面向卓越計劃的“電工學”課程教學改革

劉鳳春，陳希有，牟憲民，李冠林，王 林

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連 116023)

教育部制定的“卓越工程師教育培養計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)是一項重大教育改革項目，首批有61所高校實施該項目［1］，2010年6月23日，在天津召開了“卓越計劃”的啟動會。“卓越計劃”的目的是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國，促進高等教育面向社會需求培養人才，培養造就具有創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。

“電工學”作為工科非電類專業量大面廣的技術基礎課程，是直接為各專業服務的核心課程。為了配合我校實施“卓越計劃”，筆者在電工電子基礎核心課程建設過程中，實施了新一輪的課程體系和教學模式的改革，開發了系列工程應用案例，試行案例教學，以促進研究型教學模式的開展。本文總結了“電工學”課程的新型課程體系，以及工程案例教學設計的具體方法等問題，供同行參考。

1 傳統課程體系評析

“電工學”的傳統課程體系可由具有代表性的教材體系清晰地展現出來［2，3］。其特點是重視理論的學術性與系統性，結構與邏輯的嚴密性。教學內容以傳授電工技術、電子技術的基本理論和概念和原理為主，使學生達到基本分析計算電路的能力。

在實施培養卓越工程師計劃的今天，“電工學”作為工科非電類專業的技術基礎課程，其教學重點就不在于讓學生掌握很深的理論，而在于培養學生將電工和電子的基本知識應用于各自專業的能力，繼而創新性地發展各自專業的能力。因此，課程體系既要考慮為學生搭建完整而具可塑性的知識框架，又要從工程應用性出發，建立理論知識與實際應用的雙向和互動體系。

2 新型課程體系和教學模式

筆者已經建成了三維立體化“電工學”課程體系。一維是指電工電子的基本理論、概念和原理，其中包含了傳統“電工學”的教學內容。這些內容按照其理論體系獨立成章。二維是指將理論應用于工程實際所必備的關聯知識，起到理論通向實踐的橋梁作用。例如，低壓電器與電氣自動控制技術、可編程序控制器、傳感器與自動檢測技術、模數與數模轉換和電力電子技術等。這些內容有的獨立成章，有的則分散融入相關理論章節中。三維就是學習方法。我們通過恰當的教學模式，讓學生掌握電工電子的一般科學方法和具體研究方法，使其跨學科領域地進行概念和方法的移植。

研究型教學模式融學習與研究為一體，以培養能力和鍛煉思維為目的，以研究法、討論法和案例分析法為主要教學方法。教學過程強調民主與合作、探究與實踐和主體意識與個性化等。顯然，研究型教學模式綜合考慮了教師的主導作用與學生學習主體性的發揮。

為了適應“電工學”新型課程體系，筆者試行了工程案例教學法。我們設計了具有工程實際應用價值的典型教學案例，并增補了具有工程應用背景的教學內容。在教學過程中，使課程體系中一維與二維的知識形成融合與遞進的關系，著重培養學生的科學分析與洞察能力。

屬于一維的教學內容，在授課時需詳細推證。屬于二維的教學內容則重點介紹應用方法，并設計預習問題，引導學生查閱資料，自主學習部分知識。

“電工學”所包含的電工技術和電子技術都屬于應用性學科，這就要求教師具有較強的工程實踐經驗，善于從眾多的實例中簡化、提煉出蘊含概念和知識點的典型案例。

案例的教學設計著重考慮了如下問題:①案例的典型性;②案例的工程性;③案例的綜合性;④案例的趣味性;⑤案例的啟發性;⑥案例的類型和數量。

“電工學”是全校工科專業學生的必修課程，案例的設計要考慮到各個專業的教學需求，以及當前學科綜合、交叉和相互滲透的發展趨勢，需注重從不同學科例題分析中引入基本概念，闡述電工和電子的基本原理在各個學科專業中的運用。

3 工程案例教學設計

3.1 揚聲器跨接網絡

圖1所示是三個揚聲器跨接網絡原理圖［5］。此案例涉及到了交流電路的知識點，并可拓展至阻抗和匹配頻率特性以及非正弦周期電流電路。圖中的放大電路還涉及到電子技術課程，功率匹配問題可以延伸到變壓器一章。

此案例的拓展性問題有:各揚聲器的音調為什么是不同的?怎樣使高音更高，低音更低?怎樣改變中音揚聲器的主音調?怎樣才能使揚聲器獲得最大功率?高保真的音響系統是如何構成的?

