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关键词:经典理论 量子力学 联系
中图分类号:O413.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2016)08(a)-0143-02
量子力学于20世纪早期建立以来,经过飞速的发展,逐渐成为现代物理学科中不可分割的一部分。量子力学是现代量子理论的核心,它的发展不仅关乎人类的物质文明,还使人们对量子世界的认识有了革命性的进展[1]。
但是,量子力学并不是一个完备的理论,其体系中还存在许多问题,特别是微观与宏观,即经典理论与量子力学的联系。为解决这些迷惑,历史上相关科学家提出了很多实验与理论。该文旨在以量子力学发展史上提出的几个实验为例,对其进行简单分析,以展示经典理论与量子力学的联系。
1 问题的提出
1935年3月,爱因斯坦等人在EPR论文中提出了“量子纠缠态”的概念,所谓的“量子纠缠态”是以两个及以上粒子为对象的。在某种意义上,“量子纠缠态”可以理解为是把迭加态应用于两个及以上的粒子。若存在两个处于“量子纠缠态”的粒子,那这两个粒子一定是相互关联的,用量子力学的知识去理解,只要人们不去探测,那么每个粒子的状态都不能够确定。但是,假如同时使这两个粒子保持某一时刻的状态不变,也就是说,使两个粒子的迭加态在一瞬间坍缩,粒子1这时会保持一个状态不再发生变化,根据守恒定律,粒子2将会处于一个与粒子1状态相对应的状态。如果二者相距非常遥远,又不存在超距作用的话,是不可能在一瞬间实现两个粒子的相互通信的。但超距作用与当今很多理论是相悖的,于是,这里就形成了佯谬,即“EPR佯谬”。
同年,薛定谔提出了一个实验,后人称之为“薛定谔的猫”。设想把一只猫关在盒子里,盒中有一个不受猫直接干扰的装置,这套装置是由其中的原子衰变进行触发,若原子衰变,装置会被触发,猫会立即死去。于是,量子力学中的原子核衰变间接决定了经典理论中猫的生死。由量子力学可知,原子核应该处于一种迭加态,这种迭加态是由“衰变”和“不衰变”两个状态形成的,那么猫应该也是处在一种迭加态,这种迭加态应该是由“死”与“生”两个状态形成的,猫的生死不再是一个客观存在,而是依赖于观察者的观测。显然,这与常理是相悖的[2]。
这两个佯谬的根源是相同的,都是经典理论与量子理论之间的关系。
2 近代研究进展
2.1 验证量子纠缠的存在
华裔物理学家Yanhua Shih[3]曾做过一个被称为“幽灵成像”的实验,其实验过程及现象大致可以描述为:假设存在一个纠缠光源,这个光源可以发出两种互为纠缠的光子,通过偏振器使两种光子相互分离,令第一束光子通过一个狭缝,第二束不处理,然后观察两束光的投影,结果发现第二束光的投影形状与第一束光通过的狭缝形状完全相同。
人们发现,如果仅仅使用经典理论,实验现象是无法解释的,必须应用量子理论,才能解释“幽灵成像”的现象。这个实验也恰好验证了“量子纠缠”现象的存在。
2.2 量子世界中的欧姆定律
欧姆定律是由德国物理学家Ohm于19世纪早期提出来的,它是一种基于观察材料的电学传输性质得到的经验定律,其内容是:在同一电路中,导体中的电流跟导体两端所加的电压成正比,跟导体自身电阻成反比,即 (U指导体两端电压;R指导体电阻;I指通过导体的电流)。
18世纪二、三十年代,人们认为经典方法在宏观领域是正确的,但是在微观领域将会被打破。Landauer公式给出了纳米线电阻的计算方法,即(h为普朗克常量;e为电子电量;N为横波模式数量);而在宏观中,(为材料的密度;l为样品的长度;s为样品的横截面积)。由此发现,在宏观领域,样品的电阻是随着样品的长度增加而增加的,而在微观领域,样品的电阻与样品的长度没有关系。
