以专业为导向的“电工学”案例式教学研究

章　艳， 刘蕴红， 刘凤春

(大连理工大学 电气工程学院， 辽宁 大连 116023)

0　引言

“电工学”是高校为非电专业开设的一门专业基础课，开课院系包括：物理、土木、化工、机械、材料等，还有部分高校面向文史经管类学生选择性地开设了该门课程。在教材使用方面，一个高校往往仅选择一本教材施教，为避免对不同专业的学生“同炉炼造”，我校早些年就开始通过课时差异(48学时、32学时)，制定对应的教学大纲加以大致区分[1]。但对于相同学时的不同专业并没有相应的教学设计。

2010年6月，教育部制定的“卓越工程师教育培养计划”正式启动，“电工学”作为直接为各专业服务的核心课程，如何以专业为导向开展教学的问题不容忽视。为此笔者积极响应学校的卓越计划，参与了对该课程的课程体系与教学模式的改革。经过几年的实践及完善，在案例教学方面有了新的认识与总结。

1　专业特点与教学模式融合

“电工学”课程涉及内容广泛，涉及电路计算、磁路分析、电动机、电气控制、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术等多方面[2]，是工科专业知识结构体系中的重要组成部分，但在不同专业中，对于电工学知识的应用却各有差异。为了激发学生的学习兴趣，加强“电工学”课程对相关专业的服务支撑作用，笔者在不断的教学实践环节中，以专业为导向，摸索出了一套点面结合、案例推动的教学方式。

1.1　知识点侧重为面

对于工科各专业而言，电路理论及磁路分析、模拟电子技术中的半导体知识和常用器件(普通二极管、双极性晶体管、集成运放)、数字电子技术部分的组合逻辑电路与触发器等实用内容应作为基础性知识统一教学，但在其他方面则可以个性化定制。譬如：针对物理专业的学生，由于其专业特点对于电路知识并不陌生，“电工学”授课可以适当弱化基本概念的讲述，倾向应用知识(电动机、电气控制)及电子技术方面的内容；针对土木类专业，增加三相供电与用电方面的内容，结合楼宇自动化，将照明电路、动力控制等知识嵌入电路分析与电气控制的知识讲授中；针对机械类专业，强化电动机原理与电气控制的知识，从机电一体化的角度引入车床控制电路与可编程控制器件；针对化工类专业，从实验检测仪器等设备使用出发，侧重用电安全及电子电路的分析与设计(二极管整流、信号放大电路)。

对于文史经管类专业，“电工学”课程的设置主要是为了体现文理渗透，培养复合型人才，使学生通过学科间的交叉，健全思维，拓展视野，形成较强的综合优势。因此在教学目标上不是为应用于生产实际储备知识，而是更倾向于科普教学。授课教师应从这类学生的认识规律出发，在教学中致力于优化和简化处理。譬如以直流电路为重点，通过掌握基本定律为后续知识点学习奠定基础。变压器和电动机部分倾向于工作原理讲述，弱化相关计算。电子部分更是以拓宽知识面为教学目标，讲课重点向半导体元器件、电路放大原理及数字电路分析倾斜，复杂计算及设计不对学生做硬性要求。

根据不同专业，知识点传授有不同侧重点是“电工学”课程教学改革的一个方面，另一方面则是以案例式教学为点展开的。

1.2　案例式教学引导为点

案例式教学最初主要应用于法学界和医学界，不过这种引导学生变注重知识为注重能力培养的教学方式很快在工科教学中得到了应用。传统的教学方法倾向于理论知识的灌输，令学生对原理性知识的理解只停留在记忆层面，难以理论联系实际，这从学生在实验环节遇到问题束手无策的囧境中可见一斑。而“电工学”采用案例式教学，一方面通过分析现有技术的应用，能够掌握基本定理定律，另一方面可以引导学生在已有技术的基础上举一反三，推陈出新，有所突破与创新。案例式教学从性质上可分为实证性案例教学法和分析性案例教学法两种。

实证性案例教学法，即通常讲的举例法，一般适用于抽象、深奥的理论教学，通过短小精悍的实例阐述某一观点、方法或原理。实证性案例教学法分为两种：一是演绎法，即先介绍基本原理，后引入实例加以说明；另一种是归纳法，即先举出实例，再通过对实例的分析，总结出基本原理。实证性案例教学法在授课形式上可以图片、影音、动画等形式呈现，通过感官刺激促进学生直观地理解理论知识。

分析性案例教学法，一般在章节结束或专门的案例分析课程中使用。通过对典型案例的深刻剖析，训练学生运用某部分知识的能力。根据案例所涉及知识面的宽窄，分析性案例教学又可分为专题性分析及综合性案例分析。

无论采取上述何种案例式教学，案例素材的搜集应用都应该为教学效果服务。在案例式教学中注重各专业的不同需求，结合当前学科交叉渗透的发展趋势，能起到事半功倍的效果。

2　面向专业点面结合的教学设计

2.1　面向化工类学生的工程案例式教学

案例一：过程控制仪表

在讲授运算放大器时，针对多种运算功能的使用可以通过实际的专业案例来体现其实用性。比如过程控制仪表，它是化工专业过程控制中对温度、压力、流量、液位等进行检测和控制的仪表，是实现生产自动化的重要工具[3]。而相关控制作用主要通过比例控制、积分控制、微分控制及其组合控制完成。以一个水加热器温度控制系统为例(如图1所示)，被控量是热水出水口温度，选择比例控制，通过改变执行器阀门的开度来改变加热蒸汽量，以保持出口水温恒定。水温高时开度小，因此比例曲线(图1(b)中曲线1)为左高右低的直线，曲线2和3分别表示水流量为Q0和Q1时的静态特性。

