电工学教学设计

电工学教学设计

一、基本描述

课程名称：电工技术（电工学Ⅰ）、电子技术（电工学Ⅱ）

课程编码：T1020000、T1020010

英文名称：Electro Technology、Electronics Technology

开课单位：信息与电气工程学院电工电子教研室

学时学分：电工技术，总74学时（4.5学分），授课62学时，实验12学时电子技术，总74学时（4.5学分），授课62学时，实验12学时

授课对象：汽车、材料、船舶、土木等专业本科生

二、课程体系、课程内容

电工学课程是高等工科院校中非电类专业的一门主干电技术基础课程。在教学过程中综合运用线性代数、微积分、微分方程等先修课程中所学到的有关知识与技能，结合各种实践教学环节，进行多种教学活动，使学生获得电路、电机与电机控制、模拟电子技术、数字电子技术的基本理论、基本知识和基本技能，为学生进一步学习自动控制原理、微型计算机接口技术等后续电类课程和日后从事专业工作打下坚实的基础，因此本课程在非电类专业的本科教学中具有极其重要的地位和作用。

立足于技术基础课为专业课服务的思想，结合电工电子科技的发展和相关专业对电工学课程内容的需求，从课程的总体结构优化的角度出发，对电工学的教学内容加以整合，既注重基础又考虑到应用，即要有一定的理论深度又要有足够的实践环节，做到点面结合，相辅相成，使课程内容体系做到系统性、科学性、先进性、启发性和实用性的完美统一。

电工学课程从结构体系上分为理论教学和实验教学两个方面。内容上以电工技术和电子技术两部分来体现。对于理论教学，分为电工技术和电子技术：1．电工技术

电工技术主要以电路分析和电动机及其控制为主，具体分为直流电路、单相正弦交流电路、三相正弦交流电路、电路的过渡过程等内容，电动机及其控制部分主要分为电动机的工作原理、电动机的使用、电动机的继电器接触器控制和PLC控制内容，其结构框图如图1所示。

2．电子技术

电子技术分为模拟电子技术和数字电子技术两部分内容：模拟电子技术包括常用半导体器件、基本放大电路、多级放大电路、功率放大电路、集成运算放大电路、放大电路的频率响应、放大电路中的反馈、信号的运算和处理、信号的产生和信号的变换、直流电源、应用举例等，同时对电子电路计算机辅助分析和设计软件进行了简介。数字电子技术包括逻辑代数、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、存储器、可编程逻辑电路、脉冲的产生和整形、模/数和数/模转换电路、应用举例等。结构框图如图2所示。

对于理论课的每一部分均配有足够的例题、课后配有大量的思考题和习题。

对于电工技术和电子技术的实践教学，分成以下三个层面：

1．理论的验证以及基本实验技能能力的培养

在这一层面里，实验的内容是对课堂教学所学的一些内容进行实验验证。通过实验巩固并加深理解电工学的基本理论，初步掌握常用的电工仪表、电子仪器及常用电器、电机等设备的使用方法。能按预定的实验要求安排和操作基本的电工、电子实验，能准确地读取实验数据，测绘波形和曲线，分析实验结果，写出合乎要求的实验报告。

2．提高动手能力和综合用电技术能力的培养

在这一层面里，实验的内容是综合本课程所学的教学内容，要求学生完成有一定内容深度和工作量的综合型和设计型的实验项目。实验室给出课题要求和所能提供的物质条件。同学据此从查资料、选择元器件、构思实验步骤，再到调试电路，直到课题的完成，均独立进行。实验室只负责验收。这样的实验，增强了学生的实验兴趣，调动了学生的主动参与性和加强了实践能力的培养。

3．掌握高新技术实践能力的培养

学生应利用实验室的有利条件，尽可能多地了解和掌握高新技术，像可编程控制器、变频器、可编程逻辑器件、计算机仿真技术等，这样在以后的技术工作中，具有更多的本领、更高的能力、更强的竞争力。

无论是电工技术还是电子技术都是注重先基础后应用的原则，即注重基本功的训练，也注重应用能力的培养。因此，学习电工学课程对非电类学生掌握用电知识和培养用电技能是一种非常有效的途径，同时在教学过程中对学生创新思想和创新意识的影响，在提高学生的总体素质起着重要的作用。

