面向卓越计划的“电工学”课程教学改革

刘凤春，陈希有，牟宪民，李冠林，王 林

(大连理工大学电气工程学院，辽宁大连 116023)

教育部制定的“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)是一项重大教育改革项目，首批有61所高校实施该项目［1］，2010年6月23日，在天津召开了“卓越计划”的启动会。“卓越计划”的目的是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，促进高等教育面向社会需求培养人才，培养造就具有创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。

“电工学”作为工科非电类专业量大面广的技术基础课程，是直接为各专业服务的核心课程。为了配合我校实施“卓越计划”，笔者在电工电子基础核心课程建设过程中，实施了新一轮的课程体系和教学模式的改革，开发了系列工程应用案例，试行案例教学，以促进研究型教学模式的开展。本文总结了“电工学”课程的新型课程体系，以及工程案例教学设计的具体方法等问题，供同行参考。

1 传统课程体系评析

“电工学”的传统课程体系可由具有代表性的教材体系清晰地展现出来［2，3］。其特点是重视理论的学术性与系统性，结构与逻辑的严密性。教学内容以传授电工技术、电子技术的基本理论和概念和原理为主，使学生达到基本分析计算电路的能力。

在实施培养卓越工程师计划的今天，“电工学”作为工科非电类专业的技术基础课程，其教学重点就不在于让学生掌握很深的理论，而在于培养学生将电工和电子的基本知识应用于各自专业的能力，继而创新性地发展各自专业的能力。因此，课程体系既要考虑为学生搭建完整而具可塑性的知识框架，又要从工程应用性出发，建立理论知识与实际应用的双向和互动体系。

2 新型课程体系和教学模式

笔者已经建成了三维立体化“电工学”课程体系。一维是指电工电子的基本理论、概念和原理，其中包含了传统“电工学”的教学内容。这些内容按照其理论体系独立成章。二维是指将理论应用于工程实际所必备的关联知识，起到理论通向实践的桥梁作用。例如，低压电器与电气自动控制技术、可编程序控制器、传感器与自动检测技术、模数与数模转换和电力电子技术等。这些内容有的独立成章，有的则分散融入相关理论章节中。三维就是学习方法。我们通过恰当的教学模式，让学生掌握电工电子的一般科学方法和具体研究方法，使其跨学科领域地进行概念和方法的移植。

研究型教学模式融学习与研究为一体，以培养能力和锻炼思维为目的，以研究法、讨论法和案例分析法为主要教学方法。教学过程强调民主与合作、探究与实践和主体意识与个性化等。显然，研究型教学模式综合考虑了教师的主导作用与学生学习主体性的发挥。

为了适应“电工学”新型课程体系，笔者试行了工程案例教学法。我们设计了具有工程实际应用价值的典型教学案例，并增补了具有工程应用背景的教学内容。在教学过程中，使课程体系中一维与二维的知识形成融合与递进的关系，着重培养学生的科学分析与洞察能力。

属于一维的教学内容，在授课时需详细推证。属于二维的教学内容则重点介绍应用方法，并设计预习问题，引导学生查阅资料，自主学习部分知识。

“电工学”所包含的电工技术和电子技术都属于应用性学科，这就要求教师具有较强的工程实践经验，善于从众多的实例中简化、提炼出蕴含概念和知识点的典型案例。

案例的教学设计着重考虑了如下问题:①案例的典型性;②案例的工程性;③案例的综合性;④案例的趣味性;⑤案例的启发性;⑥案例的类型和数量。

“电工学”是全校工科专业学生的必修课程，案例的设计要考虑到各个专业的教学需求，以及当前学科综合、交叉和相互渗透的发展趋势，需注重从不同学科例题分析中引入基本概念，阐述电工和电子的基本原理在各个学科专业中的运用。

3 工程案例教学设计

3.1 扬声器跨接网络

图1所示是三个扬声器跨接网络原理图［5］。此案例涉及到了交流电路的知识点，并可拓展至阻抗和匹配频率特性以及非正弦周期电流电路。图中的放大电路还涉及到电子技术课程，功率匹配问题可以延伸到变压器一章。

此案例的拓展性问题有:各扬声器的音调为什么是不同的?怎样使高音更高，低音更低?怎样改变中音扬声器的主音调?怎样才能使扬声器获得最大功率?高保真的音响系统是如何构成的?

