《工程電路分析基礎》新形態(tài)應用型教材建設

齊 超 劉洪臣 周 學 楊春玲 于艷君

(哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院， 哈爾濱 150001)

2017年2月，教育部啟動新工科建設，先后發(fā)出了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”的動員令，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索助力高等教育強國建設中國模式、中國經(jīng)驗。一系列舉措，標志著我國高等工程教育邁進新時代，培養(yǎng)高層次應用型人才是新形勢下普通高等教育堅定不移的培養(yǎng)目標，電氣、電子、信息和自動化等電類專業(yè)是我國高等工程教育的重要組成部分，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，這些專業(yè)在智能制造、能源互聯(lián)網(wǎng)、機器人等領域?qū)l(fā)揮重要作用，這也對相應人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[1]。為了適應我國電類專業(yè)的教學改革與發(fā)展，高等工程教育應進一步強化學生工程應用能力的培養(yǎng)，以便更加適應社會對高層次應用人才的需求。而以“學生”為中心、以“實踐”為特色的工程技術類專業(yè)教材建設是培養(yǎng)高層次應用型人才的基本保證。為電氣、電子、信息和自動化等電類專業(yè)教學提供優(yōu)質(zhì)、適用的工程應用型教材及配套數(shù)字媒體資源和服務，我院課程團隊對此進行了有益的探索與實踐。

1 應用型“電路”教材建設必要性

“電路”課程是高等院校工科電氣、電子、信息和自動化等電類專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎課。它是培養(yǎng)學生掌握現(xiàn)代電路基本理論，學習和理解各專業(yè)其它課程的入門課，教材編寫得是否合適，能不能引導學生對相關專業(yè)產(chǎn)生濃厚興趣，為后續(xù)學習和將來實際應用奠定扎實的電路理論和實踐基礎起著重要的作用。根據(jù)國家教委頒布的《高等學校電路課程教學基本要求》，近年來，各出版社出版了多種《電路分析》教材，這些教材的特點大多適用于國內(nèi)一流本科高校。但隨著大眾化的高等教育發(fā)展，非重點應用型普通高校或重點高校下設的獨立學院日益增多，培養(yǎng)的學生主要是面向現(xiàn)代社會建設、生產(chǎn)、管理、服務等一線崗位，要求畢業(yè)后能夠直接從事實際工作、解決具體工程問題、維持工作有效運行的面向工程的應用型人才。目前，這些院校使用的教材多數(shù)是對現(xiàn)有適用于重點高校本科教材的翻版，只是對部分章節(jié)和內(nèi)容進行了刪刪減減，或問題分析簡單化，其應用性和針對性不夠突出，難以達到因材施教的目的[2-3]。

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》鼓勵教師利用信息技術提升教學水平、創(chuàng)新教學模式，利用翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學等多種方式有效使用數(shù)字教學資源，推進優(yōu)質(zhì)資源共建共享[4-6]。我院課程團隊建成了首批國家級線上一流課程，其中的“電路分析”課程組多名教師都有應用型院校教學實踐經(jīng)驗，遵照電路理論體系的知識框架，又針對工程應用型院校人才培養(yǎng)目標，精心設計教學內(nèi)容，科學安排知識結構，采取紙質(zhì)與數(shù)字化資源相結合的形式，編寫了《工程電路分析基礎(第2版)》新形態(tài)教材。該教材編寫的目標是使該書基本理論實用，基礎知識夠用，分析方法好用，仿真軟件會用，實踐設計管用，專業(yè)技能適用，圍繞工程背景講授電路理論且聯(lián)系實際應用，書稿和數(shù)字媒體資源已交高等教育出版社等待出版。