假设正常工况下水流量为Q0，出口水温为t0(给定值)，蒸汽阀开度为k0(初始值)，如O点所示，若水流量在某时刻从Q0减小到Q1，比例控制将

(a) 温控系统示意图

(b) 比例控制特性图1　水加热器温度控制系统

根据水温的增加量，重新稳定至A点。针对这一案例可以让学生思考几个问题：①比例控制的输入输出信号分别是什么？②比例控制应采用同比例还是反比例？③控制过程是如何实现的？

2.2　面向土木类学生的工程案例式教学

针对土木类专业，由于未来会更多地接触建筑工程，因此挑选安防电路作为案例进行讲授，使学生理解实际应用电路与电路模型的关系。

案例二：烟雾报警器

图2是基于光学和光电原理的烟雾报警器，当烟雾浓度超标时发出报警。烟雾可以是吸烟所致，也可以是某种物质燃烧所致。这一案例涉及并联电路各支路电压相等、光敏电阻特性、电桥平衡原理、电阻的串联与并联等效、戴维宁或诺顿定理、支路电流法等相关知识，可以要求学生：①定性分析工作原理；②将直流电源改成交流电源时，分别有何优缺点；③从设计角度考虑，给定直流电压源电压和容量，报警器的烟雾浓度灵敏度以及继电器动作的最小电流，尝试选择各元件参数，使静态功耗最小[4]。

案例三：红外入侵检测

主动式红外入侵检测使用“光束遮断式感应器”(Photoelectric Beam Detector)，其基本的构造包括瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、LED指示灯等(如图3所示)。其侦测原理是利用LED红外发射器，将不可见的红外光，经光学镜面做聚焦处理后传至较远距离(600米内)的接收器。当有障碍物(人或车辆)横跨监控防护区时，红外线光束因被遮挡致接收器不能正常接收红外线光束而引发警报。

(a) 结构示意图

(b) 电路原理图图2　烟雾报警器

这一案例可作为光电二极管、发光二极管的应用实例，并借此类比光电耦合器的一般工作原理，同时还可引导学生联系基本放大电路，思考光信号微弱时检测装置该如何改进。

图3　红外侵入检测示意图

2.3　面向文史经管类学生的案例式教学

偏文科专业的“电工学”教学案例应注重来源于生活实际，从学生日常接触的事物、现象出发能够获得认同感，易于相关知识的切入。(章艳等文)

案例四：家用电磁炉

在讲到交流电磁铁的功率损耗时，我们知道铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，其中涡流损耗是指涡流在铁心内所产生的功率损耗，若涡流损耗大，铁心就会发热。因此，为了减小涡流损耗通常把一整块铁心改成顺磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠制而成，这样就可以将涡流限制在较小的截面积内，从而减小涡流和涡流损耗。而电磁炉正是利用涡流损耗产生的热量实现加热的。如图4所示。

图4　电磁炉工作原理

磁路因其看不见摸不着的特殊性，使得学生在学习的过程中很难理解。尤其是在介绍变压器损耗的时候，铁损部分往往作为一个不变量生硬地抛给学生。为了增加学生直观的理解，列举生活中的实例来体现涡流损耗的无处不在，以及其功能特点。这一案例可作为专题型案例在介绍磁路时提出，也可以在电路保护方面做进一步延伸。

3　结语

在“电工学”的案例式教学过程中，针对工科不同专业的学生可选择与其专业相关的案例，这样不仅能激发学生的学习兴趣，更能够事半功倍地帮助学生在本专业学习中更好地应用电工学知识。特别是针对文理科专业，可以多准备一些常识性的生活案例，让“电工学”课程变得生动而吸引人，帮助文理科学生在轻松的气氛中掌握基本的电学知识。

案例式教学有着丰富的内涵，不能简单的只停留在举例的阶段，一个没有互动的案例式教学是失去灵魂的教学，不能满足预期的教学目标。应该充分运用计算机模拟技术，例如multisim、Matlab等仿真软件搭建虚拟电路，由学生自己调节参数观察实验结果。这种为教学所提供的虚拟仿真电路能使学生在电路分析过程中学会对参数的变化进行判断，从而为今后自行设计电路打下基础。此外，模拟电路调试提高了案例教学的真实性、生动性和趣味性，使得学生在理论学习的同时获得锻炼的机会。

参考文献：

[1]唐介, 刘蕴红主编. 电工学(少学时)(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2014年7月.

[2]秦曾煌主编. 电工学(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011年5月.

[3]李亚芬主编. 过程控制系统及仪表(第三版)[M]. 大连: 大连理工大学出版社, 2010年7月.

[4]刘凤春, 陈希有, 牟宪民. “电工技术”课程工程教学案例设计实例[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2013, 35(1): 25-28.