齊 超 劉洪臣 周 學(xué) 楊春玲 于艷君

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院， 哈爾濱 150001)

2017年2月，教育部啟動(dòng)新工科建設(shè)，先后發(fā)出了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”的動(dòng)員令，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)。一系列舉措，標(biāo)志著我國高等工程教育邁進(jìn)新時(shí)代，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才是新形勢(shì)下普通高等教育堅(jiān)定不移的培養(yǎng)目標(biāo)，電氣、電子、信息和自動(dòng)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(jì)的發(fā)展，這些專業(yè)在智能制造、能源互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，這也對(duì)相應(yīng)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[1]。為了適應(yīng)我國電類專業(yè)的教學(xué)改革與發(fā)展，高等工程教育應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以便更加適應(yīng)社會(huì)對(duì)高層次應(yīng)用人才的需求。而以“學(xué)生”為中心、以“實(shí)踐”為特色的工程技術(shù)類專業(yè)教材建設(shè)是培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才的基本保證。為電氣、電子、信息和自動(dòng)化等電類專業(yè)教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)、適用的工程應(yīng)用型教材及配套數(shù)字媒體資源和服務(wù)，我院課程團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。

1 應(yīng)用型“電路”教材建設(shè)必要性

“電路”課程是高等院校工科電氣、電子、信息和自動(dòng)化等電類專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。它是培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代電路基本理論，學(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)產(chǎn)生濃厚興趣，為后續(xù)學(xué)習(xí)和將來實(shí)際應(yīng)用奠定扎實(shí)的電路理論和實(shí)踐基礎(chǔ)起著重要的作用。根據(jù)國家教委頒布的《高等學(xué)校電路課程教學(xué)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(diǎn)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(diǎn)應(yīng)用型普通高?；蛑攸c(diǎn)高校下設(shè)的獨(dú)立學(xué)院日益增多，培養(yǎng)的學(xué)生主要是面向現(xiàn)代社會(huì)建設(shè)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等一線崗位，要求畢業(yè)后能夠直接從事實(shí)際工作、解決具體工程問題、維持工作有效運(yùn)行的面向工程的應(yīng)用型人才。目前，這些院校使用的教材多數(shù)是對(duì)現(xiàn)有適用于重點(diǎn)高校本科教材的翻版，只是對(duì)部分章節(jié)和內(nèi)容進(jìn)行了刪刪減減，或問題分析簡單化，其應(yīng)用性和針對(duì)性不夠突出，難以達(dá)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(lì)教師利用信息技術(shù)提升教學(xué)水平、創(chuàng)新教學(xué)模式，利用翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等多種方式有效使用數(shù)字教學(xué)資源，推進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源共建共享[4-6]。我院課程團(tuán)隊(duì)建成了首批國家級(jí)線上一流課程，其中的“電路分析”課程組多名教師都有應(yīng)用型院校教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵照電路理論體系的知識(shí)框架，又針對(duì)工程應(yīng)用型院校人才培養(yǎng)目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)安排知識(shí)結(jié)構(gòu)，采取紙質(zhì)與數(shù)字化資源相結(jié)合的形式，編寫了《工程電路分析基礎(chǔ)(第2版)》新形態(tài)教材。該教材編寫的目標(biāo)是使該書基本理論實(shí)用，基礎(chǔ)知識(shí)夠用，分析方法好用，仿真軟件會(huì)用，實(shí)踐設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)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(shí)立德樹人根本任務(wù)，2021年7月教育部國教材 [2021]2號(hào)文件公布了《習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想進(jìn)課程教材指南》，要求大學(xué)階段以系統(tǒng)學(xué)習(xí)和理論闡釋的方式，運(yùn)用理論與實(shí)踐、歷史與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的方法，引導(dǎo)學(xué)生全面深入地理解思想理論體系、內(nèi)在邏輯、精神實(shí)質(zhì)和重大意義。這也正是2016年12月習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上，對(duì)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(xué)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(yīng)。

如果我們工科教師將自己理解的馬克思主義基本立場(chǎng)、觀點(diǎn)方法和習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想直接寫進(jìn)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(xué)生可以通過掃描書本相應(yīng)位置的二維碼，就可以鏈接到對(duì)應(yīng)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(duì)學(xué)生進(jìn)行價(jià)值引領(lǐng)。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(jì)錄了多達(dá)4萬頁的筆記，試驗(yàn)了1600多種材料，經(jīng)過堅(jiān)韌不拔地探索，終于將直流電成功付之實(shí)際應(yīng)用，這故事潤物細(xì)無聲地傳遞給學(xué)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(yīng)用于芝加哥世界博覽會(huì)的照明工程，自此開啟了交流電應(yīng)用的新篇章。這個(gè)故事使學(xué)生們情不自禁地滋生對(duì)科學(xué)事業(yè)的熱愛，秉承創(chuàng)新思維，從中感受到科學(xué)偉人的家國情懷。

