以專業(yè)為導(dǎo)向的“電工學(xué)”案例式教學(xué)研究

章　艷， 劉蘊(yùn)紅， 劉鳳春

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

0　引言

“電工學(xué)”是高校為非電專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，開課院系包括：物理、土木、化工、機(jī)械、材料等，還有部分高校面向文史經(jīng)管類學(xué)生選擇性地開設(shè)了該門課程。在教材使用方面，一個(gè)高校往往僅選擇一本教材施教，為避免對不同專業(yè)的學(xué)生“同爐煉造”，我校早些年就開始通過課時(shí)差異(48學(xué)時(shí)、32學(xué)時(shí))，制定對應(yīng)的教學(xué)大綱加以大致區(qū)分[1]。但對于相同學(xué)時(shí)的不同專業(yè)并沒有相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2010年6月，教育部制定的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”正式啟動(dòng)，“電工學(xué)”作為直接為各專業(yè)服務(wù)的核心課程，如何以專業(yè)為導(dǎo)向開展教學(xué)的問題不容忽視。為此筆者積極響應(yīng)學(xué)校的卓越計(jì)劃，參與了對該課程的課程體系與教學(xué)模式的改革。經(jīng)過幾年的實(shí)踐及完善，在案例教學(xué)方面有了新的認(rèn)識與總結(jié)。

1　專業(yè)特點(diǎn)與教學(xué)模式融合

“電工學(xué)”課程涉及內(nèi)容廣泛，涉及電路計(jì)算、磁路分析、電動(dòng)機(jī)、電氣控制、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)等多方面[2]，是工科專業(yè)知識結(jié)構(gòu)體系中的重要組成部分，但在不同專業(yè)中，對于電工學(xué)知識的應(yīng)用卻各有差異。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)“電工學(xué)”課程對相關(guān)專業(yè)的服務(wù)支撐作用，筆者在不斷的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，以專業(yè)為導(dǎo)向，摸索出了一套點(diǎn)面結(jié)合、案例推動(dòng)的教學(xué)方式。

1.1　知識點(diǎn)側(cè)重為面

對于工科各專業(yè)而言，電路理論及磁路分析、模擬電子技術(shù)中的半導(dǎo)體知識和常用器件(普通二極管、雙極性晶體管、集成運(yùn)放)、數(shù)字電子技術(shù)部分的組合邏輯電路與觸發(fā)器等實(shí)用內(nèi)容應(yīng)作為基礎(chǔ)性知識統(tǒng)一教學(xué)，但在其他方面則可以個(gè)性化定制。譬如：針對物理專業(yè)的學(xué)生，由于其專業(yè)特點(diǎn)對于電路知識并不陌生，“電工學(xué)”授課可以適當(dāng)弱化基本概念的講述，傾向應(yīng)用知識(電動(dòng)機(jī)、電氣控制)及電子技術(shù)方面的內(nèi)容；針對土木類專業(yè)，增加三相供電與用電方面的內(nèi)容，結(jié)合樓宇自動(dòng)化，將照明電路、動(dòng)力控制等知識嵌入電路分析與電氣控制的知識講授中；針對機(jī)械類專業(yè)，強(qiáng)化電動(dòng)機(jī)原理與電氣控制的知識，從機(jī)電一體化的角度引入車床控制電路與可編程控制器件；針對化工類專業(yè)，從實(shí)驗(yàn)檢測儀器等設(shè)備使用出發(fā)，側(cè)重用電安全及電子電路的分析與設(shè)計(jì)(二極管整流、信號放大電路)。

對于文史經(jīng)管類專業(yè)，“電工學(xué)”課程的設(shè)置主要是為了體現(xiàn)文理滲透，培養(yǎng)復(fù)合型人才，使學(xué)生通過學(xué)科間的交叉，健全思維，拓展視野，形成較強(qiáng)的綜合優(yōu)勢。因此在教學(xué)目標(biāo)上不是為應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際儲(chǔ)備知識，而是更傾向于科普教學(xué)。授課教師應(yīng)從這類學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律出發(fā)，在教學(xué)中致力于優(yōu)化和簡化處理。譬如以直流電路為重點(diǎn)，通過掌握基本定律為后續(xù)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。變壓器和電動(dòng)機(jī)部分傾向于工作原理講述，弱化相關(guān)計(jì)算。電子部分更是以拓寬知識面為教學(xué)目標(biāo)，講課重點(diǎn)向半導(dǎo)體元器件、電路放大原理及數(shù)字電路分析傾斜，復(fù)雜計(jì)算及設(shè)計(jì)不對學(xué)生做硬性要求。

根據(jù)不同專業(yè)，知識點(diǎn)傳授有不同側(cè)重點(diǎn)是“電工學(xué)”課程教學(xué)改革的一個(gè)方面，另一方面則是以案例式教學(xué)為點(diǎn)展開的。

