齐 超 刘洪臣 周 学 杨春玲 于艳君

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院， 哈尔滨 150001)

2017年2月，教育部启动新工科建设，先后发出了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”的动员令，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索助力高等教育强国建设中国模式、中国经验。一系列举措，标志着我国高等工程教育迈进新时代，培养高层次应用型人才是新形势下普通高等教育坚定不移的培养目标，电气、电子、信息和自动化等电类专业是我国高等工程教育的重要组成部分，随着经济的发展，这些专业在智能制造、能源互联网、机器人等领域将发挥重要作用，这也对相应人才的培养提出了更高的要求[1]。为了适应我国电类专业的教学改革与发展，高等工程教育应进一步强化学生工程应用能力的培养，以便更加适应社会对高层次应用人才的需求。而以“学生”为中心、以“实践”为特色的工程技术类专业教材建设是培养高层次应用型人才的基本保证。为电气、电子、信息和自动化等电类专业教学提供优质、适用的工程应用型教材及配套数字媒体资源和服务，我院课程团队对此进行了有益的探索与实践。

1 应用型“电路”教材建设必要性

“电路”课程是高等院校工科电气、电子、信息和自动化等电类专业必修的一门重要专业基础课。它是培养学生掌握现代电路基本理论，学习和理解各专业其它课程的入门课，教材编写得是否合适，能不能引导学生对相关专业产生浓厚兴趣，为后续学习和将来实际应用奠定扎实的电路理论和实践基础起着重要的作用。根据国家教委颁布的《高等学校电路课程教学基本要求》，近年来，各出版社出版了多种《电路分析》教材，这些教材的特点大多适用于国内一流本科高校。但随着大众化的高等教育发展，非重点应用型普通高校或重点高校下设的独立学院日益增多，培养的学生主要是面向现代社会建设、生产、管理、服务等一线岗位，要求毕业后能够直接从事实际工作、解决具体工程问题、维持工作有效运行的面向工程的应用型人才。目前，这些院校使用的教材多数是对现有适用于重点高校本科教材的翻版，只是对部分章节和内容进行了删删减减，或问题分析简单化，其应用性和针对性不够突出，难以达到因材施教的目的[2-3]。

《国家教育事业发展“十三五”规划》鼓励教师利用信息技术提升教学水平、创新教学模式，利用翻转课堂、混合式教学等多种方式有效使用数字教学资源，推进优质资源共建共享[4-6]。我院课程团队建成了首批国家级线上一流课程，其中的“电路分析”课程组多名教师都有应用型院校教学实践经验，遵照电路理论体系的知识框架，又针对工程应用型院校人才培养目标，精心设计教学内容，科学安排知识结构，采取纸质与数字化资源相结合的形式，编写了《工程电路分析基础(第2版)》新形态教材。该教材编写的目标是使该书基本理论实用，基础知识够用，分析方法好用，仿真软件会用，实践设计管用，专业技能适用，围绕工程背景讲授电路理论且联系实际应用，书稿和数字媒体资源已交高等教育出版社等待出版。

2 工程电路分析新形态教材探讨

2.1 课程思政融入新形态教材

为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，2021年7月教育部国教材 [2021]2号文件公布了《习近平新时代中国特色社会主义思想进课程教材指南》，要求大学阶段以系统学习和理论阐释的方式，运用理论与实践、历史与现实相结合的方法，引导学生全面深入地理解思想理论体系、内在逻辑、精神实质和重大意义。这也正是2016年12月习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上，对我国高等教育发展提出的新要求：把思想政治工作贯穿教育教学全过程，各类课程与思想政治课要同向同行，形成协同效应。

如果我们工科教师将自己理解的马克思主义基本立场、观点方法和习近平新时代中国特色社会主义思想直接写进纸质版专业教材，还是显得比较突兀。而借助于数字媒体新形态教材，学生可以通过扫描书本相应位置的二维码，就可以链接到对应的MOOC视频观看教师语言轻松、通俗易懂的讲解和阐述，自然且潜移默化地对学生进行价值引领。比如绪论提到美国发明家爱迪生研究灯泡的故事，他为此纪录了多达4万页的笔记，试验了1600多种材料，经过坚韧不拔地探索，终于将直流电成功付之实际应用，这故事润物细无声地传递给学生：榜样的力量、工匠精神的追求。再如1888年，特斯拉成功地建成了一套交流电力传送系统，并于1893年，将交流电成功应用于芝加哥世界博览会的照明工程，自此开启了交流电应用的新篇章。这个故事使学生们情不自禁地滋生对科学事业的热爱，秉承创新思维，从中感受到科学伟人的家国情怀。

