电工学教材的改革与实践

刘曼玲　姜霞　吴显金

【摘 要】中南大学实施“开放式精品示范课堂计划”，旨在为学生提供一个开放的、多维度的课堂，充分调动学生学习的积极性和主动性，提高自主学习能力，而编写与课堂计划配套的教材则是培养高质量人才的基本保证。本文在研究国内外精品教材的基础上，将教材的重点放在重应用、重技能、重素质等方面，在结构、内容上实现教材的改革与创新、引导与思考、理论与应用的有机结合，并构建一个立体化的教材体系。

【关键词】电工学；教材改革；开放式精品示范课堂

0 引言

为进一步推动本科课堂教学改革，全面提升人才培养质量，更好地服务于社会和国家，中南大学自2013年以来，每年开发一批开放式精品示范课，实现在教学内容、教学方式、学习方式、考核方式的全面开放，培养学生的自主学习能力和创新创造能力。2014年3月电工学A被列为中南大学开放式精品示范课的教改项目。

“电工学A”是我校面对全院非电工科类专业开设的电类公共基础课，总课时为64学时（含实验12学时）。该课程是高等学校非电专业的一门技术基础课，也是一门应用性、实践性比较强的课程。电工学课程的作用与任务使学生通过该课程的学习，能拓宽视野、开阔思维，提高能力，在获得电工、电子技术的基本理论、基本知识和基本技能的同时，熟悉其应用和发展；通过相关的实验学会常规仪器的使用、实验数据的测量和分析，书写规范的实验报告，为从事与本专业有关的工程技术与科研工作奠定较好的基础。我校的机械、微电子、测绘、材料科学等二十几个专业的学生均要学习它。

电工学A主要包含电路、电机控制、模拟电子技术、数字电子技术四部分，由于内容多、学时少，一直存在老师难教、学生难学的状况，而达不到应有的教学效果。学校“开放式精品示范课堂”的基本要求是学习方式、教学方式、教学内容、考核方式全面开放；教学内容精选、教学设计科学、教学手段和教学方法灵活、教学团队稳定；特色突出、理念先进，具有操作性、推广性和可借鉴性，能发挥引领和辐射作用。因此编写出一本配合开放式精品示范课堂和适应科技时代迅猛发展的新教材已势在必行。

为了编写好电工学等系列新教材，我院领导非常重视，专门成立了一个教材编委会，由工作在教学第一线的骨干老师组成。参编人员熟悉电工学中教学与教材中存在的问题，知晓与之相关的实验、实习、课程设计、电子竞赛等内容，有丰富的实践经验和编书经历。在编辑新书之前，笔者做了大量的调研工作：在书店、网上查阅许多中外相关的教材；走访专家与同行；收集学生的反馈意见；与兄弟院校和出版社交流学习等。经编委会多次讨论、作者反复修改后，于2014年8月由中国水利水电出版社出版了电工学（多学时）的教材，共计46万字，并在我校2012-2014级非电本科二十几个专业中连续使用，受到专家、老师和学生的好评：系统性、实用性和可读性强，老师好教、学生好用，解决了以往内容多与学时少的矛盾，适合各高校本科非电专业使用，也可作为自学和相关工程技术人员的参考教材。

编委会与笔者编写新教材总的指导思想是实现改革与创新、引导与思考、理论与应用的有机结合，将教材编写的重点放在重应用、重技能、重素质等方面，使学生对与生产过程紧密联系在一起的电气、电子工程技术有清晰的概念和明确的了解，并引起足够的兴趣与重视。