1.2　案例式教學(xué)引導(dǎo)為點(diǎn)

案例式教學(xué)最初主要應(yīng)用于法學(xué)界和醫(yī)學(xué)界，不過這種引導(dǎo)學(xué)生變注重知識為注重能力培養(yǎng)的教學(xué)方式很快在工科教學(xué)中得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的教學(xué)方法傾向于理論知識的灌輸，令學(xué)生對原理性知識的理解只停留在記憶層面，難以理論聯(lián)系實(shí)際，這從學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)遇到問題束手無策的囧境中可見一斑。而“電工學(xué)”采用案例式教學(xué)，一方面通過分析現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用，能夠掌握基本定理定律，另一方面可以引導(dǎo)學(xué)生在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上舉一反三，推陳出新，有所突破與創(chuàng)新。案例式教學(xué)從性質(zhì)上可分為實(shí)證性案例教學(xué)法和分析性案例教學(xué)法兩種。

實(shí)證性案例教學(xué)法，即通常講的舉例法，一般適用于抽象、深?yuàn)W的理論教學(xué)，通過短小精悍的實(shí)例闡述某一觀點(diǎn)、方法或原理。實(shí)證性案例教學(xué)法分為兩種：一是演繹法，即先介紹基本原理，后引入實(shí)例加以說明；另一種是歸納法，即先舉出實(shí)例，再通過對實(shí)例的分析，總結(jié)出基本原理。實(shí)證性案例教學(xué)法在授課形式上可以圖片、影音、動(dòng)畫等形式呈現(xiàn)，通過感官刺激促進(jìn)學(xué)生直觀地理解理論知識。

分析性案例教學(xué)法，一般在章節(jié)結(jié)束或?qū)ｉT的案例分析課程中使用。通過對典型案例的深刻剖析，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用某部分知識的能力。根據(jù)案例所涉及知識面的寬窄，分析性案例教學(xué)又可分為專題性分析及綜合性案例分析。

無論采取上述何種案例式教學(xué)，案例素材的搜集應(yīng)用都應(yīng)該為教學(xué)效果服務(wù)。在案例式教學(xué)中注重各專業(yè)的不同需求，結(jié)合當(dāng)前學(xué)科交叉滲透的發(fā)展趨勢，能起到事半功倍的效果。

2　面向?qū)I(yè)點(diǎn)面結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1　面向化工類學(xué)生的工程案例式教學(xué)

案例一：過程控制儀表

在講授運(yùn)算放大器時(shí)，針對多種運(yùn)算功能的使用可以通過實(shí)際的專業(yè)案例來體現(xiàn)其實(shí)用性。比如過程控制儀表，它是化工專業(yè)過程控制中對溫度、壓力、流量、液位等進(jìn)行檢測和控制的儀表，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要工具[3]。而相關(guān)控制作用主要通過比例控制、積分控制、微分控制及其組合控制完成。以一個(gè)水加熱器溫度控制系統(tǒng)為例(如圖1所示)，被控量是熱水出水口溫度，選擇比例控制，通過改變執(zhí)行器閥門的開度來改變加熱蒸汽量，以保持出口水溫恒定。水溫高時(shí)開度小，因此比例曲線(圖1(b)中曲線1)為左高右低的直線，曲線2和3分別表示水流量為Q0和Q1時(shí)的靜態(tài)特性。

假設(shè)正常工況下水流量為Q0，出口水溫為t0(給定值)，蒸汽閥開度為k0(初始值)，如O點(diǎn)所示，若水流量在某時(shí)刻從Q0減小到Q1，比例控制將

(a) 溫控系統(tǒng)示意圖

(b) 比例控制特性圖1　水加熱器溫度控制系統(tǒng)

根據(jù)水溫的增加量，重新穩(wěn)定至A點(diǎn)。針對這一案例可以讓學(xué)生思考幾個(gè)問題：①比例控制的輸入輸出信號分別是什么？②比例控制應(yīng)采用同比例還是反比例？③控制過程是如何實(shí)現(xiàn)的？

2.2　面向土木類學(xué)生的工程案例式教學(xué)

針對土木類專業(yè)，由于未來會(huì)更多地接觸建筑工程，因此挑選安防電路作為案例進(jìn)行講授，使學(xué)生理解實(shí)際應(yīng)用電路與電路模型的關(guān)系。

案例二：煙霧報(bào)警器

圖2是基于光學(xué)和光電原理的煙霧報(bào)警器，當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警。煙霧可以是吸煙所致，也可以是某種物質(zhì)燃燒所致。這一案例涉及并聯(lián)電路各支路電壓相等、光敏電阻特性、電橋平衡原理、電阻的串聯(lián)與并聯(lián)等效、戴維寧或諾頓定理、支路電流法等相關(guān)知識，可以要求學(xué)生：①定性分析工作原理；②將直流電源改成交流電源時(shí)，分別有何優(yōu)缺點(diǎn)；③從設(shè)計(jì)角度考慮，給定直流電壓源電壓和容量，報(bào)警器的煙霧濃度靈敏度以及繼電器動(dòng)作的最小電流，嘗試選擇各元件參數(shù)，使靜態(tài)功耗最小[4]。

