“电路”课程教材建设探讨

摘要：在当前电路课程课时大量缩减，强调以教师为主导、学生为主体的教育理念的指导下，电路教材应便于教师组织教学和学习者自学。如何处理知识体系和学生认知体系的关系及电路课程和后续课程的联系，是教材编写者应该考虑的问题。为此，提出模块化编写电路教材的思想，对高校电路教材建设具有建设性意义。

关键词：电路课程；教材建设；模块化思想

中图分类号：G642      文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）18-0049-02

“电路”课程（“电路原理”、“电路分析”、“电路分析基础”）是电气与电子信息类专业的必修课。“电路”课程理论严密，逻辑性强，有广阔的工程背景。通过本课程的学习，对培养学生严肃认真的科学作风、理论联系实际的工程观点、科学思维能力、分析计算能力、实验研究能力和科学归纳能力有重要的作用。

“电路”课程对初学者来说，往往给人的感觉是概念多、公式多、方法多，如何梳理这些知识点之间的前后联系，使其系统化，不仅对教师的教学能力和专业素养提出很高的要求，也对电路教材的编写质量提出了很高的要求，电路教材建设已成为电路教学改革的重要内容。笔者结合自己的教学探索和实践，就如何处理知识体系和学生认知体系的关系，以及电路课程和后续课程的联系，提出了电路教材编写模块化的思想，将电路课程的知识点归为电阻电路的分析、动态电路分析、二端口网络和电路方程矩阵形式四大模块。

一、电阻电路分析

电阻电路分析（静态电路分析）分为线性电阻电路分析和非线性电阻电路分析两部分。其中，线性电阻电路分析包括电路模型、电路定律（欧姆定律和基尔霍夫定律）、电阻电路的一般分析方法（回路电流法、结点电压法）和电路定理（叠加定理、替代定理、戴维宁定理和诺顿定理、最大功率传输定理等）；非线性电阻电路分析包括非线性电阻模型和非线性电阻电路分析方法（图解法和小信号分析法）。

在编写电阻电路分析这一部分内容时应注意以下几点：

（1）应强调电阻电路的概念，它虽然简单，但却容易被忽视。一些学习者在学完电路课程后，也无法清晰和准确地表述电阻电路的概念，对其分析方法的掌握情况就可想而知了。

（2）教材在编写回路电流法和结点电压法时，[1-2]采用最原始的基尔霍夫定律，而摒弃采用自电阻、互电阻和自电导、互电导的公式法，这是不可取的，因为学习电路课程是为后续课程的学习做准备的，采用最原始的基尔霍夫定律列写回路电流方程和结点电压方程对规模小、结构简单的电路是可取的，但在实际工程应用中，对于规模大、结构复杂电路就必须采用计算机辅助手段进行分析，而用计算机分析电路就要求电路方程规范化，电气专业后续课程“电力系统分析”中的潮流计算就是个很好的例子。事实上，按公式法列写回路电流方程和结点电压方程之所以让学习者望而生畏，并不是方法本身的问题，而是教材编写和教师讲授的问题——过多的强调了一些特殊电路，而忘了方法本身应最终服务于工程实践。

（3）教材将非线性电路分析放在最后一章，[3-4]讲授教师往往由于课时的限制，根本无法讲到这一章的内容，以致非线性电路的分析方法对学习者来说是一片空白，而非线性电路的分析方法对学习者来说又是很重要的，因为后续课程中的电路（如二极管、三极管、场效应管等电路）一般都是非线性电路，对这些电路的分析就需要采用非线性电路分析方法。因此，将非线性电阻电路纳入电阻电路分析提前讲授是必要的。

（4）目前，一些教材将“含运算放大器的电阻电路”作为一章进行介绍，实际上这样做没有必要。首先，运算放大器本身是非线性器件，含有运算放大器的电阻电路是非线性电路，对含运算放大器的电阻电路的分析是非线性电路分析。其次，如何建立运算放大器模型、运算放大器模型为什么能理性化得到理想运算放大器模型，这不仅仅是一个数学问题，更重要的还是和通用运算放大器本身的特性有关的，这些都会在电气和信息类专业的后续专业课程“模拟电子技术”中介绍，而且“模拟电子技术”课程也会对运算放大器运算电路作专门介绍。

二、动态电路分析

动态电路分析分为动态电路稳态分析和动态电路暂态分析两部分。其中，动态电路稳态分析包括正弦稳态电路分析——相量法和正弦稳态电路分析的工程应用（含耦合电感电路分析、RLC串并联谐振电路分析、非正弦周期电流电路分析——谐波分析法和三相正弦稳态电路分析）；动态电路暂态分析包括时域分析法和频域分析法（拉普拉斯变换法），而时域分析法又分为经典法和状态方程法。

在编写动态电路分析这一部分内容时应注意以下几点：

（1）应强调动态电路的概念，因为建立不了动态电路的概念，掌握动态电路分析方法就无从谈起。

（2）应强调动态电路稳态和暂态、稳态分析和暂态分析概念，因为这两对概念的建立对后续课程的学习是很有帮助的，比如电气专业学习“电机学”、“电力系统分析”等课程对电路的分析就包含稳态分析和暂态分析两大部分。