图1 电工技术的结构框图

三、教材分析

电工技术（电工学Ⅰ）和电子技术（电工学Ⅱ）一直采用秦曾煌教授编写的《电工学》教材（高教出版社），该教材从1962年第一版到2009年的第七版，源远流长，长盛不衰。先后获得省教学成果一等奖、全国教材优秀奖、国家教学

成果二等奖、国家科学进步三等奖等奖项。目前采用第七版教材，

图2 电子技术的结构框图

被列为“十二五”规划教材。该教材对基本理论、基本定律、基本概念及基本 分析方法作出了详尽的阐述，并通过实例、例题和习题来说明理论的实际应用，以加深学生对理论的掌握和理解，以及了解电工技术的发展与生产发展之间的密切关系。突出基础性、应用性和先进性。与电工学课程配套的实验教材是《电工电子实践教程》（马秀娟主编），哈尔滨工业大学出版社出版。该教材实验过程叙述详略得当，包括基础性实验、综合性实验、设计性实验和一部分研究性实验。在近几年的使用中收到了良好的教学效果。

教材应该唯一，但教师和学生的参考书应该有多种。教师不应只按一本教材授课。只有这样，才能博采众家之长，才能做到融会贯通。

电工学是一门传统的学科，国内较好、较新的教材很多。如：王卫主编的电工学（上）（电工技术）、杨世彦主编的电工学（中）（电子技术）和吴建强主编的电工学（下）（现代传动及其控制技术），是21世纪普通高等教育规划教材，该套教材注重系统性、实用性和先进性，是用以满足机电类学科人才培养需要的多学时电工学教材；段云生主编的《电工电子技术与EDA 基础》突出EDA 技术，帮助学生利用计算机和仿真软件对电路进行仿真分析。这些教材具有各自的特点都可以作为参考教材。此外还有一些辅助教材如：《电工学学习辅导与习题选解》（秦曾煌主编）高教出版社；《电工学试题精解与答题技巧》（吴建强主编）哈工大出版社；《Pspice 仿真实践》

（吴建强主编）哈工大出版社；《可编程控制原理

及应用》（吴建强主编）高教出版社；《电工学新技术实践》（吴建强主编）机械工业出版社出版；《基础电子电路设计与实践》（戴伏生主编）国防工业出版社。这些教材作为电工学课程的辅助教材，在教学活动中发挥了巨大的作用，收到了很好的教学效果。

四、课堂教学设计

1.课堂授课的目标

学生一半以上的学习时间花在课堂上，教师讲课质量的好坏，学生课堂时间利用率的高低是决定教学质量的最重要的因素。课堂授课是最重要的教学环节。教师在课堂上传授知识是次要的，关键在于“授之以渔”，帮助学生建立正确的科学的思维方式，使学生有能力用已学过的知识来分析问题和解决问题，更重要的是引导学生如何发现问题，培养学生获取新知识的能力，再学习的能力和创新能力。

教师在尊重教材的基础上，应有对教材、对本门课程的独到见解，而不应把教材照搬到黑板上或课件上。只有这样，才能够吸引学生，才能够保证出勤率、抬头率，才能保证课堂效果。

2.课堂授课内容

（一）电工技术授课知识点和学时分配

第1章电路的基本概念与基本定律（4学时）

电路的作用与组成部分；电路模型；欧姆定律。

重点内容：基尔霍夫定律；电路中电位的计算；电路的有载工作状态、开路和短路。

难点内容：电压和电流的参考方向。

第2章电路的分析方法（12学时）

电阻串并联连接的等效变换；电阻星形连接与三角形连接的等效变换，非线性电阻电路的分析

重点内容：电压源和电流源及其等效变换；支路电流法；节点电压法；叠加原理。

难点内容：戴维南定理；受控电源电路的分析。

第3章电路的暂态分析（8学时）

电路的暂态、换路定律和时间常数的基本概念；RC、RL电路的零输入响应、零状态响应和全响应；微分电路和积分电路。

重点内容：一阶线性电路暂态分析的三要素法。

难点内容：换路定则与电压和电流初始值的确定。

第4章正弦交流电路（10学时）

正弦交流电的三要素；电路基本定律的相量形式和相量图；正弦交流电路瞬时功率、有功功率、无功功率和视在功率的概念；RC电路的频率特性。

重点内容：简单正弦交流电路和复杂正弦交流电路的分析方法；串联谐振和并联谐振：条件、特征、品质因数、通频带，提高功率因数的方法及其经济意义；非正弦周期电路的线性计算方法。

