“電磁兼容”課程案例導入式教學實踐

摘要：“電磁兼容”是一門理論性和實踐性都非常強，涉及知識范圍非常廣的綜合性學科。針對傳統教學模式存在的問題，結合自己的科研經驗開展了案例導入式教學法的嘗試，依據教學內容和進度，選擇開關電源EMI濾波器設計的案例，讓學生參與進來，激發了學生的學習興趣，增強了直觀認識，加深了對相關知識點的理解。

關鍵詞：電磁兼容；教學改革；案例導入式教學

作者簡介：李玉梅（1975-），女，山東嘉祥人，海軍工程大學電氣工程學院，講師；卜樂平（1965-），男，湖南益陽人，海軍工程大學電氣工程學院，教授。（湖北 武漢 430033）

中圖分類號：642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0049-02

隨著現代科學技術的發展，電子、電氣設備或系統獲得越來越廣泛的應用。電磁環境日益復雜，處在其中的電子、電氣設備面臨越來越多的干擾，造成性能降低、功能喪失的概率明顯增加。因此，在電子、電氣設備和系統的設計、研制和生產過程中，如何解決電磁兼容問題已受到越來越廣泛的重視。我國從2003年8月起對電子設備實行電磁兼容性強制性認證。自2005年開始，海軍工程大學（以下簡稱“我校”）為自動化專業和電氣專業學生開設了“電磁兼容”課程（20個學時），旨在幫助學生了解電磁兼容的基本概念和基本原理，掌握電磁干擾的抑制措施，熟悉電磁兼容性測試標準和方法，為電氣設備的電磁兼容設計與電磁干擾評價打下牢固基礎。與之相關的“電磁兼容”課程是從電磁兼容基本概念入手，由“電磁干擾三要素”中的“干擾源”和“傳播途徑”展開，介紹干擾源的特點及性質，分析傳導干擾和輻射干擾，進而討論電磁干擾控制原理及控制電磁干擾的“三大技術”（接地、屏蔽和濾波），最后介紹電磁兼容預測分析及電磁兼容性測試技術。該課程來源于實踐，又回歸到工程應用中。

一、“電磁兼容”課程教學的現狀

1.教學內容與相關科技的最新成果脫節

隨著電力電子及電氣自動化技術的發展，大功率、高電壓開關及逆變器、整流器等設備產生的干擾和對控制設備的影響越來越突出。電磁兼容學科涉及到如何減少設備產生的干擾，如何防止其他干擾源對電氣設備的影響。科技越是發達，電磁環境越是復雜，電磁兼容問題也越是突出，所以不可避免地會出現原有“電磁兼容”教學內容陳舊，不能反映相關科技的最新成果，這就不利于培養具有綜合應用能力的新型人才。因此，必須進行教學改革，把這些新成果及其工程思想納入到教學實踐當中。

2.教學方法仍然以“滿堂灌”教學為主

首先，“電磁兼容”這門課程的基本原理比較抽象，含有大量繁瑣的公式推導和論證，而它的應用卻具有很強的工程實踐性。抑制電磁干擾的“三大技術”都是來源于實際工程應用，由于電磁兼容學科基于復雜的電磁場理論，有一些抑制措施在工程應用中有很好的效果，但其機理卻可能還沒完全搞清楚。在實際的教學過程中，大多數師生很難接觸到實際工程，也就不知道如何運用課堂所學知識解決工程中的實際問題，因此，教學內容與實際應用脫節，教學效果相對比較差。其次，課堂教學基本上以教師講授為主，學生被動聽課，缺乏有效的互動環節。學生總是聽講一些枯燥的理論知識，很容易昏昏欲睡。最后，由于電磁兼容測試的儀器設備比較昂貴，針對本科教學的“電磁兼容”課程一般很少開設實驗課，這樣的教學后果難以激發學生學習興趣，不利于培養他們的創新能力。