1 改革与创新

由秦曾煌主编的《电工学》教材上、下册，从 1964 年到 2010 年，先后由高等教育出版社出版（第一版—第七版），是我国非电专业学生学习电技术的经典之作，有很多值得借鉴之处[1-2]。在继承前人优秀教材的基础上，新编教材对电工学原有的体系与结构进行改革创新，贯穿元器件—电路—系统—实例的主线，侧重基础、化繁为简，加强了教学内容的关联性和完整性，在介绍基本内容、基本方法和典型应用电路的基础上注重与实际结合，使学生感到学有所用，学有兴趣。如在讲解完二极管和稳压管后，即介绍直流稳压电源（如手机充电器），使教学内容前后衔接自然，学生更容易接受与理解。对于元器件和集成电路的介绍，主要侧重外部特性和使用方法，将学生的注意力吸引到对器件的认识、元件参数的选择、性能指标的测试和实际操作上，忽略一些不容易理解的内部结构与工作原理分析。如叙述计数器时，主要介绍集成芯片的管脚与功能表，如何用它构成N建制计数器，而将过去用D触发器或JK触发器构成计数器的内容删掉，因为在实际中计数器芯片价格便宜好用，实际上会很少用到触发器来搭接计数器电路，使学到的理论知识能紧跟时代的发展。

由于电子技术的快速发展，新的技术不断涌现，为解决以往内容多与学时少的矛盾，在书中增设了“辅修内容”和“知识链接”，将一些与基本内容关联并且可以自学的部分放到辅修内容中，满足不同专业对教学的需求。如将谐振电路、差分放大电路、功率放大电路编排到了辅修内容中，学生学完了前面的基本内容并有了一定的基础后，再自学辅修内容是比较容易理解的，也可以锻炼其自主学习的能力。其实在英美国家，老师在课堂讲得少，也不指定教材，但上完课后，学生必须到图书馆自学才能完成作业 [3]。良好的自主学习能力可以让人受益终生。

在“知识链接”中，注意人文激励与激发兴趣并重，为学生指引方向。增设了与教材内容相关的科学家、电学历史、最新成果、关联知识点的拓展等。如短小精悍地介绍二位著名的电学大家欧姆与基尔霍夫。德国物理学家欧姆Georg Simon Ohm（1787—1854，67岁）毕生从事对电学的研究，1826年（39岁），他通过实验，揭示了电压、电流与电阻三者之间的关系，即非常重要的定律—欧姆定律，它可以用来计算简单电路，由于电阻的单位以他的名字命名，大家对他都比较知晓。另一位德国物理学家基尔霍夫 Gustav Robert Kirchhoff（1824—1887，63岁）[4]，在做了几百次实验后，发表了二个著名的定律，即基尔霍夫电压与电流定律（KVL、KCL）。该定律揭示了电压、电流与网络的关系，可以用来计算复杂电路，是对欧姆定律的进一步推进。特别是他发明该定律时才年仅23岁（1847年），是大学三年级的学生，这无疑是正能量的典范，能激发学生对科学家与科学研究的崇拜与向往。

将最新成果引入到书本中，紧跟科学发展。如在第7章的“7.1半导体二极管”中除了介绍以前具有的导体、绝缘体、半导体外，还以短小精悍的“知识链接”介绍超导体（某些材料在温度降低到某一临界温度以下时，电阻为0的现象）。2014年1月10日 ，中国科学院物理研究所/中国科技大学“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质的研究”获2013年度国家自然科学一等奖（之前，这一奖项已经连续3年空缺。），引领我国的高温超导研究工作已走到世界前列。超导体可用在超导输电（电阻为0，可以减少线路传输损失10%）、超导磁体和超导磁悬浮、医院使用的磁共振成像仪器（MRI）中的磁体中[5]。以最新的科技成果为例，可以调动学生的学习热情与积极性。

在“知识链接”中也注意相关知识点的拓展，如在编写三相异步电动机的控制线路中，增加了可编程序控制器的介绍；讲完二极管后介绍可控硅；在电子技术部分，增加了EDA与EDA工具软件的介绍，如仿真软件Multisim 、Proteus，学生可以在网上下载软件、到图书馆自主学习，将学到的电路与电子技术的原理图用仿真软件真实地再现出来。我校也配有相关方面的仿真实验，实现理论与实际的紧密结合。

2 理论与应用

学习电工学的目的使学生能够将所学知识应用到实践中并能创新与创造。在实验中，我们发现有些学生对一些简单常用的器件：如二极管、晶体管、电容等都不认识，也不会判断其好坏，遇到问题一筹莫展。因此在教材中增加了常用电工、电子元器件的示意图与实物图，并对主要器件和概念标注英文，方便学有余力的同学能方便地使用国外电子仿真软件与设计软件（如Protel），建立理论与实践沟通的桥梁。