难点内容：相量图分析法。

第5章三相电路（4学时）

三相电源和三相负载的联接方法；三相四线制中中线的作用。

重点内容：相电压（相电流）与线电压（线电流）及其在对称三相电路中的相互关系；三相四线制电路中电源及三相负载的正确连接；对称三相交流电路电压、电流和功率的计算。

第6章磁路与铁心线圈电路（4学时）

磁路的基本概念；交直流电磁铁；变压器的基本结构、工作原理、额定值的意义、外特性及绕组的同极性端；自耦变压器和互感器。

重点内容：变压器的电压、电流、阻抗的变换作用。

第7章交流电动机（8学时）

三相异步电动机的工作原理和基本结构、转动原理、旋转磁场的产生、。

重点内容：转差率和机械特性；鼠笼式三相异步电动机的起动、反转、调速和制动方法；三相异步电动机的铭牌数据。

第10章继电接触器控制系统（4学时）

常用控制电器：自动空气断路器、组合开关、按钮、熔断器、交流接触器、行程开关、热继电器、中间继电器、时间继电器。

重点内容：鼠笼式异步电动机的直接起动和正反转控制，行程控制，顺序控制。

难点内容：断电延时时间继电器；复杂的时间控制。

第11章可编程控制器及其应用（8学时）

可编程控制器的硬件结构和各部分的作用；可编程控制器的工作方式；可编程控制器的技术性能；可编程控制器的主要功能和特点。

重点内容：可编程控制器的编程语言；可编程控制器的编程原则和方法；可编程控制器的指令系统。

难点内容：可编程控制器的应用。

（二）电子技术授课知识点和学时分配

第14章半导体器件（4 学时）

半导体器件的基本知识，半导体二极管、三极管，MOS场效晶体管，光电器件

重点内容：PN 结的单向导电特性与半导体二极管的伏安特性曲线，

难点内容：三极管的电流分配方式和电流放大作用。

第15章基本放大电路（12 学时）

交流电压放大电路的分析，放大电路中的负反馈，多级放大电路，功率放大电路，差动放大电路，场效晶体管放大电路。

重点内容：放大电路的静态和动态分析方法，微变等效电路，放大电路的动态技术指标—电压放大倍数、输入电阻、输出电阻，差动放大电路的结构、特点。

难点内容：放大电路的动态分析。

第16章集成运算放大器（8 学时）

集成运放及理想模型，集成运放的基本运算电路，集成运放的线性与非线性应用，信号的测量与处理

重点内容：集成运放的线性和非线性分析原则，虚短和虚断的概念，常用基本运算电路。

难点内容：集成运放的非线性应用。

第17章电子电路中的反馈（4 学时）

反馈的基本概念；负反馈与正反馈；负反馈与正反馈的判别方法；负反馈对放大电路工作性能的影响。

重点内容：自激振荡；正弦波振荡电路；自激振荡的相位条件和幅度条件，LC振荡电路及RC 振荡电路的选频特性

难点内容：负反馈类型的判断

第18章直流稳压电源（4 学时）

整流电路；滤波电路；直流稳压电源。

重点内容：稳压电路的各部分组成及功能。

难点内容：串联型稳压电路

第20章门电路和组合逻辑电路（10 学时）

数字电路概述，集成逻辑门电路，组合逻辑电路的分析和综合，加法器，编码器、译码器、数码显示器，可编程逻辑门阵列

重点内容：基本门电路和组合逻辑电路的逻辑功能，组合逻辑电路的分析方法。

难点内容：组合逻辑电路的设计方法。

第21章触发器和时序逻辑电路（10 学时）

双稳态触发器及逻辑功能的转换，时序逻辑电路(寄存器、计数器、分配器)，中规模集成数字电路、顺序脉冲分配器，单稳态电路，多谐振荡器，定时电路重点内容：基本触发器和时序逻辑电路的逻辑功能，时序逻辑电路的分析方法。