二、案例導入式教學法的概念及特點

1.案例導入式教學法的概念

案例導入式教學法是一種以案例為基礎的教學法。教師基于理論知識與實踐知識相結合的基礎，并結合教師自身科研過程中遇到的問題，給出相應的現場或工程中的課題，讓學生在查閱、學習相關資料后，在教師的指導下進行討論、分析、計算和研究，充分理解所學的相關理論知識，從而達到鍛煉和提升學生解決問題、分析問題的能力。與傳統的教學方法相比，案例導入式教學是在傳統教材的基礎上，與時俱進，適時引入合適的實際工程的應用案例，更強調教師與學生的交互性和教師對學生的啟發性。通常教學案例綜合性較強，需要學生熟練掌握理論知識，處理案例的思維方式靈活，多方查閱資料，獨立思考問題并與同學探討問題，這樣有利于培養學生分析和解決復雜問題的能力，進而提高他們學習的積極性，增強創新意識。

2.案例導入式教學法的特點

（1）客觀性和直觀性。案例來源于實際的工程應用，與理論知識相比更直接，更讓學生能感覺到學習本門課程的作用和意義，所以案例具有客觀真實性，必然使得案例導入式教學也具備客觀真實性。

（2）綜合性和引導性。一個具體的案例所考察的知識點比較豐富，甚至有可能延伸到其他課程的知識，因此案例的分析、解決過程也比較復雜。學生拿到案例后，經過消化，需要主動查閱相關資料，利用已掌握的理論知識分析問題并與同學探討，制定出解決方案；而教師只是給予必要的引導，并根據不同學生的不同理解補充新的教學內容。

（3）過程交互性。在案例導入式教學過程中，教師應該是一個很好的指揮家，學生應該是一個很好的行動者。教師把學生分成幾個小組，每個小組成員進行不同分工，合作完成案例的方案論證和實現，并最終完成詳實的書面報告，教師負責協調組與組之間的競爭意識，激勵組內人員解決問題的積極性。最后在課堂上展開討論和總結評價，這也是全班同學進行知識共享的過程，整個教學過程是動態變化的。

三、應用案例

案例導入式教學法中所給的課題具有很強的目的性，都是以現場所需或工程實踐項目為題。一個具體的案例所包含的知識通常比較豐富，案例的分析、解決的過程也較為復雜，因此在選擇案例或設置問題時，要根據教學進度和圍繞課程主要章節的重點或難點進行設置，注意體現教學內容的連貫性。[4]

一般情況下，是在講授完課程中的一些基本概念、基本原理后再引入具體案例的，通常案例導入式教學安排在課程實施進度的后半部分，例如在學習了電磁兼容的基本概念、電力電子典型干擾源以及接地技術后，在進行講授電磁兼容濾波技術的時候，可引入案例“開關電源的EMI濾波器設計”。開關電源廣泛應用于各種電子、電氣設備中，對于自動化或電氣工程的學生來講是非常熟悉的，也是今后工作中經常需要使用到的。筆者曾制作了一個輸入電壓為220V，額定輸入電流為0.5A的開關電源。開關電源的效率高，體積小，在工業、民用和軍用領域中都得到了廣泛的應用；但和線性電源相比，開關電源的電磁干擾比較嚴重，是使用中的一個突出問題。開關電源的電磁干擾既可以對電網造成污染，又會對負載和其他電氣設備形成干擾，是比較典型的干擾源之一。該案例的實施過程：

1.了解開關電源中的電磁干擾源

開關電源主電路的電磁干擾源有開關管、整流二極管和非線性無源元件（如帶磁芯的電感器、高頻變壓器）等；控制電路的電磁干擾則有開關電路、時鐘脈沖源。

開關電源的基本原理電路如圖1所示，主要由兩部分組成：四個二極管組成的不控整流橋把50赫茲交流市電轉換成直流電加在輸出電容上；降壓型DC/DC斬波器通過對可控開關管的控制進一步轉換成需要的直流電壓；控制電路部分完成對輸出電壓的穩定控制。這類開關電源中產生的干擾分為三類：第一類是電網電源頻率的各次諧波，這是因為通過不控整流橋的輸入電流為周期脈沖波。由電磁干擾源的頻率特性知道，脈沖越窄，頻譜越寬，越平坦。第二類是DC/DC嶄波電路產生的開關頻率及其倍數頻率附近的干擾。第三類干擾則出現在數十兆Hz上，這些干擾是由于開關本身通斷時器件內部的瞬變過程引起，與開關器件內部的載流子運動有關，稱為開關暫態干擾。這三類傳導干擾的頻段不同，采取的抑制措施也不同，特別是開關頻率及其倍數頻率附近的干擾是造成含有開關電源的電氣設備電磁兼容測試不合格的主要原因。通常用來抑制射頻段開關頻率次諧波干擾的方法是安裝EMI濾波器。這些知識由學生課下查找相關資料獲得。

