通识教育视角下的“电磁兼容技术”课程

赵 刚

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

通识教育视角下的“电磁兼容技术”课程

赵 刚

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

本文从通识教育的视角研究了“电磁兼容技术”课程的知识技能框架与教学方法。结合过去几年的教学实践和两次学生问卷调查，针对课程的通识性质，建立了发射和敏感并重，兼顾电磁兼容设计和抗扰度试验的知识技能框架。实践师生换位，全面采用课堂授课、小组讨论、实验和Matlab仿真、演讲写作等多种教学方法开展教学工作。在教学过程中重视Matlab仿真的虚拟实验特性，利用仿真补充和拓展实体实验。

通识教育；知识技能框架；学生问卷

0 引言

大学的宗旨是培养对文化、科学、艺术和社会有广阔理解力的人才[1]。大学还要承受专业化、职业化以及教育市场化等外部压力。就业率是当下中国大学排名的关键指标。许多大学选择了通识教育应对，在一个专业下培养理论和实践能力全面、就业竞争力强的毕业生。

通识课程旨在传授每个领域的“理解的模式”，具体说来，即本学科理解问题和解决问题的特有模式，重视理解之途径，而非具体资料[1]。

通识教育看起来就是一个主修(含必修)和选修课清单，没有一个人人可用的课程配置，但人人皆可按自己的兴趣配置，实现因才施教和定制化教育的目标。这也要求学生自己承担更多的教育责任，这在当前我国应试教育的背景下不易实现，需要不断实践和深入研究。

学生是通识教育的最终评判者，他们对所学的每门课程的评价决定了通识教育的成败。为每门通识教育课程设置一个满足学生需要的知识技能框架，打破不同专业的知识藩篱，是通识教育类课程教师的任务。

通识教育可分大学层次和学院层次。大学层次的通识课程覆盖文学、艺术、历史、社会分析、道德哲学、自然科学、数学、外国语言和外国文化。工科学院层次规划工程教育通识课程，“电磁兼容技术”就是工程教育通识课程清单中的一门选修课。

电气工程师必须熟知电磁兼容技术的“理解的模式”[1]。机械工程师也应当选修通识型“电磁兼容技术”课。不是要求他们能独立解决电磁兼容问题，而是帮助他们理解电气工程师为了电磁兼容特性而向机械工程师提出的要求，尽管这些要求一点机械工程方面的意义都没有。

1 学生调查

目前的教材《电磁兼容导论》内容包括：电磁兼容四要素；传导和辐射发射限值及测量方法；元件非理想特性；PCB和导线的发射和敏感模型；系统设计方法和屏蔽[2，3]。

《电磁兼容导论》的优点是讲解细致，仿真作业多，特别适合当前教学少课时趋势下的学生预习和复习。

这本教材有两个方面的不足：

(1)重心完全在电磁发射，没有讲抗扰度试验。电磁兼容技术学科内容不平衡，体系不完整。

(2)系统设计方法与电磁场理论联系紧密，但内容枯燥，学生学习热情不高。与前期“电路基本理论”、“电磁场”等课程有重叠。用很多篇幅讨论电容电感的非理想特性，这在“电路基本理论”课上就是一个习题。学生课堂上还要听一遍，感觉是“炒冷饭”，情绪低落。

鉴于上述不足，我们开始研究重构课程知识技能框架以及更有效率的教学方法。为了使该框架满足学生们的要求，我们结合期末考试做了两次学生意见调查。

在2014和2015年的考试卷上问他们：“这门课如何改变，能让你们更喜欢，比你们的手机更有吸引力。请给老师一些建议。”。

收集到的学生意见为我们指明了知识技能框架和教学方法的改进方向：

(1)多讲工程实际遇到的电磁兼容问题和解决方法，最好有视频。针对这个意见，我们在第一节课时便放映两段录像，一共5分钟左右，展示了在局部放电测量和高电压试验中遇到的电磁兼容问题，学生反映积极，希望了解更多；

(2)多布置仿真作业，学生反映Matlab仿真很有意思。针对这个意见，我们把仿真视作虚拟实验，可以随意改变实验条件，启动仿真，通常30秒内就能得到实验结果；

(3)更多的实验。受到教学实验室条件限制，无法开展那些成本过高或较危险的实验，但可以借助仿真弥补；

(4)课堂气氛死板。针对这个意见，我们认为小组讨论能活跃课堂气氛，培养学生独立思考的习惯。例如，我们安排小组讨论总结实验。学生们都做过实验，有体会，有话可说，有问题可问。小组讨论使学生对实验过程和结果有了更深的体会。

