工程教育導(dǎo)向下的電氣信息類教材建設(shè)

陳希有， 李冠林， 劉鳳春， 董維杰

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部, 遼寧 大連 116023)

工程教育導(dǎo)向下的電氣信息類教材建設(shè)

陳希有， 李冠林， 劉鳳春， 董維杰

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部, 遼寧 大連 116023)

隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證的持續(xù)開展，工程教育日益成為高等學(xué)校本科教學(xué)的基本理念。教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)資源等正在工程教育導(dǎo)向下發(fā)生著變革。本文結(jié)合筆者的工程教育實(shí)踐和參加工程教育專業(yè)認(rèn)證的切身體會，針對面向工程教育的電氣信息類教材應(yīng)具備的主要特征，結(jié)合部分具有某些特色的教材進(jìn)行舉例闡述個(gè)人對教材建設(shè)的認(rèn)識。

工程教育；電氣信息類；教材建設(shè)

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證已經(jīng)或正在改變著我國本科教學(xué)的指導(dǎo)思想?！耙詫W(xué)生為中心，以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的工程教育理念業(yè)已成為共識。

在信息技術(shù)日新月異的今天，知識的傳承雖然有了多種載體，但印刷體教材仍然發(fā)揮著其他載體不可替代的作用，甚至仍然是知識的核心載體或基礎(chǔ)載體，其他載體都以此為藍(lán)本。所以，建設(shè)符合工程教育的優(yōu)秀教材，是實(shí)現(xiàn)工程教育目標(biāo)的重要條件。

本文結(jié)合國內(nèi)外部分電氣信息類教材的特點(diǎn)，以及筆者對工程教育的理解和實(shí)踐，加之接受工程教育專業(yè)認(rèn)證的切身體會，針對面向工程教育教材應(yīng)具備的若干特征，闡述自己的粗淺認(rèn)識，希望拋磚引玉，以便加速建設(shè)更多更好的符合工程教育的電氣信息類教材。

1 符合工程教育教材的主要特征

與單純傳授理論知識的教材相比，符合工程教育的教材需要具備如下特征：

1)要有企業(yè)技術(shù)人員參與編寫

在工程教育中，特別要求有企業(yè)的技術(shù)人員參與到人才培養(yǎng)活動(dòng)中。因此，傳承知識的重要載體即教材的建設(shè)，也需要企業(yè)專家的直接參與。這一要求給教材主編帶來的挑戰(zhàn)是，主編必須與相關(guān)的企業(yè)有著廣泛而深入的聯(lián)系，熟悉這些企業(yè)與教材內(nèi)容相關(guān)的產(chǎn)品類型或技術(shù)構(gòu)成。企業(yè)人員也要直接參與教材大綱的制定和內(nèi)容的編寫中，不僅僅是提供一些數(shù)據(jù)或圖片。

已經(jīng)出版到第12版的美國“電路”課程教材《Introductory circuit analysis》，在這方面是個(gè)很好的范例，從作者的致謝中便可看出企業(yè)人員對該教材的貢獻(xiàn)[1]。

2)要有啟發(fā)性和激勵(lì)性的緒論

教材的緒論不要過于簡略，要介紹如下內(nèi)容：

(1)課程所屬學(xué)科的發(fā)展史?？梢园凑罩饕录臅r(shí)間順序，或?qū)W科的某種發(fā)展邏輯來闡述[2-9]。無論采用哪種方式，都要寫得富有趣味性和啟發(fā)性。不是簡單地陳述歷史事件，要有對事件的評說，對做出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)先輩奉獻(xiàn)的頌揚(yáng)以便激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)課程地位。使用形象比喻使學(xué)生迅速理解課程的地位，例如說電磁場和電路理論是電氣工程師的“面包與黃油”。

(3)課程性質(zhì)、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法。

3)讓概念來自工程背景或自然現(xiàn)象

電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的內(nèi)容都有鮮明的工程背景或?qū)?yīng)確定的自然現(xiàn)象。因此在編寫課程教材時(shí)，要有意識地用工程背景或電磁自然現(xiàn)象來引出概念，從而使學(xué)生在理解這些概念的同時(shí)，對相關(guān)工程背景或自然現(xiàn)象有大致的了解。體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的工程教育理念。

例如文獻(xiàn)[2]中，通過對鐵心變壓器實(shí)物的逐步理想化建立起理想變壓器方程，學(xué)生便在學(xué)習(xí)理想變壓器的表述演變過程中了解了鐵心變壓器的主要電磁特征，并且對理想化過程每一步帶來的電磁關(guān)系變化都可看得很清楚。再如，根據(jù)金屬晶格對電荷有阻礙作用的客觀事實(shí)，引出電阻元件；根據(jù)異性電荷相吸引的自然現(xiàn)象，在相互絕緣的兩個(gè)金屬極板上能夠聚集等量異性電荷，以此引出電容元件。上述這些都是文獻(xiàn)[1]中優(yōu)秀示例。