Weber[4]等人制备了原子尺度的纳米线并进行观察,实验发现,在微观领域,欧姆定律也是满足的。Ferry[5]认为样品的电阻是由多种机理所导致的,而他最后得到的结果正是由于多种机理的相互叠加。经过分析,他认为欧姆定律何时开始生效取决于纳米线中电子耗散的力度,力度越大说明开始生效时的尺度越小。但这也同时引发了另一个问题的思考:低温条件下,欧姆定律是仍然成立的,也就是说经典理论仍然成立,但往往是希望在低温下研究比较纯粹的量子效应。低温条件下欧姆定律的成立要求在进行实验研究时,必须花费更多的精力来使得经典理论与量子理论分离开。
2.3 生活中的量子力学――光合作用与量子力学
Scholes等[6]从两种不同的海藻中提取出了一种名为捕光色素复合体的化学物质,并在其正常的生活条件下,通过二维电子光谱术对其作用机理进行了分析研究。他们首先使用了飞秒激光脉冲模拟太阳光来激发这些蛋白,发现了会长时间存在的量子状态。也就是说,这些蛋白吸收的光能能够在同一时刻存在于不同地点,而这实际上是一种量子迭加态。由此可见,量子力学与光合作用是有很大联系的。
3 结语
从近几年来量子力学的基本问题和相关的实验研究可以看出,虽然经典理论与量子理论的联系仍然是一个悬而未决的问题,但是当代科学家已经能够通过各种精妙的实验逐步解决历史遗留的一个个谜团,使得微观领域的单个量子的测量与控制成为可能,并且积极研究宏观现象的微观本质,将生活与量子力学逐渐的联系起来。对于“经典理论与量子力学的联系”这一专题还需要进行不断研究,使量子力学得到进一步完善与发展。
参考文献
[1] 孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展[J].物理,2001,30(5):310-316.
[2] 孙昌璞.经典与量子边界上的“薛定谔猫”[J].科学,2001(3):2,7-11.
[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.
[4] Weber B, Mahapatra S, Ryu H, et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science,2012,335(6064):64-67.
一、以激发兴趣为目标,增强知识迁移意识
学生对物理知识的兴趣程度,直接影响到思维迁移力的强度。如果学生对物理学习产生浓厚的兴趣,以积极的心态投入到学习中,就会积极探索知识,产生思维的迁移欲,并迫切希望知识水平得到进一步提升,出现有利的正向迁移。我们应该以激发学生学习兴趣为目标,增强学生的正向思维迁移意识。引导学生寻找物理知识规律,自主探寻知识的迁移点,主动对不同学科知识进行系统性组合。在积极应用所学知识与社会实践的过程中,发现知识储备的不足,产生不断储备新知识的愿望。有研究表明,学生在学习过程中,发现自身实践任务与自身的知识储备产生一定的冲突和空缺时,就会激发迁移动机。我们在教学设计过程中要注意对学生所储备的信息知识激发冲突和空缺感,设置具有一定难度,且具有真实性与可行性的实践任务,由学生自主完成,遇到困难时及时提供帮助和引导。最终使学生具备明确的学习意识性,树立主动迁移的学习态度,提高学生的思维迁移力。
二、以实验为触发点,让思维参与到实验中
物理是一门以实验为基础的学科。实验能激发学生的学习兴趣,促使学生思考问题,并在实验中解决问题。在教学中可以针对学生实验、演示实验、随堂小实验等创设思维触发点。例如:在开展“抛体运动的规律”实验中,用小锤打击弹性金属片后,A球沿水平方向抛出,同时B球被松开,物体自由下落。那么A、B两球同时开始运动,这是一个简单的小实验,但学生无论是对该实验的演示还是结论上的分析都存在很大的思维障碍。教师很有必要对这个实验设置思维的触发点。在教师演示时,要求学生观察哪个小球先落地,这就是思维的触发点:用视觉观察还是用听觉来听呢?学生观察后就有了初步结论:听觉观察更好些。再创设思维触发点:小球落地后有很多声音,听声音应该听哪个声音?在结论阶段可以创设这样的思维触发点:这个实验是用来说明平抛运动水平方向是匀速直线运动,还是用来说明竖直方向是自由落体运动?如何改进这个实验,以说明水平方向的情况?在实验中应该多创设这样的思维触发点,把“发现”结论的任务交给学生,让他们积极思维,参与到实验中。