案例三：紅外入侵檢測

主動(dòng)式紅外入侵檢測使用“光束遮斷式感應(yīng)器”(Photoelectric Beam Detector)，其基本的構(gòu)造包括瞄準(zhǔn)孔、光束強(qiáng)度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等(如圖3所示)。其偵測原理是利用LED紅外發(fā)射器，將不可見的紅外光，經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理后傳至較遠(yuǎn)距離(600米內(nèi))的接收器。當(dāng)有障礙物(人或車輛)橫跨監(jiān)控防護(hù)區(qū)時(shí)，紅外線光束因被遮擋致接收器不能正常接收紅外線光束而引發(fā)警報(bào)。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 電路原理圖圖2　煙霧報(bào)警器

這一案例可作為光電二極管、發(fā)光二極管的應(yīng)用實(shí)例，并借此類比光電耦合器的一般工作原理，同時(shí)還可引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系基本放大電路，思考光信號微弱時(shí)檢測裝置該如何改進(jìn)。

圖3　紅外侵入檢測示意圖

2.3　面向文史經(jīng)管類學(xué)生的案例式教學(xué)

偏文科專業(yè)的“電工學(xué)”教學(xué)案例應(yīng)注重來源于生活實(shí)際，從學(xué)生日常接觸的事物、現(xiàn)象出發(fā)能夠獲得認(rèn)同感，易于相關(guān)知識的切入。(章艷等文)

案例四：家用電磁爐

在講到交流電磁鐵的功率損耗時(shí)，我們知道鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗，其中渦流損耗是指渦流在鐵心內(nèi)所產(chǎn)生的功率損耗，若渦流損耗大，鐵心就會(huì)發(fā)熱。因此，為了減小渦流損耗通常把一整塊鐵心改成順磁場方向彼此絕緣的硅鋼片疊制而成，這樣就可以將渦流限制在較小的截面積內(nèi)，從而減小渦流和渦流損耗。而電磁爐正是利用渦流損耗產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)加熱的。如圖4所示。

圖4　電磁爐工作原理

磁路因其看不見摸不著的特殊性，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中很難理解。尤其是在介紹變壓器損耗的時(shí)候，鐵損部分往往作為一個(gè)不變量生硬地拋給學(xué)生。為了增加學(xué)生直觀的理解，列舉生活中的實(shí)例來體現(xiàn)渦流損耗的無處不在，以及其功能特點(diǎn)。這一案例可作為專題型案例在介紹磁路時(shí)提出，也可以在電路保護(hù)方面做進(jìn)一步延伸。

3　結(jié)語

在“電工學(xué)”的案例式教學(xué)過程中，針對工科不同專業(yè)的學(xué)生可選擇與其專業(yè)相關(guān)的案例，這樣不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能夠事半功倍地幫助學(xué)生在本專業(yè)學(xué)習(xí)中更好地應(yīng)用電工學(xué)知識。特別是針對文理科專業(yè)，可以多準(zhǔn)備一些常識性的生活案例，讓“電工學(xué)”課程變得生動(dòng)而吸引人，幫助文理科學(xué)生在輕松的氣氛中掌握基本的電學(xué)知識。

案例式教學(xué)有著豐富的內(nèi)涵，不能簡單的只停留在舉例的階段，一個(gè)沒有互動(dòng)的案例式教學(xué)是失去靈魂的教學(xué)，不能滿足預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。應(yīng)該充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，例如multisim、Matlab等仿真軟件搭建虛擬電路，由學(xué)生自己調(diào)節(jié)參數(shù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種為教學(xué)所提供的虛擬仿真電路能使學(xué)生在電路分析過程中學(xué)會(huì)對參數(shù)的變化進(jìn)行判斷，從而為今后自行設(shè)計(jì)電路打下基礎(chǔ)。此外，模擬電路調(diào)試提高了案例教學(xué)的真實(shí)性、生動(dòng)性和趣味性，使得學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)獲得鍛煉的機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐介, 劉蘊(yùn)紅主編. 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.

[2]秦曾煌主編. 電工學(xué)(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011年5月.

[3]李亞芬主編. 過程控制系統(tǒng)及儀表(第三版)[M]. 大連: 大連理工大學(xué)出版社, 2010年7月.

[4]劉鳳春, 陳希有, 牟憲民. “電工技術(shù)”課程工程教學(xué)案例設(shè)計(jì)實(shí)例[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(1): 25-28.