“電工與電路基礎”教學中科學思維能力的培養

[摘 要]課程教學是大學教育的主要載體，直接關系著人才培養質量。在闡述培養學生科學思維能力重要性的基礎上，我們可針對 “電工與電路基礎”課程的特點，以諧振電路為例，總結出本課程所包含的幾種科學思維方法。最后從課程問題設置、課堂施教和課后作業訓練等幾個教學環節探討培養學生科學思維能力的實施方式。

[關鍵詞]電工與電路基礎 科學思維 人才培養

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）17-0086-02

“電路”和“電工學”課程是電氣信息類專業和非電類工科專業的學科基礎課，國內不同高校根據自身特點和需求，對電氣信息類專業開設“電路理論基礎”、“電路基礎”、“電路原理”、“電路理論”、“電路分析基礎”等課程，對非電類專業開設“電工技術基礎”等課程。

近年來，我校對“電路”課程進行了一系列的教學改革，但始終貫徹“基礎知識與能力并重”的原則，以“能力立意”為指導思想，將知識、能力與素質融為一體，通盤考慮，以全面提升學生的科學素質、科學思維為目的，打通了電類專業和非電類專業“電路”課程，各專業的電工、電路類課程1統一名稱為“電工與電路基礎”課程，本文就我校在此課程中如何培養學生的科學思維能力進行了探討。

一、科學思維和科學方法

科學思維是一種高級思維，從本質來看，它是理性認識的積極過程，具體來說，它是通過對客觀世界進行感性認識獲得大量資料的判斷、推理、歸納總結，最終反映事物的本質和規律的過程。

科學方法是各學科通用方法，是進行科學探索、科學實踐和科學研究的一般方法，不同的科學認識階段需要使用不同的科學方法。[1]

現代教育理念強調發揮學生在學習過程中的主觀能動性，有自主探究的愿望、動機和能力，勇于創新的思維模式。創新型人才必須要具有良好的思維能力和思維方法。因此，在“電工與電路基礎”（以下簡稱“電路”）教學過程中，要在知識的傳授中突出科學方法，使科學方法教育成為教學活動的重要內容，教師不僅僅是知識的傳授者，還是培養學生思維能力的授業者。事實上，科學思維的培養和知識的傳授是相輔相成的，知識傳授是培養學生科學思維的手段和載體，而培養學生科學的思維能力可以幫助學生理解、掌握有關的知識，比如，具有科學思維能力的學生對于新知識具有更強的思辨能力，更容易理解知識的內涵、提出自己的見解等。[2] [3]

二、課程特點

“電路”課程是實現科學教育與工程教育有機銜接的一門重要課程。在學習本課程之前，學生主要接受的是科學理論知識（高等數學、大學物理是其先修課程）；在學習本課程之后，學生開始進入專業課程的學習（電子技術、計算機硬件電路等是其后續課程），教學內容更接近工程實踐。因此，“電路”課程是相關專業學生由科學教育邁向工程教育的橋梁，本課程的學習對培養學生的科學思維能力、分析計算能力、實驗研究能力等都有重要的作用。

在多年從事“電路”課程教學實踐的過程中，我們越來越強烈地感覺到，這門課程中的很多教學內容和分析方法都滲透著哲學思想，具有方法論上的指導意義，非常有利于學生科學思維能力的培養。例如，在電路建模過程中，我們通常抓住實際電路元件的主要電磁特性來建立模型，而忽略其次要特性，這符合哲學上抓住事物主要矛盾的思想；在采用三要素法分析一階動態電路的全響應時，只需計算出電路的初始值、穩態值和時間常數這三個要素就可以得到分析結果，而不需要求解復雜的微分方程，這借鑒了唯物辯證法中掌握規律、科學歸納的思想；在根據戴維南定理和諾頓定理對電路進行等效變換和求解時，采用的是將分析對象化繁為簡的方法；在應用疊加定理分析多個激勵下線性電路的響應時，采用的是各個擊破、先分解再綜合的方法。因此，如果教師在傳授知識的同時，能將這些思想和方法貫穿于課程的教學過程中，那么學生就會潛移默化地受到科學熏陶，逐步培養起科學思維并掌握科學的分析方法。

三、課程教學中科學思維能力的培養

諧振電路是“電路”這門課程的重點和難點之一，是指具有R、L、C參數的正弦穩態電路在一定條件下所呈現的一種特殊現象，和前述課程“大學物理”及后續課程“模擬電子技術基礎”等聯系緊密，是后續課程所必需的專業基礎知識。下面以“諧振電路”教學內容為例，闡述如何以傳授知識為載體，通過有效途徑將科學思維滲透給學生，將傳授知識和培養科學思維能力統一起來。

