，作图工整。让自主学习之风贯穿始终，有些章节要求同学们自学，写出心得笔记。比如第四章的特勒根定理、互易定理和对偶定理；第七章的卷积积分；第十七章非线性电路；第十八章均匀传输线等。

另外，防止与高中物理内容简单重复，时时注意采用对比的教学方法，求同存异，比如，第一章的输入电阻，如果不含受控电源，输入电阻就是高中物理提及的等效电阻，但含有受控源后，则要用加压求流法或加流求压法来求输入电阻。还比如，基尔霍夫定律的适用范围，为集总参数元件构成的电路—集总电路，而欧姆定律是对线性电阻而言的，如果基尔霍夫定律也放在线性电阻的条件下，基尔霍夫第一定律就是中学学的总电流等于各分电流之和，基尔霍夫第二定律在线性电阻电路中就是欧姆定律的表达式。显然，基尔霍夫定律应用范围要大的多，包括时变和时不变元件，然后再引入支路电压和电流之间的约束关系，即“拓扑”约束，由基尔霍夫定律来体现。进而介绍由基尔霍夫定律派生出来的支路电流法，网孔电流法、回路电流法和结点电压法。

其三，教学方法和手段要多样，可以采用讲授法，演示法，讨论法等，多种方法相结合。我们曾采用角色互换法，先叫对口高考上来的职高生作为老师上一节课，老师作为学生听课，课后老师点评；过一段时间后再叫普高生上另一节课，老师依然作为学生听课，这样师生互动，效果很好，同时学生们也体会到老师上好一节课的艰辛和不容易。现在的教学基本上都是运用多媒体教学，在PPT中，可以穿插仿真软件的的应用，例如电阻电路中线性方程组比较难解，我们可以用Matlab进行计算，正弦交流电的相位差问题也可以用Mltisim仿真，学生能直观地看到电路波形的变化。增强学生对电路分析学习的兴趣和求知欲。

其四，课后习题的衔接，高中物理习题多，试题多，大学的电路分析习题也多，但作业批改次数则没有高中那么频繁，辅导也少，防止学生出现失落感，一是及时布置作业，及时批改；二是以章为单位，利用晚自习集体讲解；三是挑选班上成绩好的同学，成立课外小组，互帮互学，“以一带四”，一个学习尖子带动四个学生学习，全班学习气氛浓厚。

3　实验教学中的有效衔接

电路分析课程是电类专业学生首先接触的一门技术基础课，所以离不开实验。而中学物理也应该是一门实践性很强的学科，但是由于应试教育，很多中学实验室形同虚设，或者条件差的学校根本就没有实验室，有的物理老师连起码的演示实验都省掉了。这给我们的实验教学增加了难度。故刚开始做第一个电路实验时，一定是学生比较熟悉的实验—“电路元件伏安特性的测绘” 测量四个电路元件的伏安特性，第一个是线性电阻，线性电阻的电流和电压，这就是欧姆定律，高中物理实验已做过，学生觉得比较容易，对做实验也就有了信心；电路分析实验基本上是验证性的实验，高中物理实验也是如此，但作为一门专业技术基础课，必须突出它的前瞻性和工程性。例如:在 “电路元件伏安特性的测绘”实验中，除了测量线性电阻的电流和电压，还增加了二极管和稳压二极管的反向特性测试，这是下学期模拟电路才用到的元器件，我们提前展示在同学们面前，提高对专业的学习兴趣。我们开设了综合设计实验“叠加原理的验证及故障性质分析实验”，设计短路和断路故障，通过测量电压和电流把故障所在及原因照出来，同时还用单刀双掷开关接分别接电阻和二极管，突出叠加原理的适用范围是线性电阻电路。最后在所有实验结束靠近期末时，我们设计一个开放实验，面向全院学生进行。

我们所用的电路实验装置是包括电工实验在内的组合实验箱，可以完成直流、交流及暂态和稳态实验，承担了全校所有电路分析和电工学实验，由于年代已久，2003年购入，实验人次数多，很多元器件出现了老化和失灵，在实验过程中，正好可以考查学生的动手能力和解决问题能力，知识迁移能力。比如面板上的数字电流表失灵了怎么办？可以用万用电表替代，也可以用指针式电流表（高中物理实验用过的）替代；做叠加定理和电压源和电流源的等效变换，要用到两个电源，万一其中一个电压源坏了怎么办？可以从附近一台实验装置并联（俗称“借”）一个电压源来用；如果是电流源坏了呢？也可以从“隔壁”借吗？答案是不能，因为电流源并联会分流，解决这些问题，既巩固了所学知识，又提高了综合运用能力，还培养了严谨认真的科学态度。

实验做完后是对实验数据的处理，高中物理提及了偶然误差和系统误差，电路分析中主要是通过对数据的处理，得出相对误差和对产生误差的分析。实验报告的撰写也是一大难题，因为在中学物理实验中没写过实验报告，更谈不上对数据分析和处理，以及从实验得出的结论和体会，故第一个实验结束后，必须告知学生，怎么分析处理数据，误差产生的原因，学会怎么得出结论，并回答问题。对实验，我们依然提倡“课前预习，课后复习”。通过实验教学，拓宽专业知识面，巩固和加深理解所学知识，培养基本科研能和创新能力。