在电工学课堂教学中引入创新教育的尝试

卢健康

（西北工业大学 电工实验教学中心，陕西 西安 710072）

0 引言

培养造就大批创新型人才是高校教师的神圣职责。如何将大学生培养成为创新型人才，对高校来讲，是一项涉及多方面多环节的复杂的系统工程。研究生阶段无疑是培养创新性人才的主要环节；而对本专科生创新精神与能力的培养，则主要是通过毕业设计与各种创新性竞赛及课程设计等环节来进行的。在专业课教学中，因为往往会涉及到学科前沿的内容，所以比较容易融入创新教育。而对像电工学这样内容相对成熟稳定的基础类课程来讲，如何在讲授本课程知识与技能的同时引入创新教育，自觉“分担”起培养学生创新精神的义务，目前还未见公认的好做法。有待研究探讨。在这方面，有些电工学教师已经做了许多很有价值的工作［1］。对于如何在课堂教学尤其是大班教学中适当引入创新教育，笔者做了一些粗浅的尝试，在此予以简单介绍，以抛砖引玉，供同行们参考与指正。

1 质疑教材与激发学生创新意识

下面举在《电工技术》讲课中的两个例子，来说明笔者如何把对教材内容的质疑及其研究结果引入课堂教学，以激发学生的创新意识并鼓励其参与研究。同时也指出电工学教材中两个结论所存在的问题，与各位老师商榷。

例1：关于能否用串联电容的方法来提高感性负载功率因数的问题

在许多电工学教材或辅助教材中，讲到用电容来提高感性负载功率因数时，都会以正文、例题或思考题的形式告诉学生：只能把电容并联在感性负载两端，不能把电容与负载串联。其原因是：实际的正弦电源一般近似为理想的正弦电压源，感性负载与适当大小的电容串联后尽管可以提高功率因数，但会使得负载本身所加电压改变，不等于其额定电压，从而不能正常工作。这一结论在教学中沿用多年，似乎毋庸置疑。

早在笔者作为助教听主讲教师讲课时，听到此处忽然冒出一个念头：能否设法既串联电容又不改变负载两端所加电压以保证其正常工作？如果可行的话再研究能否提高功率因数。课后经过研究，得出了“用串联电容法提高并联感性负载功率因数”的具体方法。再进一步研究还发现，在一般情况下用串联法比用并联法所需电容量更小。不过当时觉得这么小一点“创新”写不成什么研究论文。直到2003年我讲授电工技术课时，为了活跃课堂气氛，激发学生的创新意识，才把十几年前写的“用串联电容法提高感性负载功率因数”的笔记内容融入教案中，作为正弦交流电路一章的一个综合性例题，在课堂上以对现有教材内容质疑的形式引出，启发学生一起思考。

习惯于毫不怀疑地学习教材知识的学生，听到老师问刚刚讲过的教材上有关结论有无漏洞时，无一人有异议；但随着我的引导与启发，学生们逐渐看懂了串联电容法的原理和巧妙之处，课堂气氛顿时活跃起来。通过讲解这部分内容，不仅使学生巩固和加深理解了正弦电路一章的若干重要概念与方法，更重要的是打破了学生以教材结论为真理的思维定势。

看到学生对这种标新立异的内容兴趣很大，我便趁机讲了点创造学的观点［2］，鼓励学生要敢于质疑教材，拓宽思路，尝试着创新，不要以为自己还在学习基础知识阶段，只有等到做毕业设计或上研后才有可能创新。后来在我的指导下，该大班中喜欢创新的几位学生就此撰写的论文参与我校“三航杯”课外学术科技作品竞赛获了奖，后来又进一步研究并做实验，再写的论文在陕西省第五届“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛中荣获省级一等奖。最后由此产生的两篇论文先后在《电气应用》上发表［3，4］。后来再讲授到这部分内容时，我便把前面讲过的这些创新教育内容修改后再讲，并用前面与我合作的学生所取得的成就来鼓励学生们要勇于质疑和创新。从期中教学检查中反馈的意见来看，这一尝试受到多数学生的赞赏。

例2：关于三相电路中的不对称负载采用无中线Y接法时负载电压是否平衡的问题

关于此问题，现有电工学与电路课程教材中的结论都是这样的：在三相电源电压对称的条件下，如果星形联接的不对称三相负载没有中线，则负载中点与电源中点便有电压存在，从而使得三相不对称负载上得不到对称的三相电压，影响负载的正常工作。但我经过研究，发现这一结论存在问题。鉴于有关的研究结果并未公开发表，故在此作稍详细的介绍如下：

得出上述结论的依据是：依据结点电压法求星形不对称负载无中线情况下的中点电压，可得出下述公式：

当三个相电压对称而三相负载复阻抗ZA、ZB与ZC不完全相等时。

从数学式子上稍作分析便可知这一结论并非总是成立。为了表述方便，下面用复导纳YA、YB与YC替代ZA、ZB与ZC的倒数来分析。

用复导纳描述（1）式并令其等于0（限定条件YA＋YB＋YC≠0），可得出一个复数方程式：

由此可见，如果ZA、ZB与ZC并不完全相等（从而YA、YB与YC并不完全相等），但只要三个复导纳的值满足（3）式，便有＝0。亦即，即使三相负载不对称，只要其负载复阻抗值满足（3）式，便可以使得中点电压为零，从而使三相不对称负载上电压对称，保证其正常工作。