4)有效聯(lián)系工程實(shí)際

聯(lián)系工程實(shí)際是面向工程教育教材不可缺少的內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)，提高工程能力和對課程的親近力。但對工程問題的選擇要仔細(xì)考慮，內(nèi)容應(yīng)在學(xué)生的理解范圍之內(nèi)且有生動(dòng)性，因?yàn)閷W(xué)生樂于接受形象有趣的事物。

例如，文獻(xiàn)[1]在介紹分貝概念時(shí)，恰到好處地介紹了人耳對聲音分貝值的敏感程度：“在音頻工業(yè)中，有一個(gè)被普遍接受的規(guī)律，那就是輸出功率增加3 dB，音量才會得到明顯提高。” 換句話說，1 dB的功率增量，幾乎聽不出音量的變化；而2 dB的增量，剛剛可以辨別出來；只有增加到了3 dB，才會明顯聽出音量的變化。但是在音量較高時(shí)，增益要變化6 dB才能被察覺。我們通常談話的聲音為60 dB，當(dāng)聲音達(dá)到100 dB或更高時(shí)，就會傷害我們的耳膜。這種理論聯(lián)系實(shí)際的方法，使理論內(nèi)容和工程實(shí)際渾然一體。

也可以采用案例來聯(lián)系工程實(shí)際[1,7,10-13]。這時(shí)案例設(shè)計(jì)很重要，要做到親近生活，在現(xiàn)有條件下學(xué)生能夠理解。

5)貫徹國標(biāo)，正確使用物理量單位

在教材中介紹國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是面向工程教育教材必須考慮的。學(xué)生使用這樣的教材，掌握了一些國家標(biāo)準(zhǔn)，畢業(yè)后才能方便地與他人進(jìn)行工程業(yè)務(wù)交流，并且養(yǎng)成對待學(xué)術(shù)問題的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。我國教材在貫徹國家標(biāo)準(zhǔn)方面總的來說做得很好，只是在貫徹物理量單位的使用方面還存在不足，這與使用起來感到不便存在一定的關(guān)系。但是國家標(biāo)準(zhǔn)具有法律效力，不能因使用不便而拒絕使用。這方面文獻(xiàn)[1]做得很好。

6)使用標(biāo)稱值的元件參數(shù)

培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和工程觀點(diǎn)，是一種漸近過程，這個(gè)過程可以貫穿在教學(xué)的各個(gè)方面。在教材建設(shè)中，不要為了計(jì)算方便而過多地使用不符合工程標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值。在例題或習(xí)題中，適當(dāng)使用元件參數(shù)的商業(yè)標(biāo)稱值，或電氣電子系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值是很必要的。經(jīng)過足夠多的練習(xí)后，學(xué)生的工程能力會得到提高。

7)介紹器件與設(shè)備的額定值

工程上，電氣元件或電氣設(shè)備都標(biāo)有額定值，例如電阻額定功率、電容額定電壓、電感額定電流、電源額定容量等。在工程教育導(dǎo)向的教材的例題或習(xí)題中，適當(dāng)涉及一下額定值，可以使學(xué)生逐漸養(yǎng)成關(guān)心額定值的工程意識。

8)考慮工程實(shí)際的計(jì)算方法

電氣信息技術(shù)的相關(guān)理論分析大多建立在理想化的模型基礎(chǔ)上，但在涉及到工程應(yīng)用問題時(shí)，還是應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生恰當(dāng)?shù)乜紤]在工程中的具體情況。例如：測量儀表的非理想特性會對被測物理量產(chǎn)生影響。因此，在教材或教學(xué)中，不要總將其作為理想儀表來分析，以培養(yǎng)學(xué)生考慮儀表負(fù)載效應(yīng)的工程意識。

9)對習(xí)題的敘述要有工程背景

在學(xué)習(xí)課程時(shí)，學(xué)生會把大部分時(shí)間花在習(xí)題上。所以，如果在陳述習(xí)題時(shí)適當(dāng)涉及工程背景知識，往往會起到事半功倍的效果。

例如，一道習(xí)題這樣陳述：“汽車電池電壓是12 V，如果起動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的等效電阻是40 mΩ，則起動(dòng)時(shí)從電池流出的電流是多少？”從題目中，學(xué)生知道了汽車電池額定電壓是12 V。