新编教材注重基础知识的提炼、更新以及工程性内容的引入，在分析、设计与综合中除了引用常见且学生容易理解的例题外，还在每章中配1-2个应用实例，让学生既有扎实的理论基础，又能灵活运用所学知识，达到教师乐教、学生乐学的目的。

例如：在“第4章一阶电路”中，主要介绍一阶RC、RL电路暂态过程中电压和电流随时间的变化规律，在这章中举了一个与学生生活密切相关的实例：照相闪光灯装置。电子闪光灯就是RC电路应用的一个例子，它利用了换路瞬间电容器的电压不能突变以及时间常数小的特点，瞬间产生强电流，使闪光灯动作。图1所示的电路是由直流电压源US、限流电阻R1和一个与闪光灯并联的电容器C 组成，闪光灯用电阻R2表示。开关处于位置“1”时，时间常数τ1=R1C很大，电容器充电较慢。当开关S由位置“1”切换到“2”时，电容器的电压不能突变，通过R2放电，放电时间常数τ2=R2C。由于闪光灯的电阻R2阻值小，即放电时间常数很小，电容器的电压通过R2很快放电完毕，在很短的时间里产生很大的放电电流，使闪光灯闪亮。

在“第10章组合逻辑电路”中，数字显示译码器7448是一种与共阴极字符显示器配合使用的集成译码器，它将输入的4 位二进制代码（A3A2A1A0=0000～1001）转换成显示器所需要的七个段的驱动信号，使显示器显示0～9的数字，如图2所示。在“第11章时序逻辑电路”中，同步十进制加法计数器的常用集成芯片为74160，计数器的输出状态Q3Q2Q1Q0将按0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001 而变化。计数器74160结合第10章讲述的图2，就构成了一个具有计数、译码和显示功能的电路，如图3所示，广泛应用在计分和数字钟中。为了让同学们更形象地理解这部分的内容，可让学生用Multisim或Proteus对图3进行仿真。通过知识的前后关联、综合与应用，学生就能比较好地理解实际中的数字显示功能是怎么实现的了，最后在应用实例中举例说明数字钟，无非是一个从简单到复杂、循序渐进的过程，因为数字钟的时、分、秒实际上可以分别由两片同步十进制加法计数器集成芯片74160级联构成：一个二十四进制计数器（00～23小时）和两个六十进制计数器（00～59分与秒），而译码与显示电路与图2完全相同。

3 引导与思考

将在教学、实践与电子竞赛中获取的宝贵经验融入到教材中，采用问题驱动式对学生学习中容易混淆和出现错误的地方穿插“问题引导”、“思考与讨论”等，使书籍更符合学生的学习习惯和心理。每一章有主要知识点小结、章总结、关键概念、讨论题、习题。讲解某些重点、难点的时候强调此知识点与其他课程、其他知识点的关联性。

在“第1章直流电路”中的电路元件讲解之前，设置 “问题引导”引起大家对元器件及其使用的重视：电阻、电容及电感元件的电压、电流满足什么关系？在实际选择电阻器、电容器及电感器时，除了要考虑它们的阻值、电容量及电感量之外，还应该考虑什么因素？这些问题也是来之于实际，如有些同学在实验的时候，认为将一个直流电源（15V）串联一个电阻（50Ω）构成一个回路就可以了，不料想一合开关电阻就冒烟，因为电阻的耗散功率为4.5W，已经超过了色环电阻允许的功率（色环电阻的功率比较小，一般为1/4─1/8W）等。作为理想元件，电阻元件上的电压、电流可以不受限制地满足欧姆定律，但作为实际的电阻器件如灯泡、电炉等是耗能元件，在工作电路中将电能转化为热能释放，过大的电压或电流会使器件过热而损坏。因此，在电子设备的设计中，除了考虑电阻器件的阻值外，还必须考虑电阻器的额定功率，甚至器件的散热问题。为防止电阻器在电路中被烧毁，选择电阻器时，应使额定功率高于实际消耗功率的1.5～2 倍。额定功率在5W 以上的电阻，使用时必须安装在特制的支架上和留出一定的散热空间。