难点内容：时序逻辑电路的设计方法。

第23章模拟量和数字量的转换（2 学时）

A/D 转换、D/A 转换

重点内容：转换原理，技术指标。

3.课堂教学方法

“形式为内容服务，内容又决定形式”，在电工课的教学活动中，采用好的教学方法和教学手段，始终是我们追求的一贯目标。采用传统与现代相结合的教学方式，即不过分地夸大现代教学手段的作用，也不完全抛弃好的传统的教学方法，使两者相得益彰。具体的教学方法有本课程采用了传统教学方法与现代教学手段相结合的方式。教师课堂授课仍是本课程的主要教学方式，但使用了CAI 课件和EWB作为授课的辅助手段。同时，在课堂上加强采用启发式讨论式教学方法，启发学生思维，调动学生学习的主动参与意识。另外，还特别注意抓好答疑和作业批改两个课外环节。一些具体作法如下：

（1）交心式教学。从心理学的角度看，一个人对另外一个人的谈话内容的接受程度很大程度上取决于他对这个人的接受程度。消除教师与学生之间的沟通隔阂，最主要的是学生在心理上首先接受这个老师。现在的学生独生子女比较多，个性和自我意识比较强，鉴于此我们放下老师的架子，与学生进行心与心的沟通，和他们做朋友，建立起平等和谐的师生关系，以自己优良教风和高度责任感赢得学生的信任，使他们从心里上接纳自己，从而最大限度地有效地将知识、思维方式、创新精神传授给学生。

（2）激发兴趣法。学习兴趣是促使一个学生能够自主学习起决定作用的因素，老师的责任不但要求学生听下去，更重要的是使学生能够主动地听下去。在

理论讲解中穿插日常生活常见的问题，使学生同时获得理性认识和感性认识，并能在学习过程中获得解决现实问题的成就感，激发兴趣，充分调动其学习的积极性和主动性。

（3）启发式教学。针对遇到的问题，通过联想以前的内容，引导学生独立地解决问题。课堂上，要进行启发式教学，必须做到很好的“设计问题”、“引导思考”、“假设结论”、“探索求证”。学生通过启发教学可以对同一问题的不同层次上举一反三。

（4）多媒体教学。作为现代化的教学手段，多媒体在教学中发挥着其特有的优势。它可以增加课堂教学的信息量，形象的展示物体；但它并不能完全代替传统“粉笔＋黑板”的教学方法。针对电工学课程涉及内容广的特点，适当地采用多媒体和传统教学方式相结合的形式，提高讲课效果。

（5）充分利用网络资源，促进学生自主学习

学生利用网络资源进行自主学习，十分有利于自学能力的培养。在电工学授课过程中，经常安排学生上网查找技术资料。对比各种方案，是一次自主学习能力的锻炼。学生通过网络资源进行学习，解决了问题，树立了信心，培养他们独立自主学习的好习惯。

（6）EDA技术的应用。对于电工学课程中一些重要的知识点和相对抽象的内容，仅通过传统的教学手段讲授，学生不易很好领会其中的精髓，为此我们在授课中穿插了EWB仿真演示，帮助学生深入理解教学内容，增强学生学习兴趣。以EWB的学习为切入点，开拓学生的视野，使学生逐渐深入理解EDA技术，收到了很好的效果。下面是EWB应用于教学中实例。

图3（a）积分电路图4（a）微分电路

图3（b）积分电路τ不同时u2的波形图4（b）微分电路τ不同时u2的波形

在讲解微分电路和积分电路的工作原理时，我们改变以往根据理论波形分析和数学推导来得到相应结论的模式，采用EWB仿真软件，从其元器件库选取需要的器件绘制相应的电路图，从其提供的分析图仪中选取示波器观察输入与输出波形，通过观察与分析，直观的得到了输出与输入之间的关系。具体电路图和输入输出波形如图3和图4所示。

在图3(a)电路中，输入u1是占空比50%的周期矩形脉冲，输出是电容两端电压u2，通过逐渐增大电容参数C来增大时间常数τ(τ=RC)，图3(b)给出了τ=0.1 t p(t p为输入波形脉冲宽度)、0.5 t p、t p和2 t p四种不同情况的输出波形，通过观察波形变化，发现当满足时间常数τ>>t p时，输出波形是将输入波形进行积分的结果，此时电路被称为积分电路。