2 工程電路分析新形態(tài)教材探討

2.1 課程思政融入新形態(tài)教材

為全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，2021年7月教育部國教材 [2021]2號文件公布了《習近平新時代中國特色社會主義思想進課程教材指南》，要求大學階段以系統(tǒng)學習和理論闡釋的方式，運用理論與實踐、歷史與現(xiàn)實相結合的方法，引導學生全面深入地理解思想理論體系、內(nèi)在邏輯、精神實質(zhì)和重大意義。這也正是2016年12月習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上，對我國高等教育發(fā)展提出的新要求：把思想政治工作貫穿教育教學全過程，各類課程與思想政治課要同向同行，形成協(xié)同效應。

如果我們工科教師將自己理解的馬克思主義基本立場、觀點方法和習近平新時代中國特色社會主義思想直接寫進紙質(zhì)版專業(yè)教材，還是顯得比較突兀。而借助于數(shù)字媒體新形態(tài)教材，學生可以通過掃描書本相應位置的二維碼，就可以鏈接到對應的MOOC視頻觀看教師語言輕松、通俗易懂的講解和闡述，自然且潛移默化地對學生進行價值引領。比如緒論提到美國發(fā)明家愛迪生研究燈泡的故事，他為此紀錄了多達4萬頁的筆記，試驗了1600多種材料，經(jīng)過堅韌不拔地探索，終于將直流電成功付之實際應用，這故事潤物細無聲地傳遞給學生：榜樣的力量、工匠精神的追求。再如1888年，特斯拉成功地建成了一套交流電力傳送系統(tǒng)，并于1893年，將交流電成功應用于芝加哥世界博覽會的照明工程，自此開啟了交流電應用的新篇章。這個故事使學生們情不自禁地滋生對科學事業(yè)的熱愛，秉承創(chuàng)新思維，從中感受到科學偉人的家國情懷。

2.2 應用型教材基本內(nèi)容

面向工程教育的應用型教材要有效聯(lián)系工程實際，考慮學生樂于接受形象有趣的事物，所以引入的工程示例應在學生的理解范圍之內(nèi)且具有生動性。我們編寫的《工程電路分析基礎》就體現(xiàn)了這點。教材涵蓋了電路分析中的直流、暫態(tài)和交流三大部分共計10章。對原有課程教材進行了改進，即第1章基爾霍夫定律及電路元件，介紹了對全書集中參數(shù)電路均適用的兩大基本定律和電路分析經(jīng)常用到的元件特性，引入了多量程電壓表和電流表工程應用示例；第2章線性直流電路分析和第3章電路定理，分別從網(wǎng)絡方程和等效變換角度分析電路問題，引入了惠斯通電橋測電阻和光伏發(fā)電最大功率點跟蹤工程應用示例；第4章運算放大器，對應用于電子技術領域的典型基本運放電路進行分析，這章是在實際應用中正確使用運算放大器的重要基礎，引入了儀表放大器工程應用示例；第5章暫態(tài)電路時域分析，介紹了電路發(fā)生換路時從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程，引入了汽車點火等效電路和閃光燈簡化電路工程應用示例；第6章正弦電路分析基礎和第7章交變電路分析及功率，是對直流電路分析方法的拓展，同時培養(yǎng)學生通過變換域簡化實際問題的思維方式，分別引入了交流電橋、RC濾波器用于前置放大電路、移相/選頻電路及工頻交流耐壓試驗等工程應用示例；第8章濾波電路和諧振現(xiàn)象及第9章三相電路，側重于對6、7章正弦電路理論部分的實際應用，分別引入了無線電能傳輸電路、接收機輸入電路、安全用電及相序辨識器等工程應用示例；第10章二端口網(wǎng)絡，從外部電氣特性角度對在實際工程中起傳輸、變換和控制的二端口電路模型進行必要的講解和簡單的設計，引入了LC階梯網(wǎng)絡綜合、負阻抗變換器及阻抗匹配網(wǎng)絡等工程應用示例。

