電工學教材的改革與實踐

劉曼玲　姜霞　吳顯金

【摘 要】中南大學實施“開放式精品示范課堂計劃”，旨在為學生提供一個開放的、多維度的課堂，充分調動學生學習的積極性和主動性，提高自主學習能力，而編寫與課堂計劃配套的教材則是培養高質量人才的基本保證。本文在研究國內外精品教材的基礎上，將教材的重點放在重應用、重技能、重素質等方面，在結構、內容上實現教材的改革與創新、引導與思考、理論與應用的有機結合，并構建一個立體化的教材體系。

【關鍵詞】電工學；教材改革；開放式精品示范課堂

0 引言

為進一步推動本科課堂教學改革，全面提升人才培養質量，更好地服務于社會和國家，中南大學自2013年以來，每年開發一批開放式精品示范課，實現在教學內容、教學方式、學習方式、考核方式的全面開放，培養學生的自主學習能力和創新創造能力。2014年3月電工學A被列為中南大學開放式精品示范課的教改項目。

“電工學A”是我校面對全院非電工科類專業開設的電類公共基礎課，總課時為64學時（含實驗12學時）。該課程是高等學校非電專業的一門技術基礎課，也是一門應用性、實踐性比較強的課程。電工學課程的作用與任務使學生通過該課程的學習，能拓寬視野、開闊思維，提高能力，在獲得電工、電子技術的基本理論、基本知識和基本技能的同時，熟悉其應用和發展；通過相關的實驗學會常規儀器的使用、實驗數據的測量和分析，書寫規范的實驗報告，為從事與本專業有關的工程技術與科研工作奠定較好的基礎。我校的機械、微電子、測繪、材料科學等二十幾個專業的學生均要學習它。

電工學A主要包含電路、電機控制、模擬電子技術、數字電子技術四部分，由于內容多、學時少，一直存在老師難教、學生難學的狀況，而達不到應有的教學效果。學校“開放式精品示范課堂”的基本要求是學習方式、教學方式、教學內容、考核方式全面開放；教學內容精選、教學設計科學、教學手段和教學方法靈活、教學團隊穩定；特色突出、理念先進，具有操作性、推廣性和可借鑒性，能發揮引領和輻射作用。因此編寫出一本配合開放式精品示范課堂和適應科技時代迅猛發展的新教材已勢在必行。

為了編寫好電工學等系列新教材，我院領導非常重視，專門成立了一個教材編委會，由工作在教學第一線的骨干老師組成。參編人員熟悉電工學中教學與教材中存在的問題，知曉與之相關的實驗、實習、課程設計、電子競賽等內容，有豐富的實踐經驗和編書經歷。在編輯新書之前，筆者做了大量的調研工作：在書店、網上查閱許多中外相關的教材；走訪專家與同行；收集學生的反饋意見；與兄弟院校和出版社交流學習等。經編委會多次討論、作者反復修改后，于2014年8月由中國水利水電出版社出版了電工學（多學時）的教材，共計46萬字，并在我校2012-2014級非電本科二十幾個專業中連續使用，受到專家、老師和學生的好評：系統性、實用性和可讀性強，老師好教、學生好用，解決了以往內容多與學時少的矛盾，適合各高校本科非電專業使用，也可作為自學和相關工程技術人員的參考教材。

編委會與筆者編寫新教材總的指導思想是實現改革與創新、引導與思考、理論與應用的有機結合，將教材編寫的重點放在重應用、重技能、重素質等方面，使學生對與生產過程緊密聯系在一起的電氣、電子工程技術有清晰的概念和明確的了解，并引起足夠的興趣與重視。