三、开展一题多解,培养思维广阔性与深刻性
在解题过程中培养学生思维的广阔性与深刻性,通过一题多解、一题多变或一题多问等方式可以让学生多角度、全方位抓住问题的本质,提高分析问题与解决问题的能力。在进行习题练习的过程中,有的可以采用基本的方法解决,这类习题解题思路明显,解题方法简单,而有些题目提问很深奥,如果用基本的方法就显得很麻烦,甚至无从下手。要充分挖掘条件,灵活地联想变换,才能找到解决问题方法。因此,要引导学生把握知识的内涵,全面分析具体问题。例如:在牛顿定律中有F=ma,这是对质点的某一时刻而言的。根据定律与有关力、质量、加速度的概念,运用牛顿定律,首先要明确研究的对象是哪一物体或一组物体,把它们看成一个质点。质点明确了,才能确定质量m,才能分析清楚加速度a与受力F。对质点的受力分析与加速分析除了根据力是物体间相互作用、弹力、摩擦力、电场力、安培力、洛仑磁力公尺与加速度定义、运动学公式外,在很多问题中还需要把力与加速度结合起来综合分析,这样才能灵活运用。
四、以综合为前提,提高分析与综合能力
客观事物的整体与部分的关系,让运用分析解决物理问题不仅成为一种可能,而且已经成为现实。综合就是把事物各个部分、侧面与综合的基础,分析以综合为前提。掌握分析与综合的方法,训练分析与综合的思维方法,提高分析与综合的能力,是高中物理科学方法教育的主要内容。我们应该重视对学生进行分析与综合思维方法的训练。例如:在教学“欧姆定律”时,为了探索电流、电压、电阻这三个相互关联的物理量之间的关系,采取先分析后综合的思维方法。先保持其中一个物理量不变,再研究其与两个物理量之间的变化关系;保持另外一个物理量不变,研究剩余两个物理量之间的变化关系。通过实验最后得出:保持电阻不变时,电流跟电压成正比;保持电压不变时,电流跟电阻成反比结论的基础上,再综合得出了欧姆定律。在教学中,我们应该充分认识到引导学生领会探索电流、电压、电阻三者变化关系的思维方法,这比让学生知道欧姆定律的结论更重要。
五、实施变式教学,培养学生聚合思维能力
关键词:物理教学; 兴趣培养
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1006-3315(2012)10-040-001
课堂教学是由教师、学生、教材、教学结构等因素组成的动态系统。在课堂教学中,教师处于主导地位,学生是课堂的主体,教材是个工具,凝结了前人无数的智慧和感受,表面看来是相对固定的,但在课堂教学这个动态系统中,却时时处在变化之中。我们的课堂教学就是围绕学生这个主体,发挥教师的主导作用,充分利用好凝结了前人无数的聪明才智的教材,充分挖掘学生吸收知识的潜力。在课堂教学中,我的具体做法和体会是:
一、分析典型例题,力求举一反三
一套教材是经过难以计数的科学家和学者辛勤劳作,经过无数次接力式的探讨研究优化而成,其中的典型例题是我们课堂教学的突破口,往往有举足轻重的作用,要抓好课堂教学,就要找准这个突破口,教师在充分吃透教材的前提下,分析典型例题,举一反三。
二、以研究性学习活动为突破口,激发学生学习物理的兴趣
课堂是素质教育的主阵地,教材是研究性学习的主要内容。教材中包含着物理知识的探索和形成过程,研究问题的思维方式和方法,蕴涵着丰富的研究课题。在物理教材中除已有的研究性活动内容外,还给我们教师教学留有非常大的拓展空间。如学习了“摩檫”和“重力”有关知识后,可以引导学生提出“没有摩擦,生活会是什么样”、“没有重力地球上会是什么情形”等课题。在教学实践中,我与学生一起精心钻研教材,挖掘教材,发现了很多的研究性问题与素材,既激发学生的研究兴趣,也使学生加深了对教材的理解。