总结学生们的意见，我们决定采用课堂授课结合小组讨论和实验结合仿真，写作结合学生讲演等方法进行教学改进。此外，采用多样化的教学方法能够分解学生的学习压力，还可提高他们的学习兴趣。多样化的教学方法，也能够满足多样化的学生需求。

(6)讲好第一节课，从总体上说明课程框架，介绍课程核心内容和思想方法，与其它课程和工程实践的关系。学生们总想在第一节课上知道这门课讲些什么，有什么用。对于通识类课程，学校允许学生试听一周，然后再决定是否选这门课；

(7)案例式教学，第一节课上介绍一个无法通过发射限值或抗扰度试验的产品，以后讨论原因和对策，结束时产品能够通过试验。很难找到一个产品体现所有电磁兼容设计理念，但可以增加案例数量，提高知识覆盖面；

(8)希望了解电磁兼容技术前沿研究情况。这就要求教师不能总“炒冷饭”，要和学生一起学习。这对教师来说也是一种师生换位，体会学生在学习过程中遇到的困难和心理煎熬[5]；

(9)学生参与课堂教学。每节布置下节课要问的问题，根据回答情况评定平时成绩。这样比点名更能反映他们的课堂表现，促进学生积极参与到教学活动中来。

2 知识技能框架与教学方法

通识型“电磁兼容技术”课程讲授完整的电磁兼容技术体系，以电磁兼容四要素为核心，发射与敏感并重，兼顾事先设计与事后产品抗扰度试验。围绕PCB讲述电磁兼容设计的概念和方法，通过实验(包括仿真)帮助学生建立电磁兼容抗扰度(敏感性)测试的宏观图景，帮助学生建立本学科“理解的模式”[1]。

该课程每周两次4学时，共8周。课时规划见表1。

表1 课时规划(32学时)

课堂授课占用了50%的学时。这是考虑到课堂教学还是大部分学生习惯的学习方式。

组织课堂教学时把握一个原则：讲课是领学生入门，课堂教学应当帮助和促进学生在课外学习。不求当堂全面消化，但求知道自己知识结构缺陷，明确课后自学补足的方向。课堂上强调知识技能框架与工程实践的联系，列举那些印证教学内容的工程实践。其它课程教过的内容，课上提一下就可以了。即使深入也要采用除了课堂教学以外的方法，例如制作试验设备和仿真。

采用师生换位的教学方法,课前详细布置学习材料，帮助学生自主预习课程。每节课都要通过提问复习上节课授课内容[5]。师生换位有两个方面，一方面是教师要不断地学习新知识，另一方面是学生要主动学习，积极思考，就像教师备课一样。

学生们在小组里讨论实验，也一起激活前期课程的相关内容。有实验和前期课程的基础，学生们在讨论时有话可说。电路元件非理想特性和信号完整性与“电路理论”课程关系密切，可以看做延伸性习题。学生们可以借这个机会完成实验报告的提纲。

电磁兼容试验和测量技术标准定义了10种抗扰度试验[4]。我们选择教学实验的标准是：试验方法明确，判定试验结果简单，设备成本低，可以大量购置，甚至学生自己就能做。因此选择了浪涌抗扰度和静电放电抗扰度试验。

我们已经使用自制500 V浪涌发生器做了两年的浪涌抗扰度试验。遗憾的是，只有一台设备，不能保证人人都动手，而且开路电压500 V太高，操作不当可能会伤害学生。我们就把原标准的浪涌抗扰度试验改成了考核PCB的浪涌抗扰度试验。试品可以是学生们的旧手机，也可以是科创项目的PCB板。还计划开展学生研究工作，让学生制作开路电压50 V以内的浪涌发生器，测试自己开发的嵌入式系统的浪涌抗扰度，丰富实验教学的内涵。