2.2 應(yīng)用型教材基本內(nèi)容

面向工程教育的應(yīng)用型教材要有效聯(lián)系工程實(shí)際，考慮學(xué)生樂于接受形象有趣的事物，所以引入的工程示例應(yīng)在學(xué)生的理解范圍之內(nèi)且具有生動(dòng)性。我們編寫的《工程電路分析基礎(chǔ)》就體現(xiàn)了這點(diǎn)。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(jì)10章。對(duì)原有課程教材進(jìn)行了改進(jìn)，即第1章基爾霍夫定律及電路元件，介紹了對(duì)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(yīng)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(luò)方程和等效變換角度分析電路問題，引入了惠斯通電橋測(cè)電阻和光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤工程應(yīng)用示例；第4章運(yùn)算放大器，對(duì)應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域的典型基本運(yùn)放電路進(jìn)行分析，這章是在實(shí)際應(yīng)用中正確使用運(yùn)算放大器的重要基礎(chǔ)，引入了儀表放大器工程應(yīng)用示例；第5章暫態(tài)電路時(shí)域分析，介紹了電路發(fā)生換路時(shí)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過渡過程，引入了汽車點(diǎn)火等效電路和閃光燈簡化電路工程應(yīng)用示例；第6章正弦電路分析基礎(chǔ)和第7章交變電路分析及功率，是對(duì)直流電路分析方法的拓展，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生通過變換域簡化實(shí)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(yàn)等工程應(yīng)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(cè)重于對(duì)6、7章正弦電路理論部分的實(shí)際應(yīng)用，分別引入了無線電能傳輸電路、接收機(jī)輸入電路、安全用電及相序辨識(shí)器等工程應(yīng)用示例；第10章二端口網(wǎng)絡(luò)，從外部電氣特性角度對(duì)在實(shí)際工程中起傳輸、變換和控制的二端口電路模型進(jìn)行必要的講解和簡單的設(shè)計(jì)，引入了LC階梯網(wǎng)絡(luò)綜合、負(fù)阻抗變換器及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等工程應(yīng)用示例。

《工程電路分析基礎(chǔ)(第2版)》新形態(tài)教材融入了中國大學(xué)MOOC相應(yīng)視頻，增加了部分與日常生活相關(guān)或與工程實(shí)際接近的習(xí)題，增加附錄，補(bǔ)充了計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim簡介和應(yīng)用示例。聯(lián)系工程實(shí)際是面向工程教育教材不可缺少的內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生的價(jià)值觀、工程觀，加強(qiáng)對(duì)課程的親和力，提高解決實(shí)際工程問題的能力。

2.3 工程應(yīng)用示例與知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)

結(jié)合應(yīng)用型教材建設(shè)思想，面向工程教育，從理論聯(lián)系實(shí)際出發(fā)，表1總結(jié)了教材《工程電路分析基礎(chǔ)》中對(duì)應(yīng)電路知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用示例，當(dāng)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(shí)際應(yīng)用內(nèi)容分析和介紹。應(yīng)用型教材精編和精選的例題也要考慮具有典型性、實(shí)用性、理論實(shí)踐一體性。編寫以“實(shí)用、夠用、好用、會(huì)用、管用、適用”為原則，以教師好講，學(xué)生好學(xué)為宗旨，達(dá)到讓學(xué)生費(fèi)力少、理解深、用處大且應(yīng)用多的成效?？紤]到目前的應(yīng)用型本科院校缺乏既能教授學(xué)生理論知識(shí)又能傳授學(xué)生實(shí)踐技能的“雙能型”教師，僅僅依靠校內(nèi)教師，教材的實(shí)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(yīng)用型本科院校教師和國網(wǎng)電力有限公司培訓(xùn)部“雙能型”教師，注重校企合作，保證了教材建設(shè)理論結(jié)合工程實(shí)際的實(shí)用性。借助數(shù)字媒體，在知識(shí)傳授同時(shí)也潤物細(xì)無聲地對(duì)學(xué)生進(jìn)行價(jià)值引領(lǐng)和能力培養(yǎng)。

