面向產學研融合的《電工技術》課程創新與實踐

摘 要：注意到《電工技術》課程教材未能有效展示基礎理論的前沿應用這一問題，本文從優化教學內容、改革教學方法等方面開展教學創新實踐，通過增加電動汽車無線充電技術建模與分析等應用案例，將電工學基礎理論與控制理論、信號處理等其他學科知識結合以開展對前沿科技中關鍵問題研究。通過產學研融合培養激發學習興趣和創新意識，提高解決問題和創新思維能力，培養復合型高等教育人才。

關鍵詞：教學創新實踐；電工技術；控制理論；信號處理

國家教育改革提出的三個要求為教育體系的優化與發展指明了方向，尤其是在課程建設、教材編寫和科研反哺教學方面，這些要求對提高教育質量具有深遠的影響[1]。首先，全面提高課程建設質量，意味著課程的內容不僅要符合時代發展的需求，還需要關注學生的實際需求以及職業市場的要求。這一要求促使教育者不斷反思和改進教學內容、方法以及評估體系，確保學生在課程學習中獲得最前沿的知識和技能。這不僅要求課程內容要科學合理，還要具有一定的靈活性和適應性，以應對快速發展的社會需求。其次，推動高水平教材的編寫與使用，強調教材不僅要具備學術性，還需要具備實用性和易操作性。高水平的教材能夠幫助學生更好地理解抽象的理論知識，同時也能提高學生的實際操作能力。因此，編寫教材時需要更多地考慮到如何將理論與實踐相結合，以提高學生的學習效果。再次，推動科研反哺教學，意味著科研成果應該與教學內容進行對接，確保學生在課堂上能夠接觸到最新的科研成果。科研活動不僅可以提升教師的專業能力，還能為教學提供新鮮的素材和方法，從而提高教學的質量和水平。

以《電工技術》課程為例，作為工科專業中的基礎核心課程，它的內容涉及電路分析、正弦交流電路、變壓器和電機控制等多個領域，既具備深厚的理論性，又需要強大的實踐能力。為了讓學生更好地掌握這些內容，教師不僅要注重教學內容的傳授，還要通過實驗、項目以及行業案例來強化學生的實踐能力和動手能力。通過理論與實踐相結合的教學模式，學生可以更好地理解電工技術的基本原理，同時掌握解決實際問題的能力[2-3]。

一、電工技術課程教學現存問題

（一）教學內容局限

當前廣泛使用的《電工技術》教科書在理論知識的應用方面存在顯著不足，缺乏案例實踐介紹，主要內容集中于成熟的電路基礎理論知識，一定程度上影響了教學質量和學習體驗。為了適應現代電工技術的迅速發展和廣泛應用，面向科技發展前沿更新教學內容以滿足當代需求至關重要。新的教材應該更加涉及綜合利用電工技術以及相關領域的理論以分析復雜系統的性能、設計解決方案等方面的實際案例的使用。通過增加應用導向型案例研究，可以幫助學生深刻理解理論知識，并將其應用到實際問題分析中。

另一方面，作為理論課程的重要補充，電工技術實驗課程通常偏向于驗證性實驗。這類實驗通常操作簡單且技術要求較低，但也因此限制了實驗內容的創新性和針對性。由于設備和技術的限制，學生難以在實驗中進行真正的創新和探索，這使得他們在課堂上難以培養出解決實際問題的能力[4]。

為了改進這種情況，可以考慮更新實驗設備，引入更多面臨現代技術挑戰的實驗項目，鼓勵學生在實驗中提出新的想法和解決方案。此外，通過跨學科的合作和資源整合，可以為學生提供更多實踐機會，促進他們的學習興趣和實際動手能力的發展。

（二）教學模式落后

當前電工課程教學中大多以傳統知識講授和封閉式考試形式完成。這種教學方式雖具有高效和整體性特征，偏重于對知識的記憶性和解題性掌握，但無法對學生的學習動機、創新能力做出有效判斷，也忽視了他們的實際學習需求和能力發展[5]，因此在培養學生獨立思考和創新思維方面存在顯著局限性。例如學生可能會過度依賴書本知識，而不是通過自主探索和實踐活動來深化對知識的理解和應用，不利于學生的后續發展。

二、產學研融合電工技術教學探索

針對電工技術課程教學中存在的三個問題，本教學團隊在本科課程教學實踐中做出如下探索性改革嘗試：

（一）增加基礎理論前沿應用介紹。在保留傳統電工技術課程中電路分析方法、暫態分析、正弦穩態電路、三相電路、磁路與鐵心線圈電路等重要基本內容的基礎上，根據項目組科研實際情況對內容進行創新和調整，以電動汽車無線充電為場景的典型應用案例，增加了利用電工技術知識對復雜系統建模方面的介紹。電動汽車無線充電系統（Dynamic Wireless Charging System， DWCS），通過埋于地面下的供電導軌借助于高頻交變磁場將發射線圈段電能傳輸給在地面上一定范圍內移動的車輛底盤上的接收線圈，進而經過整流后實現給汽車供電。DWCS技術可解決電動汽車的續航里程焦慮問題，同時電能補給過程不發生直接電路聯系，因此也更加安全、便捷。DWCS主要研究電能傳輸距離、耦合線圈側移、車輛行駛速度對接收端充電性能和充電效率的影響。吸引了美國、韓國、法國等不少國家研究機構的研發興趣。國內也有包括重慶大學、東南大學以及上海大學在內等多家高校也在開展DWCS方面的研究。國網蘇州公司開發了車輛靜態無線充電系統無線充電站（Static Wireless Charging System， SWCS），并投入試運行，但尚未實現移動無線充電功能。