（一）科學思維方法引導

本次課程由一個演示實驗引入：采用200W燈泡模擬電阻元件，將燈泡、電感元件和電容元件構成RLC串聯電路，改變串聯電路的電容值，電容值由小到大變化，引導學生觀察燈泡的亮度變化，并思考：1.電容值由小到大變化時，電路的狀態發生了什么變化？2.電路的狀態發生變化是由電路中電容的變化引起的，那么具體到電路的變量（電壓、電流、功率）、參數（阻抗）發生了什么變化？3.從電路變量和參數的變化中我們得出什么樣的結論？4.如果是電路中其他元件比如電阻值或者電感值由小到大變化是否可以觀察到同樣的現象？學生們探究這些問題的過程就是培養科學思維的一個過程，他們已有的知識、信息和經驗等會被喚醒：燈泡的亮度反映了其通過電流的大小，而電流的大小又與電路的阻抗有關，由此可以得出串聯諧振的條件——外加激勵頻率與電路固有頻率相等。電路固有頻率僅取決于電路參數L、C。所以，改變電路中的電感值也可以讓電路狀態發生變化，發生串聯諧振。從諧振條件出發，可進一步引導學生研究串聯諧振電路的特點：發生諧振時電路阻抗模最小；電路等效為純電阻；電流值最大；電阻元件獲得最大功率時，燈泡最亮。接下來，進一步提出問題：1.根據串聯諧振的特點，它有哪些應用？2.電路的連接形式主要有串聯連接和并聯連接，那么并聯電路是否能夠發生諧振？若能，諧振時電路又有什么特點？

（二）科學歸納方法的具體運用

歸納推理是科學研究中很重要的思維模式，它是從抽象到一般的過程。就前述有關串聯諧振電路問題的設置，通過教師的啟發，學生歸納得出結論：1.發生串聯諧振時，在一定條件下，電感、電容元件上的電壓可能遠大于外加激勵源的電壓，稱之為電壓諧振。根據串聯諧振電路的特點引導學生總結出判斷電路是否發生諧振的方法。2.并聯電路與串聯電路具有對偶性，利用對偶關系可以得出并聯諧振電路具有電流放大作用的結論，并聯諧振是電流諧振，同樣具有選擇性。

諧振電路具有對源的放大作用，收音機和電視機利用這一特性實現了選臺，但在某些場合，這種放大特性可能具有破壞性，比如電力系統就要避免諧振的發生。對諧振電路諧振條件的分析、電路特點的歸納等可以對學生進行演繹、歸納等科學思維能力的訓練。

（三）類比推理方法的具體運用

接下來的問題是，這種對源的放大作用和大學物理中稱之為共振的現象有什么異同？簡單回顧機械系統彈簧振子的幾種振動形式以及對應的數學表達形式，發現物理學的振動（共振）和電路中的電磁振蕩（諧振）雖然描述的對象不同，但是它們的數學表現形式、現象以及規律都有相似性，可以進行類比。類比推理是一種創造性思維，類比推理可以為解決新問題提供思路。通過類比推理方式，既能幫助學生加深對知識點的掌握，又能促使學生積極思考，觸類旁通，激發學習興趣。事實上，在工程領域中，常常會把實際碰到的復雜機械振動問題、電磁場問題轉換為電路問題加以分析。

（四）科學思維能力的拓展

課后的拓展訓練是教學活動中非常重要的環節。針對諧振電路這部分教學內容，布置課后訓練題：1.包含兩個頻率分量ω1、ω2 （ω1<ω2）的激勵源u1（t）：u1（t）=u11（ω1）+u12（ω2），要求響應uo（t）只含有ω2頻率分量，如何實現？2.對于低內阻和高內阻激勵源，如何選取諧振電路？3.諧振電路是否只能發生串聯諧振或者并聯諧振？若答案是否定的，給出具體實例。

上述課后作業的布置，需要學生進行文獻調研，撰寫學習報告，這有助于訓練學生的科學思維能力，有利于考查學生對于問題的理解能力。

四、結束語

大學教育到底應該教給學生什么？如何教？這是所有高校教師都應該思考的問題。我們不僅要“授之以魚”，更重要的是“授之以漁”。“教給學生什么”解決的是教學內容問題，“如何教”體現的是教學方法。教學方法本身具有一定的科學性，我們在教學活動中始終要貫穿對學生科學思維能力的培養，注重科學方法的訓練，以教授教學內容為載體，體現科學的思維和科學的方法，使學生通過課程學習，不僅掌握具體的理論，又能理解知識的內涵，培養承載在知識上的科學思維能力。

[ 注 釋 ]

[1] 葉志明.科學思維和科學方法在力學和工程教學中的應用 [J].北京：中國大學教學，2011（6）.

[2] 侯臣平，吳翎.在教學中培養學生科學思維的幾點認識 [J].高等教育研究學報，2012（2）.

[3] 閻恩志，范瑩，等.以培養學生科學思維能力為目標的藥理學教學研究[J].遼寧醫學學院學報（社會科學版），2013（1）.

[責任編輯：覃侶冰]