好奇之心人皆有之,而好奇心是从事探究的力量之源。苏科版物理新教材从“奇妙的物理现象”开始,通过设疑,观看演示实验和动手实验等手段,使学生接触有趣的物理现象,继而又介绍了物理学家进行科学探究的故事,设置了“装满水的杯子里还能放多少回形针”的探究实验,让学生通过比较,明白为什么要通过实验进行探究。
三、做好实验演示,激发学生兴趣
实验是物理学发展与研究的基础,也是物理教学的有机组成部分和重要内容,因此认真做好教材上的每一个演示实验、分组实验和小实验,对激发学生的学习兴趣和学习积极性,培养学生的观察、推理能力和科学态度有着积极的作用。
在“物体的颜色”一段的教学中,充分利用三棱镜、光的色散演示仪、投影仪等器材,通过一系列的演示实验,可以帮助学生理解较为抽象的概念,还可把课本中的死的图像变活,增加了动感,对引发学生的空间想象和思维能力,提高观察和推理的能力,突破难点,提高学生学习物理的兴趣起到了良好的作用。
对于学生的实验活动、探究活动更应正确对待,它们是培养学生实验技能的基本途径,能帮助学生牢固地掌握物理知识,培养学生的实验技能,在分组实验中,学生的活动是多方面的,既有思维,又有操作,还必须对数据进行正确分析处理,在这些活动中,不仅能增加学生的感性认识,锻炼学生的动手能力,培养学生解决实际问题的能力,更能激发学生的研究和探索热情,从而引发学生学习物理的兴趣。
小实验在开发学生智力,激发学习兴趣,培养学生的观察能力和实际动手操作的能力,并不比分组实验的效果差。小实验能降低学生自学释疑等环节中遇到问题的难度。学生在预习和自学等过程中常会遇到一些疑难问题,对某些新的物理概念似懂非懂,对某些物理规律将信将疑,有时想不通就会产生畏难情绪,影响学习效果。教材中安排的一些小实验可以起到“引导”、“解惑”的推动作用,帮助学生认识和理解物理知识,降低学习难度,帮助学生逐步掌握一定的学习方法,调动学生的学习积极性和主动性,从而引发学生自觉学习的兴趣。
四、重视生活·物理·社会及信息库等栏目应用,培养学生学习物理的兴趣
新教材上的这一栏目,不少教师往往忽略了它的作用。其实是一个激发学生学习兴趣,培养学好物理的好教材。
1.树科学家形象,学科学家精神
在教材中有许多介绍科学家的生平和事迹,我们可以把这些材料与教学结合起来对学生进行思想、精神、道德、意志等方面的教育。在9年级上册信息库中有一关于欧姆与欧姆定律的内容,在这材料中介绍了欧姆对科学的执着追求,在困难面前不屈服,在失败面前不退缩,克服了一个个困难,做了一次次实验,并获得了成功,终于得到以他名字来命名的欧姆定律。学生从具体事例上进一步深刻理解“天才不过是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水”的深刻含义,激发学生刻苦学习。还有牛顿、居里夫人……一个个动人的故事背后是一个个光彩照人的科学家形象,读了他们的事迹,让人激动不已。
2.读生动感人的故事,学理论联系实际的态度
中学物理教材的“阅读材料”中,广泛收集了物理学联系实际的事实。大到世界各国重视的能源问题,小到家用电器;上到人造卫星、无线电波,下到海洋开发;远到我国古代研究成就,近到常看的电视、电影,大到宇宙天体的运动,小到原子核结构。它们在学生面前展现了一幅幅生动的生活画卷,把学生眼中用概念、公式堆积起来的枯燥无味的物理变成了活生生的生活。
五、利用物理补充习题,追求深化提高
【关键词】自学能力获取知识研究问题终身学习
阅读是自学的重要途径。培养学生的自学能力,应从指导阅读教科书入手,使他们学会抓住课文中心,能提出问题并设法解决问题,还应鼓励学生进行课外阅读。