2.2 应用型教材基本内容

面向工程教育的应用型教材要有效联系工程实际，考虑学生乐于接受形象有趣的事物，所以引入的工程示例应在学生的理解范围之内且具有生动性。我们编写的《工程电路分析基础》就体现了这点。教材涵盖了电路分析中的直流、暂态和交流三大部分共计10章。对原有课程教材进行了改进，即第1章基尔霍夫定律及电路元件，介绍了对全书集中参数电路均适用的两大基本定律和电路分析经常用到的元件特性，引入了多量程电压表和电流表工程应用示例；第2章线性直流电路分析和第3章电路定理，分别从网络方程和等效变换角度分析电路问题，引入了惠斯通电桥测电阻和光伏发电最大功率点跟踪工程应用示例；第4章运算放大器，对应用于电子技术领域的典型基本运放电路进行分析，这章是在实际应用中正确使用运算放大器的重要基础，引入了仪表放大器工程应用示例；第5章暂态电路时域分析，介绍了电路发生换路时从一个稳态到另一个稳态的过渡过程，引入了汽车点火等效电路和闪光灯简化电路工程应用示例；第6章正弦电路分析基础和第7章交变电路分析及功率，是对直流电路分析方法的拓展，同时培养学生通过变换域简化实际问题的思维方式，分别引入了交流电桥、RC滤波器用于前置放大电路、移相/选频电路及工频交流耐压试验等工程应用示例；第8章滤波电路和谐振现象及第9章三相电路，侧重于对6、7章正弦电路理论部分的实际应用，分别引入了无线电能传输电路、接收机输入电路、安全用电及相序辨识器等工程应用示例；第10章二端口网络，从外部电气特性角度对在实际工程中起传输、变换和控制的二端口电路模型进行必要的讲解和简单的设计，引入了LC阶梯网络综合、负阻抗变换器及阻抗匹配网络等工程应用示例。

《工程电路分析基础(第2版)》新形态教材融入了中国大学MOOC相应视频，增加了部分与日常生活相关或与工程实际接近的习题，增加附录，补充了计算机仿真软件Multisim简介和应用示例。联系工程实际是面向工程教育教材不可缺少的内容，可以培养学生的价值观、工程观，加强对课程的亲和力，提高解决实际工程问题的能力。

2.3 工程应用示例与知识点的对应

结合应用型教材建设思想，面向工程教育，从理论联系实际出发，表1总结了教材《工程电路分析基础》中对应电路知识点的工程应用示例，当然教师可以根据情况因材施教。整本书降低了电路理论难度，各章、节增加了工程实际应用内容分析和介绍。应用型教材精编和精选的例题也要考虑具有典型性、实用性、理论实践一体性。编写以“实用、够用、好用、会用、管用、适用”为原则，以教师好讲，学生好学为宗旨，达到让学生费力少、理解深、用处大且应用多的成效。考虑到目前的应用型本科院校缺乏既能教授学生理论知识又能传授学生实践技能的“双能型”教师，仅仅依靠校内教师，教材的实用性无法得到保证。参加本书编写的不但有一流本校教师，还吸收了其他著名应用型本科院校教师和国网电力有限公司培训部“双能型”教师，注重校企合作，保证了教材建设理论结合工程实际的实用性。借助数字媒体，在知识传授同时也润物细无声地对学生进行价值引领和能力培养。

3 工程应用示例

下面通过光伏发电最大功率点跟踪和无线电能传输两个具体示例，说明在应用型教材建设中如何理论联系实际以解决工程问题。在信号传输和处理电路中，电源一般是对外提供能量的，负载吸收电源发出的能量，让负载从电源获得尽可能大的功率是很有实际意义的。光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)就应用了电路中的最大功率传输定理。

光伏电池是光伏发电的能量转换器件，它是以半导体 P-N 结的光伏效应为基础的。光照强度、环境温度等外部因素都会对光伏电池的性能指标产生影响，光伏电池的等效电路模型如图1所示，恒流源Ipv代表光生电流，二极管D模拟的是光伏电池内部P-N结。光伏电池的输出特性如图2所示。它表明：光伏电池既不是恒流源，也不是恒压源，不能为负载提供任意大的功率，具有非线性。但从图2(a)中可见，当光伏电池输出电压较小时，输出电流随电压的变化较小，可将光伏电池当成一个恒流源；当电压足够高，超过一定值后，输出电流就会急剧下降至零，此时可将光伏电池当成一个恒压源。也就是说，在此过程中，光伏电池的输出功率随着输出电压的增大先上升后下降，存在一个输出功率最大点，如图2(b)所示。