对实验和实际中应用最多的二极管、晶体管，采用思考与讨论的形式让学生通过查找资料，自主学习。如在“第7章半导体二极管及其应用”中采用的“思考与讨论”题：如何检测一个普通二极管的好坏和极性？稳压二极管又如何检测？在图4中某一个二极管发生短路、断路或反接，电路会发生什么现象？

图4 单相桥式整流电路

设置二极管的思考与讨论是希望学生除了认识二极管以外，还会根据二极管具有单向导电性的原理，用万用表欧姆档，判断其好坏（二极管的正向电阻小，反向电阻大则是好的，反之是坏的），当在实验中测出的数据与理论不符时，要会用理论指导实践并找出它的故障点（如图4）。通过知识的迁移，还可以进一步学会检测一个晶体管的好坏，如在“第8章双极型晶体管及其放大电路”中，设置的 “思考与讨论”题：如何检测一个普通晶体管的好坏及其极性？如果会判断二极管的好坏，双极型晶体管无论是NPN还是PNP都可以看着是两个背靠背的二极管，检测的方法与二极管大同小异。学生通过这样的思考与讨论后，能比较好地把握知识的关联与共性，而到达学以致用的目的。

4 开放与精品

围绕“开放式精品示范课堂”的“开放”、“精品”与“示范”的要求，本着以学生为中心的教学理念，打造了一个电工学教材资源包，即“主教材+实验教材+教学大纲+教学标准+电子教案+电子课件（课程课件、导学课件、仿真课件、实验课件、实习课件、小组作业课件）+试题库+实验录像”，并开通网站，将与此门课程相关的教学资源进行整合，形成以主教材为基础的立体化交叉教学模式，多方面推进教学研究和课程建设，提高教学质量。

所谓开放就是学习方式、教学资源等全开放。根据教学大纲、教学标准与教案对教材密切相关的课程课件、导学课件进行科学设计，并上传到网上和QQ群中。导学课件分主要内容、基本概念与实际拓展，主要内容突出重点和难点；基本概念则采用问题驱动式对学生容易混淆的概念和关键知识点进行引导，具有导学与复习的双重作用；实际拓展则是理论联系实际或由学生自主学习完成的开放式作业，如在第6章电动机与电气自动控制中的实际拓展题就有：①当合上电源后，电机不转动，如何检测三相电机的控制线路？常用的方法有哪些？②举例说明可编程序控制器控制电机的方法——需要学生自学完成。由过去的以教师讲授为主向交互式、启发式、研讨式、案例式教学转变，课前导学、课内交流、课后练习、实例分析、课外研讨，以及师生互动、生生互动、小组交流研讨等多种方式，引导学生自主学习和研究性学习，激发学生学习的主动性、积极性、创造性。

教材和精品示范课堂历时二年，得到了专家、同行和学生的好评，电工学A精品示范课堂教改项目已通过学校的验收。同学们也认为新编教材与教改项目的实施使他们的知识、能力、素质都得到了提高。

5 结束语

总之，该教材注重科学性、系统性、实用性和可读性：开发了与之关联的教学网站和立体化的教学资源包；突出知识点和技术点的关联，分析、设计、综合与应用实例俱全；教材内容精炼，示意图与实物图、表格等配合使用，通俗易懂；教材风格清新活泼：问题引导、思考与讨论、知识链接，辅修内容，名词术语（双语）、主要知识点小结、每章总结以及多样化习题有机融合；简明扼要介绍最新成果、学科发展与相关科学家，提高学生的人文素质素养。

【参考文献】

[1]秦曾煌.电工学（上、下册）（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]姜三勇，丁继盛，秦曾煌，金春英.在电工学教材编写和教学中正确处理四个关系[J].中国大学教学，2012（11）：91-93.

[3]刘曼玲，姜霞，吴显金.本科生创新能力培养研究[J].创新科技，2014（12）：40-42.

[4]Charles K.Alexander，MAatthew N.O.Sadiku.电路基础[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5]刘曼玲，姜霞.电工学（多学时）[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[责任编辑：汤静]