在中学要培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力,指导学生阅读是一个重要的环节。教就是引导学生怎样读书,怎样思考分析问题,解决问题,使学生的能力得到提高是教师教的目的。指导学生阅读课文,培养学生的阅读兴趣和提高学生的自学能力要从以下几个方面入手。
一、教师要为学生阅读教材创造条件
一方面要经常对学生进行自学能力重要性的教育,使学生充分认识到,有了自学能力才能不断地充实和更新自己的知识,才能适应迅速发展变化的社会,才能不断攀登科学的高蜂,另一方面,在平时要多为学生阅读课本创造条件,学生自学必须要有时间的保证。现在中学的科目繁多,各科作业也很重,学生每天平均自习的时间只有2至3小时,学生感到做作业都来不及了,哪有时间去看书啊!这就要求我们教师一方面必须改革教学方法,改变那种填鸭式的"满堂灌",一堂课如果一讲到底,学生便始终处于被动状态连思考的余地都没有,有些问题即使上课讲了,学生也做了练习了,但一考查起来还是不懂,这说明只有教师的讲是不行的,还必须有学生的独立思考,自己消化才行。另一方面,作业题应少而精。题目是永远做不完的,重要的是精选典型习题指导学生深入探讨,独立思考,在分析习题过程中探索其规律,使自己在解题的实践中逐步地掌握其思路和方法。总之,教师在教学中要尽量少灌输,多启发,使教学过程成为学生在教师的指导帮助下自己学习和钻研问题的过程。例如在上《欧姆定律》这课时,教师只通过演示实验讲清电流跟电压的关系,至于电流跟电阻的关系以及归纳得出定律,就可以让学生自己通过实验进行分析比较、归纳和阅读课文后得出结论,然后教师加以小结.这祥既可以在课堂上有时间让学生阅读课本,又可使学生自己实验、思考、讨论和研究问题,更促使学生去认真阅读教材。
二、根据物理教材的特点,加强阅读指导。
物理课本中既有对现象的描述,又有对现象的分析和概括。既有定量的计算,又有要动手做的实验。在表述方面,既有文学"语言",又有数学"语言"(公式、图象)还有图画"语言"(插图、照片)。看这样的书,既要懂得文字表述的意思,又要理解数学的计算及其含义,有时还要画图。学生刚开始不易读懂课文,也不习惯这种学习方法,因此,一开始教师就必须耐心的加以引导。要要求学生整章节的阅读,并给予指导,必要时,在课堂上还要边读边讲。重要的句子、结论要求学生用笔划出来,对一些叙述较复杂的段落还要给予分析解释。学生入门以后,再对他们提高要求。例如:《阿基米德原理》这一节,学生通过阅读课文后,对课文提出的概念、定义和原理就有了一个初步的认识,对实验过程和现象也有所了解,并能作大致的分析。这时教师可通过谁是受力物体,浮力的大小和方向以及在什么情况下才有浮力等提出问题,帮助学生进一步理解"原理"的实质,而不致于去死背条文。物理公式是用数学"语言"来描述物理规律的一种数学表达式。初中学生不易看懂,往往把它当作代数来看待,这就可能出现一些很严重的错误。例如通过欧姆定律推导出电阻R=U/I,这只是电阻的计算式,不能说电阻和电压成正比和电流成反比。同样密度ρ=m/v也不能说密度和质量成正比和体积成反比。因为在物理中有一些物理量只由其自身的因素决定,而和外界的因素无关。这就需要教师一开始就要帮助他们去弄清其含义。在大多数情况下,数学"语言"和文字"语言"是一致的,因此,先要训练学生当"翻译",经常要求他们将某一物理语言或数学语言"译"成文字语言或将文字语言"译"成物理语言或数学语言。例如将"钢的密度比铝大,比铅的小","译"写成"P铝<P钢<P铅";又如将欧姆定律I=U/R公式"译"写成"导体中的电流跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比"等等。同时还须要求学生了解掌握公式的物理意义、适用条件、各物理量的单位以及单位公式的变形等,经常通过这样的训练,就能逐步的提高他们的阅读能力。此外,物理课本中还常有一些物理术语,如"属性"、"竖直"、"状态"、"过程""相对""变化"等等,初中学生也是不易理解的,也需要教师通过讨论和比较,帮助学生去认识和了解。