圖1 三揚聲器跨接網絡原理圖

3.2 汽車點火電路

我們知道車載蓄電池的電壓為6V或12V，而使火花塞擊穿需要15～20kV的高壓，那么應如何產生一個點燃發動機的火種?由這個問題引出汽車簡單點火電路，其示意圖如圖2所示。我們可從此案例入手，進行RL電路暫態響應的教學。此外電感能量的存儲與釋放、高電壓的產生原理等概念和理論也都包含在此案例之中。

若給定電路參數，如何計算開關閉合后，點火線圈中的儲能和開關斷開時氣隙兩端的電壓等。此案例的拓展性問題有:如何控制點火電壓?如果不能點火，故障原因可能有哪些?怎樣提高點火可靠性?

圖2 汽車點火電路示意圖

3.3 LED節能燈驅動電路

LED節能燈是當今最新的節能環保光源。但一只LED發光強度很小，要達到市場足夠的照度，LED應該怎樣使用呢?圖3所示為一種簡易LED節能燈驅動電路，它能驅動20～40只LED。本案例綜合了整流、濾波、穩壓電路與發光電路等知識點。

圖3 一種LED節能燈驅動電路

這個案例基本問題有:①為什么要將交流電源整流、濾波和穩壓后給LED燈供電?②整流濾波電路的輸出電壓應該為多少?如果不滿足要求，應該怎么辦?電路中的每個元件各起什么作用;③如果設LED的額定電流為20mA，應如何選取電阻的功率和電容的耐壓值?④本電路的缺點是什么?改進措施有什么?

課堂上還需要對LED的驅動電路說明如下問題:①盡可能保持恒流特性，當電源電壓發生±15%波動時，輸出電流應在±10%的范圍內變動;②驅動電路自身應有較低功耗，這樣才能使LED燈具有較高效率，達到節能燈目的。

3.4 延時電路

由單穩態觸發器實現的延時接通電路如圖4所示［6］，該電路可實現先接通設備的低壓電路，延時后給設備加高壓的功能。該案例在555集成電路的基礎上，綜合應用了整流、濾波、穩壓以及電路的暫態(電容充放電)和繼電器等知識。

這個案例的基本問題有:①電路由哪幾部分組成?各部分的作用是什么?②低壓電源何時接通?③電源開關S接通瞬間，555的輸入端與輸出端的狀態是什么?④高壓電源何時接通?其接通延時的時間為多少?⑤電容C2與電阻R2可否交換位置?⑥二極管D的作用是什么?

圖4 先接通低壓再延時接通高壓的電路

4 其他教學環節的改革思路

由于課程體系、教學模式和教學內容的改革，相應的實驗環節、作業形式以及考試環節都應做出與之匹配的改革。

對于實驗環節，我們配合工程案例教學，研制了電工技術與電子技術創新實驗平臺，將課堂上工程案例的理論分析，作為重要的實驗項目實施，同時開發了諸多的自主性與創新性實驗項目。

對于作業環節，其形式與類型要配合研究型教學模式的開展。除了基本習題外，需增加更多的思考題、工程案例分析題以及設計題。

不同教學模式所要完成的教學任務和達到的教學目的不同，其評價的方法和標準也應有所不同。目前，我們正在探索與研究型教學模式相匹配的評價方法和考核體系。我們已經按照新的教學內容研制了新的試題庫，試題類型體現了應用能力的測試;進一步改革考試的形式，使課程成績能綜合反映學生學習的過程和學科應用能力等因素。

［1］ 教育部關于批準第一批“卓越工程師教育培養計劃”高校的通知.中華人民共和國教育部，教高函［2010］7號，2010，06

［2］ 秦曾煌.電工學(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009

［3］ 唐介.電工學(少學時，第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2009

［4］ 胡弼成.高等學校課程體系的三種形態及其設計［J］.長沙:大學教育科學，2007年第1期(總第101期)，23－27

［5］ (美)Robert L.Boylestad原著，陳希有、柴鳳、孫立山改編，《Introductory Circuit Analysis 10/e》(第十版，改編版)［M］，北京:高等教育出版社，2006，P259。

［6］ 陳永甫.多功能集成電路555經典應用實例第一集.北京:電子工業出版社，2008