面向卓越計劃的“電工學(xué)”課程教學(xué)改革

劉鳳春，陳希有，牟憲民，李冠林，王 林

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

教育部制定的“卓越工程師教育培養(yǎng)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(yǎng)人才，培養(yǎng)造就具有創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)。

“電工學(xué)”作為工科非電類專業(yè)量大面廣的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是直接為各專業(yè)服務(wù)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(chǔ)核心課程建設(shè)過程中，實施了新一輪的課程體系和教學(xué)模式的改革，開發(fā)了系列工程應(yīng)用案例，試行案例教學(xué)，以促進研究型教學(xué)模式的開展。本文總結(jié)了“電工學(xué)”課程的新型課程體系，以及工程案例教學(xué)設(shè)計的具體方法等問題，供同行參考。

1 傳統(tǒng)課程體系評析

“電工學(xué)”的傳統(tǒng)課程體系可由具有代表性的教材體系清晰地展現(xiàn)出來［2，3］。其特點是重視理論的學(xué)術(shù)性與系統(tǒng)性，結(jié)構(gòu)與邏輯的嚴密性。教學(xué)內(nèi)容以傳授電工技術(shù)、電子技術(shù)的基本理論和概念和原理為主，使學(xué)生達到基本分析計算電路的能力。

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

2 新型課程體系和教學(xué)模式

筆者已經(jīng)建成了三維立體化“電工學(xué)”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(tǒng)“電工學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容。這些內(nèi)容按照其理論體系獨立成章。二維是指將理論應(yīng)用于工程實際所必備的關(guān)聯(lián)知識，起到理論通向?qū)嵺`的橋梁作用。例如，低壓電器與電氣自動控制技術(shù)、可編程序控制器、傳感器與自動檢測技術(shù)、模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換和電力電子技術(shù)等。這些內(nèi)容有的獨立成章，有的則分散融入相關(guān)理論章節(jié)中。三維就是學(xué)習(xí)方法。我們通過恰當?shù)慕虒W(xué)模式，讓學(xué)生掌握電工電子的一般科學(xué)方法和具體研究方法，使其跨學(xué)科領(lǐng)域地進行概念和方法的移植。

研究型教學(xué)模式融學(xué)習(xí)與研究為一體，以培養(yǎng)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(xué)方法。教學(xué)過程強調(diào)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(xué)模式綜合考慮了教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生學(xué)習(xí)主體性的發(fā)揮。

為了適應(yīng)“電工學(xué)”新型課程體系，筆者試行了工程案例教學(xué)法。我們設(shè)計了具有工程實際應(yīng)用價值的典型教學(xué)案例，并增補了具有工程應(yīng)用背景的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)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(guān)系，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)分析與洞察能力。

屬于一維的教學(xué)內(nèi)容，在授課時需詳細推證。屬于二維的教學(xué)內(nèi)容則重點介紹應(yīng)用方法，并設(shè)計預(yù)習(xí)問題，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，自主學(xué)習(xí)部分知識。

“電工學(xué)”所包含的電工技術(shù)和電子技術(shù)都屬于應(yīng)用性學(xué)科，這就要求教師具有較強的工程實踐經(jīng)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(xué)設(shè)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(fā)性;⑥案例的類型和數(shù)量。

“電工學(xué)”是全校工科專業(yè)學(xué)生的必修課程，案例的設(shè)計要考慮到各個專業(yè)的教學(xué)需求，以及當前學(xué)科綜合、交叉和相互滲透的發(fā)展趨勢，需注重從不同學(xué)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(xué)科專業(yè)中的運用。

3 工程案例教學(xué)設(shè)計

3.1 揚聲器跨接網(wǎng)絡(luò)

圖1所示是三個揚聲器跨接網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(diào)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(diào)?怎樣才能使揚聲器獲得最大功率?高保真的音響系統(tǒng)是如何構(gòu)成的?

圖1 三揚聲器跨接網(wǎng)絡(luò)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(yīng)如何產(chǎn)生一個點燃發(fā)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(tài)響應(yīng)的教學(xué)。此外電感能量的存儲與釋放、高電壓的產(chǎn)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(shù)，如何計算開關(guān)閉合后，點火線圈中的儲能和開關(guān)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(jié)能燈驅(qū)動電路

LED節(jié)能燈是當今最新的節(jié)能環(huán)保光源。但一只LED發(fā)光強度很小，要達到市場足夠的照度，LED應(yīng)該怎樣使用呢?圖3所示為一種簡易LED節(jié)能燈驅(qū)動電路，它能驅(qū)動20～40只LED。本案例綜合了整流、濾波、穩(wěn)壓電路與發(fā)光電路等知識點。

圖3 一種LED節(jié)能燈驅(qū)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(wěn)壓后給LED燈供電?②整流濾波電路的輸出電壓應(yīng)該為多少?如果不滿足要求，應(yīng)該怎么辦?電路中的每個元件各起什么作用;③如果設(shè)LED的額定電流為20mA，應(yīng)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(qū)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(fā)生±15%波動時，輸出電流應(yīng)在±10%的范圍內(nèi)變動;②驅(qū)動電路自身應(yīng)有較低功耗，這樣才能使LED燈具有較高效率，達到節(jié)能燈目的。

3.4 延時電路

由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)的延時接通電路如圖4所示［6］，該電路可實現(xiàn)先接通設(shè)備的低壓電路，延時后給設(shè)備加高壓的功能。該案例在555集成電路的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了整流、濾波、穩(wěn)壓以及電路的暫態(tài)(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(guān)S接通瞬間，555的輸入端與輸出端的狀態(tài)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(xué)環(huán)節(jié)的改革思路

由于課程體系、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的改革，相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)、作業(yè)形式以及考試環(huán)節(jié)都應(yīng)做出與之匹配的改革。

對于實驗環(huán)節(jié)，我們配合工程案例教學(xué)，研制了電工技術(shù)與電子技術(shù)創(chuàng)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(fā)了諸多的自主性與創(chuàng)新性實驗項目。

對于作業(yè)環(huán)節(jié)，其形式與類型要配合研究型教學(xué)模式的開展。除了基本習(xí)題外，需增加更多的思考題、工程案例分析題以及設(shè)計題。

不同教學(xué)模式所要完成的教學(xué)任務(wù)和達到的教學(xué)目的不同，其評價的方法和標準也應(yīng)有所不同。目前，我們正在探索與研究型教學(xué)模式相匹配的評價方法和考核體系。我們已經(jīng)按照新的教學(xué)內(nèi)容研制了新的試題庫，試題類型體現(xiàn)了應(yīng)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(xué)生學(xué)習(xí)的過程和學(xué)科應(yīng)用能力等因素。

［1］ 教育部關(guān)于批準第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)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(xué)(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009

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

［4］ 胡弼成.高等學(xué)校課程體系的三種形態(tài)及其設(shè)計［J］.長沙:大學(xué)教育科學(xué)，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(jīng)典應(yīng)用實例第一集.北京:電子工業(yè)出版社，2008