面向產(chǎn)學(xué)研融合的《電工技術(shù)》課程創(chuàng)新與實(shí)踐

摘 要：注意到《電工技術(shù)》課程教材未能有效展示基礎(chǔ)理論的前沿應(yīng)用這一問(wèn)題，本文從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法等方面開展教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，通過(guò)增加電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)建模與分析等應(yīng)用案例，將電工學(xué)基礎(chǔ)理論與控制理論、信號(hào)處理等其他學(xué)科知識(shí)結(jié)合以開展對(duì)前沿科技中關(guān)鍵問(wèn)題研究。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研融合培養(yǎng)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，提高解決問(wèn)題和創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)復(fù)合型高等教育人才。

關(guān)鍵詞：教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐；電工技術(shù)；控制理論；信號(hào)處理

國(guó)家教育改革提出的三個(gè)要求為教育體系的優(yōu)化與發(fā)展指明了方向，尤其是在課程建設(shè)、教材編寫和科研反哺教學(xué)方面，這些要求對(duì)提高教育質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的影響[1]。首先，全面提高課程建設(shè)質(zhì)量，意味著課程的內(nèi)容不僅要符合時(shí)代發(fā)展的需求，還需要關(guān)注學(xué)生的實(shí)際需求以及職業(yè)市場(chǎng)的要求。這一要求促使教育者不斷反思和改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法以及評(píng)估體系，確保學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中獲得最前沿的知識(shí)和技能。這不僅要求課程內(nèi)容要科學(xué)合理，還要具有一定的靈活性和適應(yīng)性，以應(yīng)對(duì)快速發(fā)展的社會(huì)需求。其次，推動(dòng)高水平教材的編寫與使用，強(qiáng)調(diào)教材不僅要具備學(xué)術(shù)性，還需要具備實(shí)用性和易操作性。高水平的教材能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象的理論知識(shí)，同時(shí)也能提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。因此，編寫教材時(shí)需要更多地考慮到如何將理論與實(shí)踐相結(jié)合，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。再次，推動(dòng)科研反哺教學(xué)，意味著科研成果應(yīng)該與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)接，確保學(xué)生在課堂上能夠接觸到最新的科研成果。科研活動(dòng)不僅可以提升教師的專業(yè)能力，還能為教學(xué)提供新鮮的素材和方法，從而提高教學(xué)的質(zhì)量和水平。

以《電工技術(shù)》課程為例，作為工科專業(yè)中的基礎(chǔ)核心課程，它的內(nèi)容涉及電路分析、正弦交流電路、變壓器和電機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域，既具備深厚的理論性，又需要強(qiáng)大的實(shí)踐能力。為了讓學(xué)生更好地掌握這些內(nèi)容，教師不僅要注重教學(xué)內(nèi)容的傳授，還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目以及行業(yè)案例來(lái)強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，學(xué)生可以更好地理解電工技術(shù)的基本原理，同時(shí)掌握解決實(shí)際問(wèn)題的能力[2-3]。

一、電工技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)存問(wèn)題

（一）教學(xué)內(nèi)容局限

當(dāng)前廣泛使用的《電工技術(shù)》教科書在理論知識(shí)的應(yīng)用方面存在顯著不足，缺乏案例實(shí)踐介紹，主要內(nèi)容集中于成熟的電路基礎(chǔ)理論知識(shí)，一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。為了適應(yīng)現(xiàn)代電工技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，面向科技發(fā)展前沿更新教學(xué)內(nèi)容以滿足當(dāng)代需求至關(guān)重要。新的教材應(yīng)該更加涉及綜合利用電工技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域的理論以分析復(fù)雜系統(tǒng)的性能、設(shè)計(jì)解決方案等方面的實(shí)際案例的使用。通過(guò)增加應(yīng)用導(dǎo)向型案例研究，可以幫助學(xué)生深刻理解理論知識(shí)，并將其應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題分析中。

另一方面，作為理論課程的重要補(bǔ)充，電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程通常偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)通常操作簡(jiǎn)單且技術(shù)要求較低，但也因此限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新性和針對(duì)性。由于設(shè)備和技術(shù)的限制，學(xué)生難以在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行真正的創(chuàng)新和探索，這使得他們?cè)谡n堂上難以培養(yǎng)出解決實(shí)際問(wèn)題的能力[4]。