10) 要有思考性題目

教材中習(xí)題不能都是計(jì)算題，因?yàn)樵诠こ躺嫌龅降膯栴}，絕不會像計(jì)算題那樣，已知條件和求解要求都規(guī)定得十分清楚。因此，在教材中最好安排一定數(shù)量的思考題[1,2,4,9,10,14,15]，并且這些思考題具有擴(kuò)展性和開放性的特點(diǎn)，不需要嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算。對思考題的回答可以加深學(xué)生對物理概念的理解和甄別，在正文中最好找不到直接回答這些問題的文字，靠學(xué)生對概念或原理的理解來回答?；卮鹚伎碱}還能鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，這也是工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求做到的。

11)有故障排查方面的內(nèi)容

故障排查是工程技術(shù)人員應(yīng)具備的重要能力。在大學(xué)階段，這種能力的培養(yǎng)應(yīng)貫穿在多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過教材加以引導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)類教材中，可以專門設(shè)置故障排查類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如接地故障、短路故障和斷路故障等。在理論課教材中，也可以適當(dāng)介紹常見故障的排查方法(見文獻(xiàn)[1，11])。

12)包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全意識

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，提及“設(shè)計(jì)過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素?！睘榱藵M足這一要求，除了在專門課程(例如導(dǎo)論類課程)中向?qū)W生講授外，在其他課程的教材中，有意識地加強(qiáng)這方面的引導(dǎo)，也定會收到有益效果。下面舉三個(gè)典型例子。

(1)經(jīng)濟(jì)意識的例子：一般情況下，銅是使用最廣泛的導(dǎo)電材料，因?yàn)樗辛己玫目伤苄?、韌性和溫度特性；雖然并不便宜，但也不像銀或金那樣昂貴；還可以二次利用。在拆毀一座建筑之前，總是要努力將銅導(dǎo)線移走，因?yàn)樗哂谢厥蘸驮倮玫膬r(jià)值[1]。

(2)環(huán)境意識的例子：每個(gè)熒光燈在制造時(shí)，大約含有5 mg水銀。水銀是有毒物質(zhì)，可能損害神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉。人們已開始調(diào)查破碎燈泡對環(huán)境的影響，并且關(guān)注各國環(huán)境保護(hù)部門制定的清除過程和標(biāo)準(zhǔn)。在所提出的方法中，已達(dá)成共識的是：必須清理燈泡破碎的房間，并且打開窗戶通風(fēng)；不能吸走碎渣，要將碎渣仔細(xì)鏟起來，裝入一個(gè)小的密封容器里[1]。

(3)安全意識的例子：文獻(xiàn)[1,4,11,12,14]等都有安全方面的教學(xué)內(nèi)容。例如文獻(xiàn)[1]中提到：“國家電氣規(guī)范是電氣承包商的《圣經(jīng)》，現(xiàn)在要求在可能引起傷害的有水及潮濕的地方使用帶有接地故障斷路器的插座，如浴室、水池、游艇碼頭等。……。請記住，為它付出費(fèi)用以提高安全性是非常值得的。”

13)有工具作用的教材附錄

附錄應(yīng)該視為工程教育教材的重要組成部分?？梢詫⒛切┡c理論體系關(guān)系不大，但在實(shí)踐或練習(xí)時(shí)又必不可少的知識列入附錄，使主要內(nèi)容和工具性內(nèi)容有著明顯的區(qū)分，教材結(jié)構(gòu)會變得更加清晰，用起來也更加方便。這樣，教材在某種程度上具有了手冊的功能。附錄的具體內(nèi)容可以是數(shù)學(xué)[2,7,8,13,17,18]、電磁學(xué)[2,5]、計(jì)算機(jī)輔助分析[6,12,16,17,18]等。如果沒有這樣的附錄內(nèi)容，讀者就要通過其它途徑尋找所需的幫助，使用起來不夠方便，沒有體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的工程教育理念。如果將這些附錄內(nèi)容寫入正文，又會中斷對課程理論的闡述。

14)有持續(xù)改進(jìn)內(nèi)容

工程教育認(rèn)證七個(gè)大標(biāo)準(zhǔn)中的第四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是“持續(xù)改進(jìn)”?！俺掷m(xù)改進(jìn)”的具體行動(dòng)應(yīng)包括在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中。相對其他教學(xué)環(huán)節(jié)，教材的“持續(xù)改進(jìn)”更要認(rèn)真而周密地進(jìn)行，因?yàn)榻滩囊坏┏霭?，就不能像課件、備課筆記等那樣易于改動(dòng)，至少要等到下一版本。

教材的作者在使用教材時(shí)，應(yīng)不斷征求讀者和同行專家的意見，并據(jù)此在下一版本時(shí)對教材加以改進(jìn)。將搜集的意見和對意見的采納情況應(yīng)加以記載或闡述，專業(yè)認(rèn)證到來時(shí)，這些記載便是教材和教學(xué)工作持續(xù)改進(jìn)的憑據(jù)，并能滿足“寫我所做”的自評報(bào)告撰寫原則[4,14,16]。