表1 对应电路知识点的工程应用示例

图1 光伏电池的等效电路模型

(a) 不同温度下的I-V曲线

(b) 不同温度下的P-V曲线图2 光伏电池输出特性

在光伏发电系统中，根据其工作原理，可以将非线性的光伏电池看作是线性电路，用戴维南电路来等效。根据最大功率传输定理，当光伏电池外接电路电阻与戴维南等效电阻相等时，可得到最大输出功率。但是由于光照强度、电池温度以及外接负载等因素的影响，会导致其内阻值发生变化，因此通过在光伏电池与负载间连接一个DC-DC变换器，通过调节DC-DC变换器的占空比来改变等效负载值，即等效外接负载值随DC-DC变换器调节而变化，当等效电阻RL等于光伏电池最大功率点处戴维南等效电阻RS时就实现了 MPPT功能，如图3所示。这样就把电路理论中比较重要的最大功率传输定理应用于解决工程实际问题，以此例激励学生探索科学知识的积极性。

图3 获得最大功率原理图

再列举一个当今研究热点-无线电能传输技术(WPT)，电磁耦合谐振式传输系统就是基于电路分析中互感耦合和电路谐振理论的应用，如图4所示。

图4 无线电能传输系统

因变压器激励工作频率越高，原、副边的电磁耦合越强。首先ui工频交流电经整流且逆变为高频交流电供给初级回路，根据电磁感应定律，次级线圈产生感应电动势，为负载提供电能，实现电能无线传输。但在这种大气隙下的能量传输过程中变压器漏感较大，使得传输有功功率降低，不能忽略。为了减小系统无功功率，一般在初级回路和次级回路上进行串联或并联电容补偿，达到谐振以提高输出功率和系统传输效率。初级和次级回路分别进行串联谐振补偿拓扑(SS) ，如图5所示。

图5 SS谐振补偿电路

考虑到系统工作在高频模式，线圈的寄生电阻和电容不可忽略。图5中up表示整流逆变电路输出的高频交流电源，RP、RS分别对应线圈LP、LS的寄生电阻，而寄生电容分别包含在串联谐振补偿电容CP和CS中。下面分析SS电路模型通过最大功率传输计算初级谐振补偿电容。对初级和次级回路分别列写KVL方程

令ZP=RP+j(ωLP-1/ωCP),ZS=RS+j(ωLS-1/ωCS)+RL分别表示初级和次级回路阻抗，得两个回路电流分别为

可见初级和次级电流不仅与本级回路阻抗有关，还与对级阻抗有关。令ZPS=(ωM)2/ZS表示次级回路阻抗对初级等效阻抗的影响，称为次级对初级的引入阻抗；同理，初级对次级的引入阻抗记为ZSP=(ωM)2/ZP。因变压器不吸收有功功率，故初级线圈传递到次级线圈的功率为

(2)

图6 初级回路等效电路

由图6可见，整个无线电能传输系统的等效负载阻抗为

Zeq=RP+RSL=RP+(ωM)2/(RS+RL)

这样从高频交流电源uP看负载相当于纯电阻电路。

4 结语

面向国际、面向未来、面向技术发展变革，国家需要高素质应用型的创新工程人才。相应教材的编写应体现工程背景，注重前沿技术发展以及交叉

学科领域知识的补充，培养学生的创新、创造能力以及工程实践能力；同时，强化工科学生的家国情怀、生态意识、工程伦理意识。团队在应用型教材建设过程中，依托高等教育出版社中国大学MOOC平台，已推出自建的两门国家级线上一流课程，和2016年高教社已出版的全国教育科学“十一五”规划课题研究成果教材《工程电路分析基础》，组成编写的新形态应用型教材。这些教材注重课程、教材、配套资源融合使用的一体化设计；融入课程思政内涵，考虑科学成果最新突破、学术研究最新进展；充实新的知识点内容，高度提炼能力点。以嵌入二维码的纸质教材为载体，融入影视、音频、作业、试卷、拓展、主题讨论等数字资源，实现“从理论到实践，从实体到网络”线上线下交互融合的教材新形态。引导学生提升应用理论解决工程实际问题的能力，激发学生研究学术、探求科学奥秘的热情。