1 改革與創新

由秦曾煌主編的《電工學》教材上、下冊，從 1964 年到 2010 年，先后由高等教育出版社出版（第一版—第七版），是我國非電專業學生學習電技術的經典之作，有很多值得借鑒之處[1-2]。在繼承前人優秀教材的基礎上，新編教材對電工學原有的體系與結構進行改革創新，貫穿元器件—電路—系統—實例的主線，側重基礎、化繁為簡，加強了教學內容的關聯性和完整性，在介紹基本內容、基本方法和典型應用電路的基礎上注重與實際結合，使學生感到學有所用，學有興趣。如在講解完二極管和穩壓管后，即介紹直流穩壓電源（如手機充電器），使教學內容前后銜接自然，學生更容易接受與理解。對于元器件和集成電路的介紹，主要側重外部特性和使用方法，將學生的注意力吸引到對器件的認識、元件參數的選擇、性能指標的測試和實際操作上，忽略一些不容易理解的內部結構與工作原理分析。如敘述計數器時，主要介紹集成芯片的管腳與功能表，如何用它構成N建制計數器，而將過去用D觸發器或JK觸發器構成計數器的內容刪掉，因為在實際中計數器芯片價格便宜好用，實際上會很少用到觸發器來搭接計數器電路，使學到的理論知識能緊跟時代的發展。

由于電子技術的快速發展，新的技術不斷涌現，為解決以往內容多與學時少的矛盾，在書中增設了“輔修內容”和“知識鏈接”，將一些與基本內容關聯并且可以自學的部分放到輔修內容中，滿足不同專業對教學的需求。如將諧振電路、差分放大電路、功率放大電路編排到了輔修內容中，學生學完了前面的基本內容并有了一定的基礎后，再自學輔修內容是比較容易理解的，也可以鍛煉其自主學習的能力。其實在英美國家，老師在課堂講得少，也不指定教材，但上完課后，學生必須到圖書館自學才能完成作業 [3]。良好的自主學習能力可以讓人受益終生。

在“知識鏈接”中，注意人文激勵與激發興趣并重，為學生指引方向。增設了與教材內容相關的科學家、電學歷史、最新成果、關聯知識點的拓展等。如短小精悍地介紹二位著名的電學大家歐姆與基爾霍夫。德國物理學家歐姆Georg Simon Ohm（1787—1854，67歲）畢生從事對電學的研究，1826年（39歲），他通過實驗，揭示了電壓、電流與電阻三者之間的關系，即非常重要的定律—歐姆定律，它可以用來計算簡單電路，由于電阻的單位以他的名字命名，大家對他都比較知曉。另一位德國物理學家基爾霍夫 Gustav Robert Kirchhoff（1824—1887，63歲）[4]，在做了幾百次實驗后，發表了二個著名的定律，即基爾霍夫電壓與電流定律（KVL、KCL）。該定律揭示了電壓、電流與網絡的關系，可以用來計算復雜電路，是對歐姆定律的進一步推進。特別是他發明該定律時才年僅23歲（1847年），是大學三年級的學生，這無疑是正能量的典范，能激發學生對科學家與科學研究的崇拜與向往。

將最新成果引入到書本中，緊跟科學發展。如在第7章的“7.1半導體二極管”中除了介紹以前具有的導體、絕緣體、半導體外，還以短小精悍的“知識鏈接”介紹超導體（某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時，電阻為0的現象）。2014年1月10日 ，中國科學院物理研究所/中國科技大學“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質的研究”獲2013年度國家自然科學一等獎（之前，這一獎項已經連續3年空缺。），引領我國的高溫超導研究工作已走到世界前列。超導體可用在超導輸電（電阻為0，可以減少線路傳輸損失10%）、超導磁體和超導磁懸浮、醫院使用的磁共振成像儀器（MRI）中的磁體中[5]。以最新的科技成果為例，可以調動學生的學習熱情與積極性。

在“知識鏈接”中也注意相關知識點的拓展，如在編寫三相異步電動機的控制線路中，增加了可編程序控制器的介紹；講完二極管后介紹可控硅；在電子技術部分，增加了EDA與EDA工具軟件的介紹，如仿真軟件Multisim 、Proteus，學生可以在網上下載軟件、到圖書館自主學習，將學到的電路與電子技術的原理圖用仿真軟件真實地再現出來。我校也配有相關方面的仿真實驗，實現理論與實際的緊密結合。

2 理論與應用

學習電工學的目的使學生能夠將所學知識應用到實踐中并能創新與創造。在實驗中，我們發現有些學生對一些簡單常用的器件：如二極管、晶體管、電容等都不認識，也不會判斷其好壞，遇到問題一籌莫展。因此在教材中增加了常用電工、電子元器件的示意圖與實物圖，并對主要器件和概念標注英文，方便學有余力的同學能方便地使用國外電子仿真軟件與設計軟件（如Protel），建立理論與實踐溝通的橋梁。