图1 三扬声器跨接网络原理图

3.2 汽车点火电路

我们知道车载蓄电池的电压为6V或12V，而使火花塞击穿需要15～20kV的高压，那么应如何产生一个点燃发动机的火种?由这个问题引出汽车简单点火电路，其示意图如图2所示。我们可从此案例入手，进行RL电路暂态响应的教学。此外电感能量的存储与释放、高电压的产生原理等概念和理论也都包含在此案例之中。

若给定电路参数，如何计算开关闭合后，点火线圈中的储能和开关断开时气隙两端的电压等。此案例的拓展性问题有:如何控制点火电压?如果不能点火，故障原因可能有哪些?怎样提高点火可靠性?

图2 汽车点火电路示意图

3.3 LED节能灯驱动电路

LED节能灯是当今最新的节能环保光源。但一只LED发光强度很小，要达到市场足够的照度，LED应该怎样使用呢?图3所示为一种简易LED节能灯驱动电路，它能驱动20～40只LED。本案例综合了整流、滤波、稳压电路与发光电路等知识点。

图3 一种LED节能灯驱动电路

这个案例基本问题有:①为什么要将交流电源整流、滤波和稳压后给LED灯供电?②整流滤波电路的输出电压应该为多少?如果不满足要求，应该怎么办?电路中的每个元件各起什么作用;③如果设LED的额定电流为20mA，应如何选取电阻的功率和电容的耐压值?④本电路的缺点是什么?改进措施有什么?

课堂上还需要对LED的驱动电路说明如下问题:①尽可能保持恒流特性，当电源电压发生±15%波动时，输出电流应在±10%的范围内变动;②驱动电路自身应有较低功耗，这样才能使LED灯具有较高效率，达到节能灯目的。

3.4 延时电路

由单稳态触发器实现的延时接通电路如图4所示［6］，该电路可实现先接通设备的低压电路，延时后给设备加高压的功能。该案例在555集成电路的基础上，综合应用了整流、滤波、稳压以及电路的暂态(电容充放电)和继电器等知识。

这个案例的基本问题有:①电路由哪几部分组成?各部分的作用是什么?②低压电源何时接通?③电源开关S接通瞬间，555的输入端与输出端的状态是什么?④高压电源何时接通?其接通延时的时间为多少?⑤电容C2与电阻R2可否交换位置?⑥二极管D的作用是什么?

图4 先接通低压再延时接通高压的电路

4 其他教学环节的改革思路

由于课程体系、教学模式和教学内容的改革，相应的实验环节、作业形式以及考试环节都应做出与之匹配的改革。

对于实验环节，我们配合工程案例教学，研制了电工技术与电子技术创新实验平台，将课堂上工程案例的理论分析，作为重要的实验项目实施，同时开发了诸多的自主性与创新性实验项目。

对于作业环节，其形式与类型要配合研究型教学模式的开展。除了基本习题外，需增加更多的思考题、工程案例分析题以及设计题。

不同教学模式所要完成的教学任务和达到的教学目的不同，其评价的方法和标准也应有所不同。目前，我们正在探索与研究型教学模式相匹配的评价方法和考核体系。我们已经按照新的教学内容研制了新的试题库，试题类型体现了应用能力的测试;进一步改革考试的形式，使课程成绩能综合反映学生学习的过程和学科应用能力等因素。

［1］ 教育部关于批准第一批“卓越工程师教育培养计划”高校的通知.中华人民共和国教育部，教高函［2010］7号，2010，06

［2］ 秦曾煌.电工学(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009

［3］ 唐介.电工学(少学时，第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2009

［4］ 胡弼成.高等学校课程体系的三种形态及其设计［J］.长沙:大学教育科学，2007年第1期(总第101期)，23－27

［5］ (美)Robert L.Boylestad原著，陈希有、柴凤、孙立山改编，《Introductory Circuit Analysis 10/e》(第十版，改编版)［M］，北京:高等教育出版社，2006，P259。

［6］ 陈永甫.多功能集成电路555经典应用实例第一集.北京:电子工业出版社，2008