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摘要：《电工学》是非电专业学生学习电学知识、为后续课程打基础的一门很重要的专业基础课，但其教学比较困难。笔者在总结近几年的电工学教学经验基础上，将黑箱理论适当的引入到教学当中取得了良好的教学效果。
关键词：电工学 黑箱理论 戴维南定理
《电工学》是高等工科院校非电类专业的一门技术基础课。其目的是使学生通过本课程的学习，受到辩证唯物主义教育，获得电工技术必要的基本理论，基本知识和基本技能，了解电工技术的应用和电工事业的发展概况。是我院电子系、自控系和机电系学生需要学习的一门很重要的专业基础课，该门课程学习的好坏直接影响PLC和单片机相关课程的学习效果。但在该门课程的教学过程中发现学生对教材中某些重要定理或原理的理解和掌握有一定的困难，尤其是高中阶段学文科的学生。为解决此问题，笔者将控制理论中常用的分析方法“黑箱”理论成功的应用到教学中。结合该理论来讲解某些定理原理，取得了很好的教学效果，学生对某些原理定理的理解和掌握有了相当程度的提高。
1 黑箱理论
“黑箱”是控制理论中的一种常用方法。它以不考虑内部结构为前提，通过对外部端钮的测试来考察其动态过程及输入、输出参数，认识其功能、特性和方法。即“只知输入和输出，不识内部结构的系统。”
2 黑箱理论在电工学中的体现
在电工学这门课程中有很多的定理定律都具有“黑箱”的特点，完全可以用“黑箱”的观点来解释。如戴维南定理就是典型的“黑箱”。定理指出：一个含独立电源、线性电阻和受控源的二端网络，对外电路来说，可以用一个电压源和一个电阻的串联组成等效置换。此电压源的电压等于二端网络的开路电压，电阻等于二端网络的全部独立电源置零后的输入电阻。定理的内容及其应用早已为人所知，但对定理进行“黑箱”处理的教材还不多见。在教学中将定理提到“黑箱”方法的高度，学生的注意力就不会集中到为什么这样等效，以及其内部到底是什么，而会将注意力集中到怎样求解二端网络的开路电压和输入电阻的问题上，这样有利于学生认识的深入和思维的开拓。再如电阻串、并联等效、实际电压源与电流源变换、Ｙ―△等效变换及其等效原理，它们是在外部电压、电流保持不变条件下，将内部结构进行变换。在解决问题过程中，将“黑箱”透明化，是“黑箱”理论的延伸和拓展，为学习以后课程如集成电路、单片机等打下了基础，学生就不会再对任何电路都刨根问底或企图打开“黑箱”，而是更关心这些芯片的引脚功能和输入、输出特性。
3 黑箱理论的应用
这里将以戴维宁定理为例具体叙述黑箱理论是如何应用到教学中的。
教材中戴维宁定理的解释如下：任何一个有源二端线性网络都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻R0串联的电源来等效代替（图1）等效电源的电动势E就是有源二端网络的开路电压U0，即负载断开后a，b两端之间的电压。等效电源的内阻R0等于有源二端网络中所有电源均除去（将各个理想电压源短路，即其电动势为零；将各个理想电流源开路，即其电流为零）后所得到的雅源网络a，b两端之间的等效电阻。
学生在利用该定理解决实际问题时往往会特别关心有源二端网络内部复杂的电路组成，尤其在做戴维宁定理实验过程中。针对上述问题，在该定理的讲解过程引入“黑箱”理论。将有源二端网络视为一个“黑箱”，根据黑箱理论我们不必关心黑箱内部的电路。我们的目标转化为如何根据黑箱的外部表现来确定一个等效的“白箱”，所谓“白箱”是指该系统内部的电路结构清晰明了。这个等效的“白箱”就是戴维宁定理中所指的电动势为E的理想电压源和内阻R0串联的电源。“黑箱”和“白箱”对于负载作用的效果是等效的，由此可见尽管“黑箱”内部的电路很复杂或不为人所知，但由于二者是等效的，我们当然选择内部电路结构明了的“白箱”作用于负载来进而求解未知量，如流过负载的电流或负载的端电压，这样实现了“黑箱”到“白箱”的转化。同时学生在理解该定理时就将侧重点转移到如何确定“白箱”的电路组成即E和R0的求解，而不在关心“黑箱”内部到底是什么。具体体现在学生在做实验过程中主要考虑的是如何想办法测量出有源二端网路的开路电压U0和内阻R0，进而顺利地验证了戴维宁定理的有效性。
将黑箱理论引入到教学中后，学生学习和掌握某些原理及其应用的能力有了很大的提高。同时将黑箱理论延伸到其他知识中去，不在对任何电路或系统都问个究竟而更关心它的输入输出特性。在“黑箱”理论的熏陶下，学生能更好地掌握和灵活地应用所学知识，激发了学生的创造性。
4 结束语
高等职业技术教育是为社会培养掌握职业技术的人才，因而与普通高等教育相比，它所培养的学生不应该是理论型、学术型，而是应用型，是工作在一线的高级职业技术人才，可称之为白领技术工人，是具有一定理论水平会“干活”的人，因而对他们的要求是专业理论够用，实践应用技能熟练。培养这样的人才的教学方法也应该有别于普通高等教育的教学方法，黑箱教学法就是适合职业技术教育培养应用型人才的教学方法。因此黑箱教学法也可以延伸或渗透到高等职业教育中其他学科的教学过程中，有广泛的应用前景。
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发表于 2020-8-8 10:45:58
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发表于 2020-8-8 10:46:55
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