三、引导学生养成预习的习惯,逐步培养自学能力。
电路分析基础课程是我院电类相关专业的专业基础课。通过本课程的学习,可以使学生掌握电路的基本概念、基本理论、基本分析方法以及基本实践技能,在为后续基础教学(如模拟电子技术、数字电子技术、高频电子电路、信号与系统等)和专业教学(如装备电气系统、雷达原理等)打下基础的同时,着力培养学生科学思维能力、分析计算能力、归纳总结能力、研究创新能力。随着教学改革的深入,教学时数逐渐减少,如何保证教学质量和教学效果,是教师需要直面的问题。
一、优化教学内容,构建知识体系
电路分析基础课程面向我院电类直通车学生开设,这些学生所学专业门类复杂多样,在后续的专业课中所学的装备也不同,它们所需的专业基础知识也就各有不同,侧重点也不一样,因此需要认真分析传授的内容与专业需要是否匹配,通过在主要内容上合理地分配学时,加深学生对主要知识点的把握。因此将课程内容模块化,主要包括:直流线性电路模块、交流线性电路模块和非线性电路模块[1],每一个模块又分为若干小模块。例如,直流线性电路模块又分为电路基础模块、RS电路模块、RLCS电路模块;交流线性电路模块又分为正弦稳态电路模块、三相电路模块、非周期电源电路模块、耦合电路模块等。在讲授时,通过将课程内容的灵活组合,对模块和知识点进行适当调整,就可适应不同专业需求。
在教学内容安排上,按照电路组成元件的种类和数量由简到繁的原则,依据电源元件的时域特性和频域特性,按照先易后难的认知规律进行讲授。例如在讲授直流线性电路模块时,首先讲授电路基础模块,其中主要讲授电路中的四类基本元件――电源、电阻、电感、电容的特性和伏安关系,在此基础上,讲授单类电路元件的电路分析,然后讲授具有两类电路元件的电路分析(包括RS电路、RL电路和RC电路),再讲授具有三类电路元件的电路分析(包括RLS电路和RCS电路),最后讲授具有四类电路元件的电路分析(RLCS电路)。在讲授完直流线性电路模块后,以其为基础,通过引入Z元件(阻抗元件)和S元件(运算阻抗元件),将正弦稳态电路分析和线性电路复频域分析归为直流线性电路分析方法的应用。在讲授过程中,要紧紧抓住“两类约束”(即元件约束――元件的伏安关系,拓扑约束――基尔霍夫定律)在电路分析中的具体运用,让学生了解电路分析中的许多方法都是在这两类约束具体应用的基础上演变而来的,让学生知道各种分析方法的来龙去脉,做到不但知其然,而且知其所以然,以加深对各种分析方法的理解。这样的教学内容安排,内容更加简洁,条理更加清晰,结构更加合理,便于学生对知识的掌握。
二、改进教学方法,提高教学效果
在电路分析基础课程教学改革过程中,由于课时数减少,如何在较短的时间内使学生掌握知识,提高授课效果,是值得思考的问题。在授课过程中除采用传统的启发式、研讨式等传统教学方法外,还尝试采用工程案例式、比照推演式等教学方法,着力培养学生的工程实践能力和敛散思维。
1.工程案例式教学培养学生工程实践能力。工程案例式教学是在教师的指导下,根据教学目的的要求,组织学生通过对案例的阅读、思考、分析、讨论和交流等活动,引导学生把案例与理论相结合,运用所学知识对案例进行分析和探讨,从中得出经验和教训,从而使学生更深切地理解理论的真谛,训练学生分析问题和解决问题的实际能力,从而加深他们对基本原理和概念理解[2]。例如在讲授最大功率传输定理时,可以以晶体管收音机为例进行讲解。首先简单给学生介绍一下收音机电路的组成和工作原理,然后提出“如何才能使得扬声器发出的声音最大?”这一问题,引导学生思考、讨论、相互交流,经过充分思考、讨论之后,将收音机电路中原有的扬声器去掉,换接几个不同阻值的扬声器进行实验,发现扬声器的阻值不同,其发出的最大声音也不一样。接下来继续探讨问题的成因,将除扬声器以外的电路看成一个含源二端网络,将含源二端网络运用刚刚讲过的戴维南定理进行等效,通过极值定理的条件,可以得出只有当扬声器的阻值与戴维南定理的等效电阻相等时,扬声器上得到的功率最大,声音也就最响,从而使学生了解最大功率传输定理的内容和本质。