為了改進(jìn)這種情況，可以考慮更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，引入更多面臨現(xiàn)代技術(shù)挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中提出新的想法和解決方案。此外，通過(guò)跨學(xué)科的合作和資源整合，可以為學(xué)生提供更多實(shí)踐機(jī)會(huì)，促進(jìn)他們的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際動(dòng)手能力的發(fā)展。

（二）教學(xué)模式落后

當(dāng)前電工課程教學(xué)中大多以傳統(tǒng)知識(shí)講授和封閉式考試形式完成。這種教學(xué)方式雖具有高效和整體性特征，偏重于對(duì)知識(shí)的記憶性和解題性掌握，但無(wú)法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、創(chuàng)新能力做出有效判斷，也忽視了他們的實(shí)際學(xué)習(xí)需求和能力發(fā)展[5]，因此在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維方面存在顯著局限性。例如學(xué)生可能會(huì)過(guò)度依賴書本知識(shí)，而不是通過(guò)自主探索和實(shí)踐活動(dòng)來(lái)深化對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，不利于學(xué)生的后續(xù)發(fā)展。

二、產(chǎn)學(xué)研融合電工技術(shù)教學(xué)探索

針對(duì)電工技術(shù)課程教學(xué)中存在的三個(gè)問(wèn)題，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在本科課程教學(xué)實(shí)踐中做出如下探索性改革嘗試：

（一）增加基礎(chǔ)理論前沿應(yīng)用介紹。在保留傳統(tǒng)電工技術(shù)課程中電路分析方法、暫態(tài)分析、正弦穩(wěn)態(tài)電路、三相電路、磁路與鐵心線圈電路等重要基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目組科研實(shí)際情況對(duì)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新和調(diào)整，以電動(dòng)汽車無(wú)線充電為場(chǎng)景的典型應(yīng)用案例，增加了利用電工技術(shù)知識(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模方面的介紹。電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)（Dynamic Wireless Charging System， DWCS），通過(guò)埋于地面下的供電導(dǎo)軌借助于高頻交變磁場(chǎng)將發(fā)射線圈段電能傳輸給在地面上一定范圍內(nèi)移動(dòng)的車輛底盤上的接收線圈，進(jìn)而經(jīng)過(guò)整流后實(shí)現(xiàn)給汽車供電。DWCS技術(shù)可解決電動(dòng)汽車的續(xù)航里程焦慮問(wèn)題，同時(shí)電能補(bǔ)給過(guò)程不發(fā)生直接電路聯(lián)系，因此也更加安全、便捷。DWCS主要研究電能傳輸距離、耦合線圈側(cè)移、車輛行駛速度對(duì)接收端充電性能和充電效率的影響。吸引了美國(guó)、韓國(guó)、法國(guó)等不少國(guó)家研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)興趣。國(guó)內(nèi)也有包括重慶大學(xué)、東南大學(xué)以及上海大學(xué)在內(nèi)等多家高校也在開展DWCS方面的研究。國(guó)網(wǎng)蘇州公司開發(fā)了車輛靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)無(wú)線充電站（Static Wireless Charging System， SWCS），并投入試運(yùn)行，但尚未實(shí)現(xiàn)移動(dòng)無(wú)線充電功能。

在課程教學(xué)中，以電動(dòng)汽車無(wú)線充電為具體場(chǎng)景，介紹移動(dòng)無(wú)線充電系統(tǒng)的建模與分析，具體內(nèi)容為：介紹利用工程數(shù)學(xué)中的廣義狀態(tài)空間平均法基本知識(shí)，并展示如何利用電工理論中的基爾霍夫定理與廣義狀態(tài)空間平均法結(jié)合推導(dǎo)出DWCS系統(tǒng)的建模過(guò)程，同時(shí)利用電路理論中的畢奧-薩伐爾定律推導(dǎo)出發(fā)射線圈與接收線圈間的互感。進(jìn)一步考慮到有相當(dāng)比例的本課程學(xué)生為自動(dòng)化或電氣自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生，結(jié)合這一特點(diǎn)，進(jìn)一步延伸介紹了如何基于所建立的線性化參數(shù)時(shí)變模型設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器，以優(yōu)化移動(dòng)無(wú)線充電過(guò)程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能[6-8]。通過(guò)本次介紹，有力展示了基礎(chǔ)電工技術(shù)理論如何與既有的信號(hào)變換和控制理論相結(jié)合以解決前沿工程中新問(wèn)題，拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識(shí)。