电灭蚊拍可以改造成2000 V静电发生器，做静电放电抗扰度试验。

在教学过程中，把Matlab仿真做为虚拟实验[6]。仿真实验克服了有限的实验条件，深化了学生对专业基本理论的理解，锻炼了学生的工程实践能力和创新能力。Matlab编程效率高，只一个函数fit就可实现曲线拟合，图形处理功能强大，plot函数1秒内就可以画出仿真结果。仿真实验不受空间(学生可以在宿舍里做)、时间(学生可以选择自己效率最高的时间做)和物质条件(所有设备实体都是虚拟的)的限制。仿真实验最大的特点是可任意设置实验条件，实验结果反馈快速。因为前期课程学生已学习和使用过Matlab等仿真工具，所以能快速上手，还能提高熟练程度。

仿真实验也要考虑到学生差异。我们安排动手能力差的学生做验证性仿真，让他们看到仿真的效果，激发起他们的仿真兴趣，为以后选择更复杂的设计性仿真打好基础。同时也让那些动手能力强的学生做起点较高的设计性仿真。

信号完整性是电磁兼容技术的重要概念。在小组里学生讨论信号完整性的含义，设计仿真实验。仿真实验比实体实验更能让学生看到高速数字信号经过阻抗突变点时的反射和折射现象，深化他们对高频信号传输波过程的的理解。

教学实验室条件有限，无法开展脉冲群抗扰度试验，就借助仿真完成教学任务。仿真实验比实体实验更能帮助学生理解空间分布电容形成耦合路径的概念。

仿真过程中教师要跟踪学生的进展。教师先详细布置任务，给学生留1周的独立工作时间，还要安排时间和学生面对面零距离讨论仿真过程中出现的问题和尝试方向。一般要讨论两次，第一次明确问题和决定对策，学生课下尝试并解决了问题后再讨论总结。

通常，课程末期会安排学生撰写一篇名为“我从这门课学到了什么”的课程论文。这样给学生创造一个总结课程内容的机会，建立一个完整全面的电磁兼容技术知识体系，实现通识课程的教学目标。我们鼓励学生在课程论文的基础上给大家做演讲，可以是概论形式，也可以是专题形式，时间10分钟左右。

3 结语

本文研究了通识型专业选修课“电磁兼容技术”的知识技能框架与教学方法。结合过去几年的教学实践和两次学生问卷调查，针对课程的通识教育性质，建立了在内容上发射和敏感并重，兼顾电磁兼容设计和抗扰度试验的知识技能框架。实践过程中师生换位，全面采用课堂授课、小组讨论、实验和Matlab仿真、演讲写作等多种教学方法。在教学过程中重视Matlab仿真的虚拟实验特性，利用仿真补充和拓展实体实验。

[1] 金耀基. 大学之理念[M]. 北京：生活·读书·新知三联书店，2001年12月

[2] [美]保罗(Paul,，Clayton R.)著，温映红译. 电磁兼容导论[M]. 北京：机械工业出版社，2006年

[3] Clayton.R.Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility (2nd Edition)[M]. Wiley, New York, 2006

[4] GB/T 17626.1-1998 中华人民共和国国家标准 电磁兼容 试验和测量技术 抗扰度试验总论[M].

[5] 张凤霞，文侨，赵志刚. 师生换位教学模式探索与实践[J]. 南京：电气电子教学报，2016(38)：9-10

[6] 杨静，王维俊，左永刚等. 基于Matlab的电气工程综合仿真实验教学研究[J]. 南京：电气电子教学 报，2012(增刊):189-191

Electromagnetic Compatibility Technology Course from the Viewpoint of General Education

ZHAO Gang

(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

This paper studies knowledge and skill framework and teaching methods of the Electromagnetic Compatibility Technology course from the viewpoint of general education. Based on practice over the past few years and two questionnaires for pupils, we have set up the knowledge and skill framework that treats the emission and susceptibility equally, and puts focus on both electromagnetic compatibility design and immunity tests. We will make role reversal between teachers and pupils, and apply a variety of teaching methods such as classroom lecture, group discussion, experiment and Matlab simulation, oral presentation and curriculum writing. This course emphasizes the Matlab simulation as virtual experiment. The simulation can expand the physical experiments.

general education; knowledge and skill framework; questionnaire survey

2016-06-20;

2017-09-18

赵刚(1972-)，男，博士，副教授，主要从事高电压电气测试技术的教学和研究工作，E-mail:nmzhaogang@sjtu.edu.cn

G424.2

A

1008-0686(2017)03-0080-04