2.比照推演式教学方法培养学生敛散思维。比照推演式教学方法就是通过与学生已熟悉知识的对比,引出新的教学内容,从而使得学生听得懂、学得明白[3]。在“电路分析基础”课程中,很多知识点(如电路与磁路、直流电路与交流电路、正弦周期电路和非正弦周期电路等)都可以采用比照推演式教学方法来讲授,使学生将不同知识点比照学习,在已知知识的基础上通过进一步探讨,就可以获得新知识,达到事半功倍的效果。例如,在直流电阻电路中,欧姆定律和基尔霍夫定律是分析电路的基础,通过这两个定律可以引出支路电流法、节点电压法、网孔电流法等分析方法,因为这些方法就是这两个定律的具体应用,只不过是针对于不同的电路拓扑而推导出的相对简单的解题方法而已。如果将直流电阻电路中的电源变成正弦交流电,将电阻元件(R元件)变为阻抗元件(Z元件),将各物理量变为相量,则正弦交流电路的分析方法与直流电阻电路的分析方法相类似,只不过是将欧姆定律、基尔霍夫定律转化为了相量形式,而支路电流法、节点电压法、网孔电流法等分析方法仍然适用。这样,在学生具有直流电阻电路相关知识的基础上,只需把正弦交流电的特性、阻抗元件的变换、物理量的相量表示讲清楚,正弦交流电路的求解也就迎刃而解。
三、完善教学手段,培养创新能力
电路分析基础课程内容理论性和实践性都很强,如果只靠课堂讲授的办法很难激发学生的学习兴趣,因此需要采用多种教学手段,来激发学生学习兴趣,培养学生的创新能力和探索精神。
1.现代化教学激发学生兴趣。在课堂教学中,传统的教学方法主要以教师讲授基本理论和方法为重点,尤其对于一些理论性强、与现实生活联系不紧密的内容,单纯采用讲授的方法效果往往不佳。而对于多媒体技术,可以借助动画、短视频、微课等多种表现形式辅助讲解,从而使学生的注意力、观察力、想象力等智力因素积极参与,提高学习的成效。针对课程内容理论性强的特点,引入MATLAB、EWB等计算机辅助分析与仿真手段[4],使电路理论分析计算与计算机仿真技术有机结合起来,为学生呈现一种更为直观的电路工作状态和结果,将看不见摸不着的理论分析转化为实际电路,对学生更有说服力,可极大激发学生的学习兴趣,有效提高学习效果。
2.实验教学培养学生动手能力。针对课程实践性强的特点,充分利用线上和线下的资源提高学生的动手能力。线上资源主要依托校园网的网络教学平台网上实验室来进行,线下资源主要依托电工电子实验中心的开放性基础教学实验室来完成。在设计实验时,根据实验的类型和特点,分为验证性实验、综合性实验和设计性实验[5]。验证性实验的主要目的是使学生加深对理论知识的理解和掌握,强化基础实验技能;综合性实验的主要目的是使学生综合运用所学知识来解决实际问题,利用新技术、新方法拓宽学生思维,提高综合应用知识的能力;设计性实验的主要目的是使学生自行设计内容并完成相关实验,锻炼学生独立思考的能力和创新能力。通过实验分级可以使学生完成知识消化、知识拓展和知识创新的过程。
3.开辟第二课堂培养探索精神。高校第二课堂作为培养学生创新能力和提升综合素质的重要载体,能有效激发学生的学习兴趣[6],提高学生独立研究问题与解决问题的能力,培养学生的探索精神。因此,依托电工电子实验中心的创新实验室和相关专业实验室,每年组织学生积极参加学院组织的“创新杯”科技制作竞赛活动,在此基础上选择优秀项目参加全国大学生电子设计竞赛,一方面可以充分展示学生的想象力和创造力,开拓学生的视野,培养学生探索精神,另一方面在增强学生的自学能力、独立思考能力、团队合作能力等方面也具有显著的促进作用。