《工程電路分析基礎(第2版)》新形態(tài)教材融入了中國大學MOOC相應視頻，增加了部分與日常生活相關或與工程實際接近的習題，增加附錄，補充了計算機仿真軟件Multisim簡介和應用示例。聯(lián)系工程實際是面向工程教育教材不可缺少的內(nèi)容，可以培養(yǎng)學生的價值觀、工程觀，加強對課程的親和力，提高解決實際工程問題的能力。

2.3 工程應用示例與知識點的對應

結合應用型教材建設思想，面向工程教育，從理論聯(lián)系實際出發(fā)，表1總結了教材《工程電路分析基礎》中對應電路知識點的工程應用示例，當然教師可以根據(jù)情況因材施教。整本書降低了電路理論難度，各章、節(jié)增加了工程實際應用內(nèi)容分析和介紹。應用型教材精編和精選的例題也要考慮具有典型性、實用性、理論實踐一體性。編寫以“實用、夠用、好用、會用、管用、適用”為原則，以教師好講，學生好學為宗旨，達到讓學生費力少、理解深、用處大且應用多的成效?？紤]到目前的應用型本科院校缺乏既能教授學生理論知識又能傳授學生實踐技能的“雙能型”教師，僅僅依靠校內(nèi)教師，教材的實用性無法得到保證。參加本書編寫的不但有一流本校教師，還吸收了其他著名應用型本科院校教師和國網(wǎng)電力有限公司培訓部“雙能型”教師，注重校企合作，保證了教材建設理論結合工程實際的實用性。借助數(shù)字媒體，在知識傳授同時也潤物細無聲地對學生進行價值引領和能力培養(yǎng)。

3 工程應用示例

下面通過光伏發(fā)電最大功率點跟蹤和無線電能傳輸兩個具體示例，說明在應用型教材建設中如何理論聯(lián)系實際以解決工程問題。在信號傳輸和處理電路中，電源一般是對外提供能量的，負載吸收電源發(fā)出的能量，讓負載從電源獲得盡可能大的功率是很有實際意義的。光伏發(fā)電最大功率點跟蹤(MPPT)就應用了電路中的最大功率傳輸定理。

光伏電池是光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件，它是以半導體 P-N 結的光伏效應為基礎的。光照強度、環(huán)境溫度等外部因素都會對光伏電池的性能指標產(chǎn)生影響，光伏電池的等效電路模型如圖1所示，恒流源Ipv代表光生電流，二極管D模擬的是光伏電池內(nèi)部P-N結。光伏電池的輸出特性如圖2所示。它表明：光伏電池既不是恒流源，也不是恒壓源，不能為負載提供任意大的功率，具有非線性。但從圖2(a)中可見，當光伏電池輸出電壓較小時，輸出電流隨電壓的變化較小，可將光伏電池當成一個恒流源；當電壓足夠高，超過一定值后，輸出電流就會急劇下降至零，此時可將光伏電池當成一個恒壓源。也就是說，在此過程中，光伏電池的輸出功率隨著輸出電壓的增大先上升后下降，存在一個輸出功率最大點，如圖2(b)所示。

表1 對應電路知識點的工程應用示例

圖1 光伏電池的等效電路模型

(a) 不同溫度下的I-V曲線

(b) 不同溫度下的P-V曲線圖2 光伏電池輸出特性

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)其工作原理，可以將非線性的光伏電池看作是線性電路，用戴維南電路來等效。根據(jù)最大功率傳輸定理，當光伏電池外接電路電阻與戴維南等效電阻相等時，可得到最大輸出功率。但是由于光照強度、電池溫度以及外接負載等因素的影響，會導致其內(nèi)阻值發(fā)生變化，因此通過在光伏電池與負載間連接一個DC-DC變換器，通過調(diào)節(jié)DC-DC變換器的占空比來改變等效負載值，即等效外接負載值隨DC-DC變換器調(diào)節(jié)而變化，當?shù)刃щ娮鑂L等于光伏電池最大功率點處戴維南等效電阻RS時就實現(xiàn)了 MPPT功能，如圖3所示。這樣就把電路理論中比較重要的最大功率傳輸定理應用于解決工程實際問題，以此例激勵學生探索科學知識的積極性。

