新工科背景下的“電子技術”課程的教學改革和工程實踐

摘要：在“新工科”范式特征要求下，本院機械電子工程專業“電子技術”這門課程在培養學生工程能力等方面面臨諸多挑戰。在學科交融性、知識體系多樣性等方面注重學生工程意識的培養，拓展多種途徑引導學生積極參與工程實踐。工業化和信息化高度融合的“新業態”發展，計算機與電子技術在數字產業鏈中的交融和諧共生發展，多種合作發展模式迫切要求“電子技術”課程教學與企業行業應用同步。基于MATLAB/SIMULINK平臺，本文以“三相整流橋式整流電路”為例進行了純電阻負載和阻感性負載的仿真教學，可增加學生的直觀視覺體驗，便于學生理解理論知識。一系列教學改革和工程實踐表明，“電子技術”課程在融合、集成、創新、共享及智能諸多方面已取得初步成效。

關鍵詞：電子技術；教學改革；工程實踐；新工科；

“新工科”倡議是我國工程教育對“互聯網+”“中國制造2025”“一帶一路”倡議等國家重大戰略的積極響應［1］。當前工程教育依然深受科學范式與技術范式的影響，應當回到以實踐、設計及綜合為核心的軌道上來，從而體現工程教育的工程主體性，新工科內涵要進一步強調“前沿技術引領性”“學科間交融性”“知識體系多樣性”“人才培養創新性”等。圖1為新工科范式特征分析。

圖1新工科范式特征分析

“電子技術”課程是機械工程學院機械電子工程專業非常重要的一門專業核心課，其內容包含了模擬電子技術、電力電子技術和數字電子技術三大知識體系模塊。對于“電子技術”這門課程，本學院在機械電子教研室主任的領導下開展教研室活動，并選擇了天津大學電工學教研室精心編著的《電子技術（電工學Ⅱ）》這本教材。該教材一共十章，其中第1章至第4章是模擬電子技術內容，第5章是電力電子技術內容，第6章至第10章涵蓋“數字電子技術”課程［2］。該課程知識點繁多復雜，且工程性和應用型較強，需要培養學生的工程意識、單學科向多學科交叉滲透學習的能力及終身學習的意識。

1本院“電子技術”課程面臨的挑戰

在多次的教研室研討活動及督導的指導下，本院的“電子技術”課程相比于課程建設初期取得了顯著的進步，已經建立了較為健全統一的教學大綱、實驗大綱、實驗講義等教學課程體系，但依然面臨若干挑戰，主要表現在理論學時偏少和教學內容繁多的矛盾；學生工程意識不夠，對理論知識理解不夠透徹；教學方式單一；實驗設備陳舊。因此，對“電子技術”課程進行教學改革和探討顯得尤為必要，培養學生的工程能力，以期在融合、集成、創新、共享及智能諸多方面取得顯著性成效；引入仿真教學，增加學生的直觀視覺體驗，便于學生理解理論知識。

2工程能力的培養

工程教育的基本理念是培養符合設計要求的工程師，既注重各門課程理論和實踐的有機結合，又注重培養綜合應用多學科知識解決實際工程問題的能力，目標在于培養符合設計要求的工程師。在“電子技術”的教學過程中，強化培養學生的工程能力，是工程教育理念和培養卓越工程師的迫切需求。鼓勵學生積極參與各種各類競賽，以賽促練、賽練結合，培養學生的工程實踐能力。在實踐環節中，引入簡單可操作的驗證性實驗是遠遠不夠的，還需要引入一些綜合設計型實驗，讓學生主動去改進實驗、設計拓展并探索。引導學生主動進入開放的工程訓練中心實踐，有限的實驗學時可能限制了學生的創新潛力的開發，工程實訓中心的開放為學生提供了便捷的實驗環境和條件。

在“電子技術”的教學過程中，主動強化培養學生的工程意識。講解三極管時，對于三極管的分類可從不同的角度進行分類，可按材料、功率和工作頻率進行分類，不能只照本宣科地局限介紹三極管的電氣符號，還應介紹幾種半導體三極管的外形、命名方式，并利用萬用表課堂講解如何判斷一個三極管的好壞、如何區分PNP型三極管和NPN型三極管，如何識別三極管的發射極、集電極和基極。在第二章的講解過程中，主要介紹了兩種放大電路：共射放大電路和共集放大電路。對于共集放大電路的講解，要求學生課后自己畫電路圖，并分別進行靜態分析和動態分析，并比較和總結共射、共集和共基放大電路的特點，哪些電路是用于放大電壓、電流，輸入電阻和輸出電阻的大小以及每種放大電路的用途。多級放大電路的耦合方式，阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合的優缺點及在集成電路中的應用選擇，都可以培養學生的工程意識，為后續引入差分放大電路做好鋪墊。介紹甲類、乙類和甲乙類功率放大電路，比較各種電路的優缺點及應用場景。集成運算放大電路的內部四大組成：輸入級、中間級、放大級和輸出級，分別采用、選用何種電路，把第二章的內容有機地整合起來。虛短虛斷的分析方式為理想集成運放的應用埋下伏筆，集成運放可構建模擬運算電路、測量放大電路、各種有源濾波器及振蕩器。其中，測量放大器可有效消除干擾信號即共模信號的影響，可廣泛應用于各種工業應用；SH電路（采樣保持電路）與經典的自動控制原理相關聯，聯系香農采樣定理，結合具體的芯片引腳講解電路并展現采樣保持效果。以各種電力電子器件為核心，覆蓋四大電路——整流、逆變、直流變換和變頻所表現出來的優越性能和控制精度，結合軟開關技術等與電力拖動自動控制系統和電氣傳動高度關聯，是強化學生工程意識的切入點。尤其是在模擬電子技術向數字電子技術講解的過渡階段，闡述器件的作用、工作區域和分析方法的區別，通過三極管構建基本的邏輯門、復合門及集成門，將模擬電子技術與數字電子技術有機結合起來。可編程邏輯器件與FPGA（可編程邏輯陣列）、VHDL（超大規模集成電路的硬件描述語言）高度關聯，根據培養學生能力目標和興趣，提供圖書館參考文獻目錄，借助開發軟件進行工程設計。在條件允許的情況下，盡可能地與企業加強合作，建立實驗實訓基地，不斷優化理論教學、實踐教學，與企業行業應用同步，從根本上提高“就業力”而非“就業率”。