在課程教學中，以電動汽車無線充電為具體場景，介紹移動無線充電系統的建模與分析，具體內容為：介紹利用工程數學中的廣義狀態空間平均法基本知識，并展示如何利用電工理論中的基爾霍夫定理與廣義狀態空間平均法結合推導出DWCS系統的建模過程，同時利用電路理論中的畢奧-薩伐爾定律推導出發射線圈與接收線圈間的互感。進一步考慮到有相當比例的本課程學生為自動化或電氣自動化等相關專業學生，結合這一特點，進一步延伸介紹了如何基于所建立的線性化參數時變模型設計狀態反饋控制器，以優化移動無線充電過程的動態和穩態性能[6-8]。通過本次介紹，有力展示了基礎電工技術理論如何與既有的信號變換和控制理論相結合以解決前沿工程中新問題，拓展學生的知識面，激發學習積極性和創新意識。

（二）增加實驗展示環節。構建了移動無線充電實驗平臺以驗證所建模型有效性。實驗平臺主要包括：功率分析儀、數字源表、電流直接輸入單元、電子負載、無線發射端和接收端以及移動實驗臺架等組件。同時借此機會也講授功率分析儀、數字電表等常用儀表的使用方法，以及展示如何在實驗中驗證理論結果，發現理論結果的不足之處并設計相應解決方案。

三、教學效果分析

通過為連續兩屆本科生電工技術課程中增加對車用移動無線充電系統建模與分析介紹、以及實驗平臺展示，在以下兩個方面取得了較好的教學效果：

（一）將學科前沿研究納入基礎課程教學。通過上述引入無線充電系統的相關知識，使得電工技術課程教學不僅僅局限于傳授課程大綱中的基礎知識，還將前沿研究內容融入本科教學，展示了從基礎理論學習到科學研究的連貫過程，增強了學生對理論知識的學習熱情。例如，將無線充電系統的相關知識引入《電工技術》課程，不僅拓寬了課程的知識視野，還增強了課程的現實意義。無線充電作為近年來電力工程與電子技術領域的重要突破之一，已經廣泛應用于智能手機、電動汽車等設備的充電系統中，涉及電磁場、諧振、電能傳輸等復雜的工程技術問題。通過將這一前沿技術引入到課程中，學生能夠在學習傳統的電路分析、交流電機等基礎內容的同時，了解無線充電系統的工作原理、技術難點以及應用場景，從而激發他們對課程內容的興趣和學習熱情。通過將基礎理論教學與科學研究前沿緊密結合，展示了基礎理論知識在實踐應用中的重要性，加深對學生所學內容的理解和記憶，為學生提供了在真實場景中解決問題和進行創新思維的機會，培養了解決復雜問題所需的基礎能力。

（二）通過增加理論結果的驗證環節，加深了學生對理論與實踐緊密結合必要性的認識。實驗是驗證理論知識和理論結果準確性的有效途徑。通過實驗驗證，不僅能夠培養學生解決問題和創新思維的能力，還能夠顯著激發學習的興趣[9-12]。通過增加對移動無線充電系統數學建模和實驗驗證的介紹，有效加深了對電路基礎理論的理解，極大地增強了學習投入度和學習效果，顯著改善學習成績和長期的學習動機。

四、結語

本文介紹了通過將電工技術基礎知識、信號處理理論以及自動控制相關理論相結合，以移動無線充電系統的建模與分析這一前沿研究為載體，構建產學研三位一體的電工技術新型課程體系。這一教學改革探索，不僅僅是課程內容的簡單更新，而是教育發展理念的轉變。通過在教學中引入前沿科技，可以更好地激發學習興趣，有助于培養既能迅速解決企業技術問題，又能運用理論知識進行獨立探索的復合型本科人才。

教育部產學研合作協同育人項目（202102058009）。

參考文獻

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[2] 李建海，王成剛，王晶，張大為.《電工技術》課程理實一體化教學改革研究[J].中國電力教育，2021，（12）：74-75.

[3] 付暉.信息化時代下電工電子技術的發展研究[J].科技風，2022（1）：56-58.

[4] 張鐳.《電工電子技術》課程“教學做”一體化教學模式的研究[J].現代教育與實踐，2024，6（3）：222-224.

[5] 馬精慧，宋楊.基于線性變參數模型的汽車移動無線充電系統研究，電子測量技術，2018，41（4）， 16-23.

[6] 張迎輝，張仁醒.高職教育中技能實訓模式的比較、研究與創新實踐[J].黑龍江高教研究會，2008（11）：92-94.

責編 / 馬銘陽