可能有老师会问：尽管这样的理论分析是对的，但只有在特定情况下才能使负载上电压对称，这有何实际意义？是的，停留在此没有实际意义。但正如串联电容法提高功率因数方法的产生过程一样，需要我们把理论上的创新与实际联系起来进行创造。在三相不对称负载为感性（实际中一般都是如此）并且不变的情况下，可以证明（此处从略），用类似于并联电容提高功率因数的方法，在其中的两相负载上并联适当大小的电容以改变其复导纳值，便能够使得原来不满足（3）式的不对称负载满足它。因为（3）式相当于两个实数方程，所以至少必须改变两相负载的值才可能满足它。如果给三相负载都并上电容，让YA、YB与YC都可以改变，就不仅可满足（3）式，还有了一个可自由取值的电容，利用它还能进一步优化电路状态。例如，选取该电容的值，使最大的一个线电流取值尽可能小，以便三相电流不对称度最小，或使该三相电路的功率因数最大。对此我们已经做了研究并得出了肯定的结论。只因还未找到用并联电容取代中线更为经济的实用场合，故未发表相应的研究结果。

在按照教材内容讲完三相电路一章中负载的星形联接内容后，我以启发思考→提出质疑→引导研究→鼓励创新的步骤介绍了上述内容，在课堂上得到了不少学生的积极响应。与前面讲串联电容法不同的是，当我问学生根据（1）式得出的UN′N≠0结论有无漏洞时，有了学习串联电容法时的经历与收获，已经有学生回答出该结论并不全对。其实看出该结论的漏洞从数学上并不难，问题在于学生甚至包括我们教师自己往往习惯于以肯定而非怀疑批判的态度看待基础的传统的教科书内容（对学术论文我们可能会持后一种态度），而这种学习知识的态度正是创新的大敌。

对低年级大学生来说，改变他们这种学习态度，激发（或者说唤醒）年轻人本来就有（但因多年的应试教育而被压抑甚至抹杀）的创新意识和敢于质疑甚至挑战权威的勇气，正是我们培养创新型人才的重要一环。这也正是我宁可删去某些次要的枝节性内容（布置学生自学）而加进这些考试不考、大纲没有的内容的原因。

讲授这样研究型内容的主要目的不是让学生掌握它并深入研究，而是利用它进行创新教育，由于课程学时紧张，我在课堂上对这些内容重点讲解其中与创新有关的关键思维点，与之相关的其他知识只是点到为止，不做详细与深入的分析，进一步的研究留给个别喜欢创新与研究的优秀学生，指导他们在课余时间来做。由于较早接受并喜欢创新活动，参与上述研究的几位同学后来都因获奖多且成绩好被推免上研或考取名牌大学研究生。

2 引入创新教育的其他几种做法

（1）结合课程内容讲授一些科研与技术创新的方法，以便学生以后触类旁通，把这些方法和思路使用或“移植”到自己的专业或别的领域。例如：在讲理想电路元件与电路模型时，强调指出模型化方法是众多学科进行研究的通用方法；在讲到相量法内容时，不仅要让学生学会使用它，更要让他们从各领域通用的“变换”方法的高度来理解它的作用，并举学生学过的“变换”方法例子加以说明，再点出以后还会学习拉氏变换等更高级的“变换”方法，让学生以后学到这些内容时更易理解。

在技术创新上也有不少共同的思路和方法。在讲课中应注意结合课程内容讲给学生。例如，电子技术中许多元件与电路都是为了克服原有元件或电路的缺陷而发明出来的，或是把已有几种元件或电路取长补短复合而成的。我在授课中注意指出新元件与电路发明出来的思路或背景，以利于学生创新技能的培养。再比如，在讲继电接触器控制一章的电机正反转控制电路时，我就强调了采用“联锁”控制以防因操作人员误操作造成事故这种技术设计思路的通用性，提醒学生以后在自己的专业领域设计产品时注意采用它。还特别强调了同时采用“电气联锁”与“机械联锁”的“双保险”即“冗余”设计思想的重要性。因为对我校与“三航”专业有关的产品来说，技术上甚至需要“多保险”才可能避免出现重大事故。

（2）结合课程内容适当穿插讲一些科学史与科学家、发明家的故事，包括当代杰出人才、校友甚至身边同龄人创新发明的事迹。

（3）结合专业特点给学生提出一些“异想天开”的创新设想。例如，在给材料学院学生讲防雷电内容时，我以爱迪生放风筝扑捉“天电”的故事为引子，鼓励他们将来发明出足以接收和储存能量巨大的雷电的材料与设备。在给航空学院学生讲到电容元件时，提到新型超级电容器和电动汽车，希望他们将来能设计出可以在空中充电（有线或无线）的电动飞机。短短几句今天看来可能是幻想的话，也许能对他们成为创新型人才，明天把幻想变为现实起一点启发与促进作用。

3 结束语

最后应该补充的是，一方面，我们毕竟是做电工学教学而非专门的创新教育工作，所以引入创新教育时要掌握好时间与内容的“度”，不能喧宾夺主，不能与教学内容完全脱节；不可能也不苛求让所有学生都有较大收获；但另一方面，我也体会到，在教学中融入恰当的创新教育，对培养具有创新能力的人才的确能起到较好的作用，因此，从培养创新型人才的大目标来看，“在教学中启发学生的创新勇气与思路，比传授具体的电类知识，更具有长远的意义。因为一名学生可能在其后的人生中使用不多的电工电子知识，但他很难回避创新的勇气、意识和方法”［5］。

［1］天津大学自动化学院电工电子技术中心电工学课程组.基于电工学教学内容的创新教育举措http：／／course.tju.edu.cn／automate／index.htm

［2］杨德 等.创造力开发实用教程［M］.北京：宇航出版社，1992

［3］卢健康等.提高并联感性负载功率因数的串联电容法［J］.电气应用，2005，24（8）

［4］卢健康等.串联电容法提高异步电动机功率因数的研究［J］.电气应用，2006，25（10）

［5］杨正瓴，林孔元等.电工学教学中培养学生创新素质的一些例子［J］.电气电子教学学报，2002，24（1）