3 工程應(yīng)用示例

下面通過光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤和無線電能傳輸兩個(gè)具體示例，說明在應(yīng)用型教材建設(shè)中如何理論聯(lián)系實(shí)際以解決工程問題。在信號(hào)傳輸和處理電路中，電源一般是對(duì)外提供能量的，負(fù)載吸收電源發(fā)出的能量，讓負(fù)載從電源獲得盡可能大的功率是很有實(shí)際意義的。光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)就應(yīng)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(dǎo)體 P-N 結(jié)的光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的。光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外部因素都會(huì)對(duì)光伏電池的性能指標(biāo)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(jié)。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(fù)載提供任意大的功率，具有非線性。但從圖2(a)中可見，當(dāng)光伏電池輸出電壓較小時(shí)，輸出電流隨電壓的變化較小，可將光伏電池當(dāng)成一個(gè)恒流源；當(dāng)電壓足夠高，超過一定值后，輸出電流就會(huì)急劇下降至零，此時(shí)可將光伏電池當(dāng)成一個(gè)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(gè)輸出功率最大點(diǎn)，如圖2(b)所示。

表1 對(duì)應(yīng)電路知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)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(dāng)光伏電池外接電路電阻與戴維南等效電阻相等時(shí)，可得到最大輸出功率。但是由于光照強(qiáng)度、電池溫度以及外接負(fù)載等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)阻值發(fā)生變化，因此通過在光伏電池與負(fù)載間連接一個(gè)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(fù)載值，即等效外接負(fù)載值隨DC-DC變換器調(diào)節(jié)而變化，當(dāng)?shù)刃щ娮鑂L等于光伏電池最大功率點(diǎn)處戴維南等效電阻RS時(shí)就實(shí)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(yīng)用于解決工程實(shí)際問題，以此例激勵(lì)學(xué)生探索科學(xué)知識(shí)的積極性。

圖3 獲得最大功率原理圖

再列舉一個(gè)當(dāng)今研究熱點(diǎn)-無線電能傳輸技術(shù)(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(yīng)用，如圖4所示。

圖4 無線電能傳輸系統(tǒng)

因變壓器激勵(lì)工作頻率越高，原、副邊的電磁耦合越強(qiáng)。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(jí)回路，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為負(fù)載提供電能，實(shí)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(jí)回路和次級(jí)回路上進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)電容補(bǔ)償，達(dá)到諧振以提高輸出功率和系統(tǒng)傳輸效率。初級(jí)和次級(jí)回路分別進(jìn)行串聯(lián)諧振補(bǔ)償拓?fù)?SS) ，如圖5所示。

圖5 SS諧振補(bǔ)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(duì)應(yīng)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(bǔ)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(jì)算初級(jí)諧振補(bǔ)償電容。對(duì)初級(jí)和次級(jí)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(jí)和次級(jí)回路阻抗，得兩個(gè)回路電流分別為

可見初級(jí)和次級(jí)電流不僅與本級(jí)回路阻抗有關(guān)，還與對(duì)級(jí)阻抗有關(guān)。令ZPS=(ωM)2/ZS表示次級(jí)回路阻抗對(duì)初級(jí)等效阻抗的影響，稱為次級(jí)對(duì)初級(jí)的引入阻抗；同理，初級(jí)對(duì)次級(jí)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(jí)線圈傳遞到次級(jí)線圈的功率為

(2)

圖6 初級(jí)回路等效電路

由圖6可見，整個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)的等效負(fù)載阻抗為

Zeq=RP+RSL=RP+(ωM)2/(RS+RL)

這樣從高頻交流電源uP看負(fù)載相當(dāng)于純電阻電路。

4 結(jié)語

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

學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的補(bǔ)充，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力以及工程實(shí)踐能力；同時(shí)，強(qiáng)化工科學(xué)生的家國情懷、生態(tài)意識(shí)、工程倫理意識(shí)。團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用型教材建設(shè)過程中，依托高等教育出版社中國大學(xué)MOOC平臺(tái)，已推出自建的兩門國家級(jí)線上一流課程，和2016年高教社已出版的全國教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題研究成果教材《工程電路分析基礎(chǔ)》，組成編寫的新形態(tài)應(yīng)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(shè)計(jì)；融入課程思政內(nèi)涵，考慮科學(xué)成果最新突破、學(xué)術(shù)研究最新進(jìn)展；充實(shí)新的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，高度提煉能力點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)“從理論到實(shí)踐，從實(shí)體到網(wǎng)絡(luò)”線上線下交互融合的教材新形態(tài)。引導(dǎo)學(xué)生提升應(yīng)用理論解決工程實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生研究學(xué)術(shù)、探求科學(xué)奧秘的熱情。