新編教材注重基礎知識的提煉、更新以及工程性內容的引入，在分析、設計與綜合中除了引用常見且學生容易理解的例題外，還在每章中配1-2個應用實例，讓學生既有扎實的理論基礎，又能靈活運用所學知識，達到教師樂教、學生樂學的目的。

例如：在“第4章一階電路”中，主要介紹一階RC、RL電路暫態過程中電壓和電流隨時間的變化規律，在這章中舉了一個與學生生活密切相關的實例：照相閃光燈裝置。電子閃光燈就是RC電路應用的一個例子，它利用了換路瞬間電容器的電壓不能突變以及時間常數小的特點，瞬間產生強電流，使閃光燈動作。圖1所示的電路是由直流電壓源US、限流電阻R1和一個與閃光燈并聯的電容器C 組成，閃光燈用電阻R2表示。開關處于位置“1”時，時間常數τ1=R1C很大，電容器充電較慢。當開關S由位置“1”切換到“2”時，電容器的電壓不能突變，通過R2放電，放電時間常數τ2=R2C。由于閃光燈的電阻R2阻值小，即放電時間常數很小，電容器的電壓通過R2很快放電完畢，在很短的時間里產生很大的放電電流，使閃光燈閃亮。

在“第10章組合邏輯電路”中，數字顯示譯碼器7448是一種與共陰極字符顯示器配合使用的集成譯碼器，它將輸入的4 位二進制代碼（A3A2A1A0=0000～1001）轉換成顯示器所需要的七個段的驅動信號，使顯示器顯示0～9的數字，如圖2所示。在“第11章時序邏輯電路”中，同步十進制加法計數器的常用集成芯片為74160，計數器的輸出狀態Q3Q2Q1Q0將按0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001 而變化。計數器74160結合第10章講述的圖2，就構成了一個具有計數、譯碼和顯示功能的電路，如圖3所示，廣泛應用在計分和數字鐘中。為了讓同學們更形象地理解這部分的內容，可讓學生用Multisim或Proteus對圖3進行仿真。通過知識的前后關聯、綜合與應用，學生就能比較好地理解實際中的數字顯示功能是怎么實現的了，最后在應用實例中舉例說明數字鐘，無非是一個從簡單到復雜、循序漸進的過程，因為數字鐘的時、分、秒實際上可以分別由兩片同步十進制加法計數器集成芯片74160級聯構成：一個二十四進制計數器（00～23小時）和兩個六十進制計數器（00～59分與秒），而譯碼與顯示電路與圖2完全相同。

3 引導與思考

將在教學、實踐與電子競賽中獲取的寶貴經驗融入到教材中，采用問題驅動式對學生學習中容易混淆和出現錯誤的地方穿插“問題引導”、“思考與討論”等，使書籍更符合學生的學習習慣和心理。每一章有主要知識點小結、章總結、關鍵概念、討論題、習題。講解某些重點、難點的時候強調此知識點與其他課程、其他知識點的關聯性。

在“第1章直流電路”中的電路元件講解之前，設置 “問題引導”引起大家對元器件及其使用的重視：電阻、電容及電感元件的電壓、電流滿足什么關系？在實際選擇電阻器、電容器及電感器時，除了要考慮它們的阻值、電容量及電感量之外，還應該考慮什么因素？這些問題也是來之于實際，如有些同學在實驗的時候，認為將一個直流電源（15V）串聯一個電阻（50Ω）構成一個回路就可以了，不料想一合開關電阻就冒煙，因為電阻的耗散功率為4.5W，已經超過了色環電阻允許的功率（色環電阻的功率比較小，一般為1/4─1/8W）等。作為理想元件，電阻元件上的電壓、電流可以不受限制地滿足歐姆定律，但作為實際的電阻器件如燈泡、電爐等是耗能元件，在工作電路中將電能轉化為熱能釋放，過大的電壓或電流會使器件過熱而損壞。因此，在電子設備的設計中，除了考慮電阻器件的阻值外，還必須考慮電阻器的額定功率，甚至器件的散熱問題。為防止電阻器在電路中被燒毀，選擇電阻器時，應使額定功率高于實際消耗功率的1.5～2 倍。額定功率在5W 以上的電阻，使用時必須安裝在特制的支架上和留出一定的散熱空間。