在图4(a)电路中，输入同样为占空比50%的周期矩形脉冲，输出为电阻两端电压u2，通过逐渐减小电容参数C来减小时间常数τ，图4(b)给出了τ=5t p、t p、0.2t p和0.05 t p四种不同情况的输出波形，得出在满足τ<

从上述微积分电路中我们感受到了EWB仿真对课堂教学的促进作用。不仅可以节省讲解时间，增加课堂的信息量，又可以直观的观察电路结构和参数的变化对电路输出的影响，加强了学生对理论内容的理解与掌握，从而提高了课堂教学效果。

许多教学内容可以利用这种方法在课堂上得到很好的解决。例如：在晶体管

放大电路的课堂教学中，可以演示当改变电路中某个元件参数时共射、共集和共基三种放大电路的静态工作点和动态性能指标的变化，从而得出影响静态工作点及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的因素；通过“示波器”观察输出可能出现的三种失真现象；通过“波特图仪”直接观察幅频特性曲线和相频特性曲线，帮助理解输入信号的频率对电压放大倍数的影响的知识难点，测得中频区电压增益和上下限截止频率。另外，模拟电子技术中的差分放大电路、负反馈放大电路、基本运算电路、滤波电路和震荡电路等；数字电子技术中的门电路、组合电路、触发电路、时序电路、A/D和D/A转换等内容借助EWB仿真都收到了很好的效果。

总之，我们对教学方法和教学手段的改革奉行形式为内容服务，传统与现代手段相结合的方针，不断探索，争取实际的良好教学效果。

五、习题教学设计

要想很好地完成电工学课程的学习，掌握各种电路的分析设计方法，必须让学生完成适量的作业，启发他们独立思考，培养他们独立地发现问题、分析问题和解决问题的能力。以“学习和研究相结合”为指导思想，作业由两部分构成：一部分为基础作业，另一部分为综合性作业。基础作业用于巩固和加深对课堂讲授的知识的理解，每一章结束，合理选择该章后面的习题，收一次作业，给出成绩，并作一次集体答疑，讲解作业中的共性问题。综合性习题用于提高能力，适时布置一些综合性、设计型题目，例如设计用晶体管电路控制电机运行电路，交通灯控制电路、抢答器电路等，使学生把学习和研究结合起来，建立一种基于研究探索的学习模式。引导学生用学过的知识解决实际问题，提高学生独立思考、自主学习和应用知识的能力，培养学生的创造力。

六、实践教学环节教学设计

实践能力与创新精神培养是素质教育的重点，是高等工科教育的主题。电工学是一门实践性很强的课程，必须配合一定的实验环节来强化理论内容，同时实验教学也是培养学生动手能力、独立分析问题和解决问题的能力必不可少的环节。针对现有实验内容的要求，我们安排了基础性、设计性、综合性实验：基础性实验：实验的内容是对课堂教学所学的一些内容进行实验验证；例如叠加定理、戴维南定理的验证。通过实验巩固并加深理解电工学的基本理论，目的主要是对学生的基本实验技能进行训练，培养学生仪器使用、电路安装调试、故障分析、数据处理等方面的基本实验方法和技能。

设计性实验：教学目标以培养学生电路设计能力为宗旨，要求学生掌握单元电路和小系统的设计能力，例如自己设计电机星三角换接起动控制电路；放大电路的设计；计数器设计等。这样的实验，增强了学生的实验兴趣，调动了学生的主动参与性和加强了实践能力的培养。

综合性实验：综合性实验的教学目标以培养学生的综合实验技能为主。实验内容涉及电动机的综合控制应用，可编程控制器及其应用，大型电路的计算机仿真实验、模拟电路和数字电路综合实验等。由于实验室条件所限，这部分实验多通过计算机仿真完成。

七、考试方法的改革

电工学课程考核是教学过程的主要环节和保证教学质量的重要措施，其考核办法如下：

本课程综合成绩由以下几部分组成：

书面考试占总成绩的70%，

平时作业（基础性作业和大作业）占总成绩的10%，

实验能力占总成绩的20%，

总计满分为100分。