圖3 獲得最大功率原理圖

再列舉一個當今研究熱點-無線電能傳輸技術(WPT)，電磁耦合諧振式傳輸系統(tǒng)就是基于電路分析中互感耦合和電路諧振理論的應用，如圖4所示。

圖4 無線電能傳輸系統(tǒng)

因變壓器激勵工作頻率越高，原、副邊的電磁耦合越強。首先ui工頻交流電經(jīng)整流且逆變?yōu)楦哳l交流電供給初級回路，根據(jù)電磁感應定律，次級線圈產(chǎn)生感應電動勢，為負載提供電能，實現(xiàn)電能無線傳輸。但在這種大氣隙下的能量傳輸過程中變壓器漏感較大，使得傳輸有功功率降低，不能忽略。為了減小系統(tǒng)無功功率，一般在初級回路和次級回路上進行串聯(lián)或并聯(lián)電容補償，達到諧振以提高輸出功率和系統(tǒng)傳輸效率。初級和次級回路分別進行串聯(lián)諧振補償拓撲(SS) ，如圖5所示。

圖5 SS諧振補償電路

考慮到系統(tǒng)工作在高頻模式，線圈的寄生電阻和電容不可忽略。圖5中up表示整流逆變電路輸出的高頻交流電源，RP、RS分別對應線圈LP、LS的寄生電阻，而寄生電容分別包含在串聯(lián)諧振補償電容CP和CS中。下面分析SS電路模型通過最大功率傳輸計算初級諧振補償電容。對初級和次級回路分別列寫KVL方程

令ZP=RP+j(ωLP-1/ωCP),ZS=RS+j(ωLS-1/ωCS)+RL分別表示初級和次級回路阻抗，得兩個回路電流分別為

可見初級和次級電流不僅與本級回路阻抗有關，還與對級阻抗有關。令ZPS=(ωM)2/ZS表示次級回路阻抗對初級等效阻抗的影響，稱為次級對初級的引入阻抗；同理，初級對次級的引入阻抗記為ZSP=(ωM)2/ZP。因變壓器不吸收有功功率，故初級線圈傳遞到次級線圈的功率為

(2)

圖6 初級回路等效電路

由圖6可見，整個無線電能傳輸系統(tǒng)的等效負載阻抗為

Zeq=RP+RSL=RP+(ωM)2/(RS+RL)

這樣從高頻交流電源uP看負載相當于純電阻電路。

4 結語

面向國際、面向未來、面向技術發(fā)展變革，國家需要高素質(zhì)應用型的創(chuàng)新工程人才。相應教材的編寫應體現(xiàn)工程背景，注重前沿技術發(fā)展以及交叉

學科領域知識的補充，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力以及工程實踐能力；同時，強化工科學生的家國情懷、生態(tài)意識、工程倫理意識。團隊在應用型教材建設過程中，依托高等教育出版社中國大學MOOC平臺，已推出自建的兩門國家級線上一流課程，和2016年高教社已出版的全國教育科學“十一五”規(guī)劃課題研究成果教材《工程電路分析基礎》，組成編寫的新形態(tài)應用型教材。這些教材注重課程、教材、配套資源融合使用的一體化設計；融入課程思政內(nèi)涵，考慮科學成果最新突破、學術研究最新進展；充實新的知識點內(nèi)容，高度提煉能力點。以嵌入二維碼的紙質(zhì)教材為載體，融入影視、音頻、作業(yè)、試卷、拓展、主題討論等數(shù)字資源，實現(xiàn)“從理論到實踐，從實體到網(wǎng)絡”線上線下交互融合的教材新形態(tài)。引導學生提升應用理論解決工程實際問題的能力，激發(fā)學生研究學術、探求科學奧秘的熱情。