3電子技術與仿真教學的融合策略

在當前各種工業化和信息化高度融合的“新業態”的高速發展下，各種智能平臺、“互聯網+”的創新教學模式如雨后春筍般應運而生。在數字化時代，計算機與電子技術合作發展的模式和方法主要表現在：高性能和智能化的技術集成模式、協同創新和資源整合的產業協同模式、精準決策和個性定制的數據共享和分析模式、開放技術和交叉學科的創新平臺模式［3］。其具體在以下領域合作共生發展：“互聯網+”平臺、物聯網、人工智能、自動駕駛技術、電力系統、5G網絡、邊緣計算、云平臺、機器人等領域。

MATLAB軟件具有強大的計算能力、便捷的程序設計及若干與其他接口的工具箱及拓展功能，其應用覆蓋了線性代數、概率統計、電力系統等若干領域，可視化的圖形用戶界面具有直觀、靈敏、便利等優點。對于“電子技術”這門課程，將“電子技術”教學融入MATLAB/SIMULINK仿真教學［4］，可視化的仿真運行和可操作的參數調試可帶給學生直接的視覺體驗，結合公式推導便于理論講解和傳授。

“三相橋式全控整流電路”是目前電力工業電子技術中應用廣泛的整流電路，本文以三相橋式全控整流電路技術為例，分別針對帶純電阻負載和阻感性時不同的觸發角的仿真教學。

3.1純電阻負載時的工作情況

基于MATLAB/SIMULINK仿真平臺，SIMPOWER工具箱建模，在SIMULINKThreePhaseSource找到三相交流電源，在Simulink/Sources/PulseGenerator/Thyristor，6pulse模塊組中找到六脈沖觸發器，打開Simscape/Powersystems/Specializedtechnology/fundamentalblocks，找到powergui，分模塊搭建如圖2的三相橋式全控純電阻性負載的MATLAB仿真模型。

在三相對稱電源的頻率設為50Hz、電壓峰值為314V時，設置純負載電阻為10Ω時，設置觸發角為30°的仿真結果如圖3所示。

3.2阻感負載時的工作情況

在圖3的仿真模型中，只需要對負載做一些修改即可。負載電阻R=10Ω，負載電感L=0.04H。三相橋式全控整流電路在阻感性負載時，設置觸發角為30°的仿真結果如圖4所示。

結語

本文從介紹“新工科”范式特征出發，通過分析當前本院“電子技術”課程存在的問題及面臨的挑戰，依據“電子技術”這門課程學科交叉強、知識體系多樣的特點，從提高工程意識和引入仿真教學等兩個維度進行教學改革和引導學生進行工程實踐活動。結合與其他課程及應用領域高度關聯的特點注重工程應用，培養學生工程意識和提高學生工程能力。引入仿真教學，可增加學生的直觀視覺體驗，便于學生理解理論知識。積極鼓勵學生參加各種各類比賽，引導學生創新創業，與“互聯網+”平臺、物聯網、人工智能、自動駕駛技術、電力系統、5G網絡、邊緣計算、云平臺、機器人等領域深入融合，在融合、集成、創新、共享及智能諸多方面已取得初步成效。

參考文獻：

［1］陸曉燕，馮正勇，肖順文.新工科背景下電子專業工程實踐改革與創新［J］.科技風，2022（15）：6264.

［2］劉全忠主編.電子技術（電工學Ⅱ）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2023.

［3］果輝.計算機與電子技術在產業鏈中融合應用［J］.集成電路應用，2023，40（08）：356357.

［4］石婷，雷飛，奧頓，等.電子技術的遠程虛擬仿真實驗教學模式探索［J］.教育教學論壇，2023（32）：8689.

作者簡介：徐志佳（1981—），女，土家族，湖北恩施人，碩士，副教授，研究方向：電力電子與電氣傳動。