15)尊重他人成果

面向工程教育的教材肯定包含許多來自工程實(shí)際的技術(shù)成果，例如圖片、曲線、數(shù)據(jù)等。在用到這些成果時(shí)，要征得這些成果所有者的許可，并注明成果的來源和許可的程度[1,3]。將這種尊重他人成果的態(tài)度潛移默化地傳授給學(xué)生，必將在學(xué)生未來的工程活動(dòng)中產(chǎn)生積極影響。

2 結(jié)語

教材建設(shè)在工程教育中起著舉足輕重的作用，因?yàn)樗侵R的核心載體，教和學(xué)都離不開教材。面向工程教育的教材在國外已很常見，但在我國卻為數(shù)不多，國內(nèi)教材大都注重傳授理論知識和解題方法。近些年雖有這方面的改革動(dòng)向，但離工程教育需求還存在很大差距。

本文是筆者對工程教育教材的理解和實(shí)踐的小結(jié)，通過工程教育教材主要特征的闡述，讓更多人增強(qiáng)對面向工程教育教材建設(shè)必要性的認(rèn)識，期望更多讀者能夠開展專門研究，建設(shè)更多、更優(yōu)質(zhì)的面向工程教育教材。

[1] Robert L. Boylested 著，陳希有，張新燕，李冠林等譯. 電路分析導(dǎo)論[M]，原書第12版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014年.

[2] 陳希有. 電路理論教程[M]，北京：高等教育出版社，2013年.

[3] 雷銀照.電磁場(第二版)[M], 北京：高等教育出版社，2010年12月.

[4] 秦曾煌，姜三勇. 電工學(xué)(第七版)[M]，北京：高等教育出版社，2009年5月.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陸文娟. 電路原理[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2007年3月.

[6] 孫雨耕. 電路基礎(chǔ)理論，北京：高等教育出版社，2011年5月.

[7] 王志功，沈永朝. 電路與電子線路(電路部分)[M]，北京：高等教育出版社，2012年1月.

[8] 鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理. 《信號與系統(tǒng)》(上冊)[M]，北京：高等教育出版社，2011年3月.

[9] 王淑娟，蔡惟錚，齊明. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，北京：高等教育出版社，2009年5月.

[10] 金波. 電路分析[M]. 北京：高等教育出版社，2011年10月.

[11] 董維杰，白鳳仙. 《電路分析》[M]，北京：科學(xué)出版社，2007年8月.

[12] 陳洪亮，張峰，田社平. 電路基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2007年5月.

[13] Charles K. Alexander, Matthew N.O. Sadiku. Fundamentals of Electric Circuits(second edition)[M] , New York: McGraw-Hill, 2004.

[14] 唐介. 《電工學(xué)(少學(xué)時(shí))》(第四版)[M]，北京：高等教育出版社，2014年7 月.

[15] 捷米爾強(qiáng)(俄)等編著，趙偉，肖曦，王玉祥等譯. 《電工理論基礎(chǔ)》(第四版)[M]. 北京：高等教育出版社，2011年1月.

[16] 邱關(guān)源，羅先覺.《電路》(第五版)[M]，北京：高等教育出版社，2006年5月.

[17] William H. Hayt, Jr. , Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin. 《Engineering Circuit Analysis》, sixth edition[M]. New York: Mc Graw Hill. 北京：電子工業(yè)出版社引進(jìn)，2002年6月.

[18] Richard C. Dorf, James A. Svoboda. 《Introduction to Electric Circuits》，5th edition[M], Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2001.

Construction of Teaching Material Oriented Engineering Education for Electrical Information Majors

CHEN Xi-you, LI Guan-lin, LIU Feng-chun DONG Wei-jie

(FacultyofElectronicInformationandElectricalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023，China)

With the development of engineering education accreditation, engineering education has become the basic idea of undergraduate teaching in university. Teaching mode, teaching methods, teaching means and teaching resources are all changing under the guide of engineering education. Combined with the author's practice on the engineering education and the experience of taking part in the engineering education accreditation, the main features of the teaching material for electrical information majors are presented simply in this paper, and some typical teaching materials are illustrated. Hoping more people do their effort on the constructions of teaching material in order to improve really the quality of the engineering education.

engineering education; electrical information major; construction of teaching material

2015-07-10;

2015-11- 10

陳希有(1962-)，男，博士，教授，主要從事電路和電工技術(shù)教學(xué)以及電力電子技術(shù)的研究，E-mail:chenxy@dlut.edu.cn

TM13

A

1008-0686(2016)02-0149-04