2.了解電磁兼容測試與標準

在用電設備或系統的整個設計和試制階段，為確保其電磁兼容性，必須進行電磁兼容性測試。這種診斷性的測試有助于識別潛在的干擾問題范圍，有助于測量各種補救方法的有效性。電磁兼容發射測試包括傳導發射測試和輻射發射測試，結合電磁兼容標準GJB152A-97中傳導測試項目CE102—10kHz～10MHz電源線傳導發射，采用頻譜儀進行測試。測試頻譜如圖2所示，直線為發射限值，曲線為開關電源火線實測頻譜，可見在開關頻率33kHz處超標幅度為21dB，需要安裝EMI濾波器。

3.進行EMI濾波器設計

要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減特性，EMI濾波器必須同時能抑制共模干擾和差模干擾。典型的EMI濾波器的電路原理圖如圖3所示，L11、L21、L22、L23為電感元件，其中，L11和L21為共模扼流圈是用來抑制共模干擾的，L22和L23分別接在電源的進線和出線，是用來抑制差模干擾的；C11、C12、C13 、C21、C22、C23為安規電容，其中，C11和C22是X電容，跨接在兩電源線上，用來抑制差模干擾；C12、C13、C22、C23是Y電容，接在電源線與地之間，用來抑制共模干擾。圖3給出的EMI濾波器是2級π型結構，除此之外，還有L型、C型、T型等，分別適用于不同場合，需要根據電源內阻和負載阻抗合理選取。由學生設計出合適參數的EMI濾波器，正確安裝EMI濾波器后進行CE102項目的測試結果如圖4所示，由圖可見，實測曲線沒有超過限值。對照實物現場講授，讓學生親自參與體驗，就能夠感受到EMI濾波器抑制傳導干擾的效果。

四、結語

“電磁兼容”這門課程是一門新興的綜合性交叉學科，也是一門實用性極強的學科。它起源于解決實際無線電干擾問題，又在處理用電設備或系統的電磁兼容問題過程中獲得了發展。現有的完全以教師講授為主的傳統教學方法不能滿足培養應用型人才的辦學要求，借助案例導入式教學方法，使得學生在掌握電磁兼容理論知識的基礎上，不僅可以鞏固學生對所學課程理論的理解，為綜合運用所學知識解決實際問題做好準備，還能給學生創造一個身臨其境的感覺，激發其學習的積極性。本文通過“開關電源EMI濾波器設計”教學案例的導入，使學生不僅對電磁干擾抑制措施之一濾波的原理及設計方法有了深切認識，還對開關電源這一典型干擾源的特性以及電磁干擾的測量及標準有了進一步認識。實踐表明，該方法可以幫助學生們由淺入深，化難為易，提高學習效率。

參考文獻：

[1]趙家升.電磁兼容原理與技術[M].第2版.北京：電子工業出版社，2012.

[2]馬力.《電磁兼容技術》教學方法探討[J].洛陽師范學院學報，2012，31（11）：42-44.

[3]王志亮.“電磁兼容技術”課程雙語教學的探索[J].電氣電子教學學報，2009，31（1）：103-104.

[4]雷紹蘭，劉述喜，楊佳，等.“電磁兼容理論”教學改革探索與實踐[J].中國電力教育，2010，（6）：118-119.

[5]陳凌.管理類課程的“導入式”教學模式探索[J].中國電力教育，2008，（11）：64-65.

[6]張利娜，張戈.案例教學在數字電子技術課程中的應用研究[J].中國電力教育，2011，（6）：173-174.

（責任編輯：王意琴）