（3）教材将动态电路的暂态分析放在稳态分析之前、电阻电路分析之后，实践证明教学效果是不理想的。[3，5]动态电路的稳态分析应放在暂态分析之前、电阻电路分析之后，因为线性电阻电路的所有分析方法都可推广应用于正弦稳态电路分析方法——相量法，紧接电阻电路分析法之后讲正弦稳态电路分析不仅有利于对相量法的学习，也可以进一步巩固前面所学的电阻电路的分析方法。而动态电路暂态分析的时域分析法——经典法和状态分析法常用到的仅是元件的两类约束——元件约束（VCR）和拓扑约束（基尔霍夫定律）。

（4）强调动态电路暂态分析的时域分析法、频域分析法的概念，将这些方法放在一起，可保持对动态电路暂态分析方法知识的系统性和完整性。教材将动态电路的暂态分析分别分为两章内容（一阶电路和二阶电路的时域分析、线性动态电路的复频域分析），而且两章内容编排相差甚远，这对学习者系统掌握动态电路暂态分析方法是不利的。[3，5]

（5）将含耦合电感电路分析、RLC串并联谐振电路分析、三相正弦稳态电路分析和非正弦周期电流电路分析——谐波分析法归入正弦稳态电路分析的工程应用，是因为这些电路不管电路形式如何特殊，所使用的分析方法本质上都是相量法，如放在不同的章节对其讲解，会让学习者过多的关注这些电路在电路形式上的不同，而忽略它们本质的分析方法。

三、二端口网络

二端口网路知识对后续课程的学习很有帮助，如放大器、滤波器、变压器的电路模型都可归结为二端口网络。电子电路中会经常遇到二端口网络的相互连接。它们之间的连接有5种方式，分别为串联、并联、串-并联、并-串联和级联。这样连接而成的网络仍为二端口网络。另外，电力系统中用于模拟远距离输电线的链型电路也是一些二端口网络级联而成的。因此，二端口网路也是电路课程学习的重要内容。

二端口网络内容包括网络函数的定义及二端口网络、二端口方程和参数、二端口的等效电路、二端口的连接和二端口知识的工程应用——回转器和负阻抗变换器。在二端口网路这一部分的编写中应注意以下两点：

（1）首先应简单介绍网络函数的概念，因为网络函数中驱动点阻抗（导纳）、转移阻抗（导纳）、电压转移函数和电流转移函数的概念对二端口网络参数的物理意义的理解是很有帮助的。教材在“电路的频率响应”和“线性动态电路的复频域分析”两章中都介绍了网络函数的概念，[3]但网络函数的概念对RLC串并联谐振知识点的学习帮助并不大，而在线性动态电路的复频域分析中根本没有必要介绍网络函数的概念，因为网络函数、网络函数的零点和极点、网络函数的零点和极点的配置及其对系统稳定性的影响等是电气类专业后续专业课程自动控制原理的重要内容，并且教学实践证明一本教材中多数出现对同一概念的定义，只能增加对教师和学习者的困扰，对教师安排教学和学习者自学都很不利。

（2）在介绍二端口网络的方程和参数时，应首先介绍完所有的参数以后，再简单介绍一下各种参数的转换，并且应着重强调各种参数的物理意义。教材介绍了二端口Z参数和Y参数后紧接着介绍两种参数间的相互转换，然后再介绍T参数和H参数，最后给出了各种参数的相互转换公式。[3]教学实践证明，学习者往往会忽略参数本身表示的物理意义，而去关注各种参数间的相互转换关系并强行记忆各种参数间相互转换的公式，这不仅不利于后续课程中二端口网络参数的相关工程应用的学习，而且让学习过程变得枯燥而又痛苦。

四、电路方程的矩阵形式

对于规模大、结构复杂的电路，需要采用计算机辅助手段对其进行分析和求解，这就要求电路方程必须用矩阵形式表示。在这一部分介绍电路方程的矩阵形式及其系统建立方法，这是计算机辅助分析和设计所需的基础知识。

电路方程的矩阵形式内容包括电路的图（回路、树、割集等）、回路矩阵、关联矩阵、割集矩阵、回路电流方程的矩阵形式、结点电压方程的矩阵形式。

教材在第三章“电阻电路的一般分析”中介绍了电路的图的概念，[3]但由于第十五章“电路方程的矩阵形式”之前的各章节所涉及到的都是规模小、结构简单的电路，电路的图的概念并没有多大用处，但等到学习第十五章“电路方程的矩阵形式”需要用到电路的图的概念时，因为时间过长，又得重新复习电路的图的概念，这在当前电路课程课时大量压缩的形势下是不利的。因此，应直接将电路的图的概念放在电路方程的矩阵形式这一部分介绍。

五、结束语

电路课程作为电气和信息类专业的专业基础课，其学习效果直接影响到后续专业课程的学习。电路课程广阔的工程背景要求电阻电路、动态电路以及动态电路的稳态和暂态等概念必须深深扎根于学习者心里，每一类电路也有相应的分析方法，这些概念和方法应该清楚的、系统地呈现在读者的面前，而不是过分的依靠讲授教师的经验和其对后续专业知识的掌握，特别是在当前电路课程课时大量压缩，强调以教师为主导、学生为主体的教育理念的指导下，这一点是尤为重要的。如何处理知识体系和学生认知体系的关系，以及电路课程和后续课程的联系，是教材编写者应该考虑的问题。

参考文献：

[1]于歆杰,等.电路原理[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]金波.电路分析基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[3]邱关源.电路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]江缉光,等.电路原理(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5]李瀚荪.电路分析基础(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

（责任编辑：刘丽娜）