對實驗和實際中應用最多的二極管、晶體管，采用思考與討論的形式讓學生通過查找資料，自主學習。如在“第7章半導體二極管及其應用”中采用的“思考與討論”題：如何檢測一個普通二極管的好壞和極性？穩壓二極管又如何檢測？在圖4中某一個二極管發生短路、斷路或反接，電路會發生什么現象？

圖4 單相橋式整流電路

設置二極管的思考與討論是希望學生除了認識二極管以外，還會根據二極管具有單向導電性的原理，用萬用表歐姆檔，判斷其好壞（二極管的正向電阻小，反向電阻大則是好的，反之是壞的），當在實驗中測出的數據與理論不符時，要會用理論指導實踐并找出它的故障點（如圖4）。通過知識的遷移，還可以進一步學會檢測一個晶體管的好壞，如在“第8章雙極型晶體管及其放大電路”中，設置的 “思考與討論”題：如何檢測一個普通晶體管的好壞及其極性？如果會判斷二極管的好壞，雙極型晶體管無論是NPN還是PNP都可以看著是兩個背靠背的二極管，檢測的方法與二極管大同小異。學生通過這樣的思考與討論后，能比較好地把握知識的關聯與共性，而到達學以致用的目的。

4 開放與精品

圍繞“開放式精品示范課堂”的“開放”、“精品”與“示范”的要求，本著以學生為中心的教學理念，打造了一個電工學教材資源包，即“主教材+實驗教材+教學大綱+教學標準+電子教案+電子課件（課程課件、導學課件、仿真課件、實驗課件、實習課件、小組作業課件）+試題庫+實驗錄像”，并開通網站，將與此門課程相關的教學資源進行整合，形成以主教材為基礎的立體化交叉教學模式，多方面推進教學研究和課程建設，提高教學質量。

所謂開放就是學習方式、教學資源等全開放。根據教學大綱、教學標準與教案對教材密切相關的課程課件、導學課件進行科學設計，并上傳到網上和QQ群中。導學課件分主要內容、基本概念與實際拓展，主要內容突出重點和難點；基本概念則采用問題驅動式對學生容易混淆的概念和關鍵知識點進行引導，具有導學與復習的雙重作用；實際拓展則是理論聯系實際或由學生自主學習完成的開放式作業，如在第6章電動機與電氣自動控制中的實際拓展題就有：①當合上電源后，電機不轉動，如何檢測三相電機的控制線路？常用的方法有哪些？②舉例說明可編程序控制器控制電機的方法——需要學生自學完成。由過去的以教師講授為主向交互式、啟發式、研討式、案例式教學轉變，課前導學、課內交流、課后練習、實例分析、課外研討，以及師生互動、生生互動、小組交流研討等多種方式，引導學生自主學習和研究性學習，激發學生學習的主動性、積極性、創造性。

教材和精品示范課堂歷時二年，得到了專家、同行和學生的好評，電工學A精品示范課堂教改項目已通過學校的驗收。同學們也認為新編教材與教改項目的實施使他們的知識、能力、素質都得到了提高。

5 結束語

總之，該教材注重科學性、系統性、實用性和可讀性：開發了與之關聯的教學網站和立體化的教學資源包；突出知識點和技術點的關聯，分析、設計、綜合與應用實例俱全；教材內容精煉，示意圖與實物圖、表格等配合使用，通俗易懂；教材風格清新活潑：問題引導、思考與討論、知識鏈接，輔修內容，名詞術語（雙語）、主要知識點小結、每章總結以及多樣化習題有機融合；簡明扼要介紹最新成果、學科發展與相關科學家，提高學生的人文素質素養。

【參考文獻】

[1]秦曾煌.電工學（上、下冊）（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]姜三勇，丁繼盛，秦曾煌，金春英.在電工學教材編寫和教學中正確處理四個關系[J].中國大學教學，2012（11）：91-93.

[3]劉曼玲，姜霞，吳顯金.本科生創新能力培養研究[J].創新科技，2014（12）：40-42.

[4]Charles K.Alexander，MAatthew N.O.Sadiku.電路基礎[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]劉曼玲，姜霞.電工學（多學時）[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[責任編輯：湯靜]