（二）增加實(shí)驗(yàn)展示環(huán)節(jié)。構(gòu)建了移動(dòng)無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證所建模型有效性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括：功率分析儀、數(shù)字源表、電流直接輸入單元、電子負(fù)載、無(wú)線發(fā)射端和接收端以及移動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架等組件。同時(shí)借此機(jī)會(huì)也講授功率分析儀、數(shù)字電表等常用儀表的使用方法，以及展示如何在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證理論結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論結(jié)果的不足之處并設(shè)計(jì)相應(yīng)解決方案。

三、教學(xué)效果分析

通過(guò)為連續(xù)兩屆本科生電工技術(shù)課程中增加對(duì)車用移動(dòng)無(wú)線充電系統(tǒng)建模與分析介紹、以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示，在以下兩個(gè)方面取得了較好的教學(xué)效果：

（一）將學(xué)科前沿研究納入基礎(chǔ)課程教學(xué)。通過(guò)上述引入無(wú)線充電系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，使得電工技術(shù)課程教學(xué)不僅僅局限于傳授課程大綱中的基礎(chǔ)知識(shí)，還將前沿研究?jī)?nèi)容融入本科教學(xué)，展示了從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)到科學(xué)研究的連貫過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)熱情。例如，將無(wú)線充電系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)引入《電工技術(shù)》課程，不僅拓寬了課程的知識(shí)視野，還增強(qiáng)了課程的現(xiàn)實(shí)意義。無(wú)線充電作為近年來(lái)電力工程與電子技術(shù)領(lǐng)域的重要突破之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電動(dòng)汽車等設(shè)備的充電系統(tǒng)中，涉及電磁場(chǎng)、諧振、電能傳輸?shù)葟?fù)雜的工程技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)將這一前沿技術(shù)引入到課程中，學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的電路分析、交流電機(jī)等基礎(chǔ)內(nèi)容的同時(shí)，了解無(wú)線充電系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)難點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景，從而激發(fā)他們對(duì)課程內(nèi)容的興趣和學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)將基礎(chǔ)理論教學(xué)與科學(xué)研究前沿緊密結(jié)合，展示了基礎(chǔ)理論知識(shí)在實(shí)踐應(yīng)用中的重要性，加深對(duì)學(xué)生所學(xué)內(nèi)容的理解和記憶，為學(xué)生提供了在真實(shí)場(chǎng)景中解決問(wèn)題和進(jìn)行創(chuàng)新思維的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了解決復(fù)雜問(wèn)題所需的基礎(chǔ)能力。

（二）通過(guò)增加理論結(jié)果的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對(duì)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合必要性的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論知識(shí)和理論結(jié)果準(zhǔn)確性的有效途徑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題和創(chuàng)新思維的能力，還能夠顯著激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣[9-12]。通過(guò)增加對(duì)移動(dòng)無(wú)線充電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的介紹，有效加深了對(duì)電路基礎(chǔ)理論的理解，極大地增強(qiáng)了學(xué)習(xí)投入度和學(xué)習(xí)效果，顯著改善學(xué)習(xí)成績(jī)和長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了通過(guò)將電工技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、信號(hào)處理理論以及自動(dòng)控制相關(guān)理論相結(jié)合，以移動(dòng)無(wú)線充電系統(tǒng)的建模與分析這一前沿研究為載體，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研三位一體的電工技術(shù)新型課程體系。這一教學(xué)改革探索，不僅僅是課程內(nèi)容的簡(jiǎn)單更新，而是教育發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變。通過(guò)在教學(xué)中引入前沿科技，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)既能迅速解決企業(yè)技術(shù)問(wèn)題，又能運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立探索的復(fù)合型本科人才。

教育部產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202102058009）。

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責(zé)編 / 馬銘陽(yáng)