“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)手段和實(shí)踐環(huán)節(jié)的探討

章 瑋,潘再平,盧慧芬,白亞男

(浙江大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系,浙江杭州 310027)

0 引言

“電機(jī)學(xué)”課程是電氣信息類學(xué)生的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課,所涵蓋的基礎(chǔ)內(nèi)容涉及電、磁、熱、機(jī)械等基礎(chǔ)理論知識(shí),具有理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn),同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制和電力系統(tǒng)分析等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí),學(xué)生不但要掌握“電機(jī)學(xué)”課程中的基本知識(shí)和分析方法、同時(shí)能對(duì)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通。因此教師在有限的授課過(guò)程中需要注重教學(xué)方法,在掌握基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院“電機(jī)學(xué)”和“電機(jī)與拖動(dòng)”課程組這幾年在積極申報(bào)國(guó)家、省級(jí)精品課程過(guò)程中對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面做了有益的探索和實(shí)踐,取得了一定的成效,本文就教學(xué)過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 教學(xué)內(nèi)容

“電機(jī)學(xué)”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課,具有理論性強(qiáng)、概念多、與工程實(shí)際聯(lián)系密切等特點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容上首先使學(xué)生理解機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本原則,掌握直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)等四大類電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性以及分析和試驗(yàn)方法,為今后更好地學(xué)習(xí)和使用新型電機(jī)以及相關(guān)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)順應(yīng)專業(yè)知識(shí)的發(fā)展,開(kāi)展實(shí)踐教學(xué),根據(jù)教學(xué)改革的要求和課時(shí)的需要,與課程配套,2006年出版了新世紀(jì)高等院校精品教材《電機(jī)學(xué)、電機(jī)與拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教程》、2008年出版了“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《電機(jī)學(xué)》、2009年編寫(xiě)了《交流電機(jī)工程實(shí)踐》的教學(xué)講義,在同一門(mén)課程的教學(xué)過(guò)程中,將理論與實(shí)踐緊密地聯(lián)系起來(lái)。

2 理論教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是目前推崇的教學(xué)方法和手段,要求教師在教學(xué)中注重理論聯(lián)系實(shí)際,形象教學(xué)與抽象概念相結(jié)合,融知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體。

為了提高教學(xué)質(zhì)量,教師首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教材有深刻理解。在教學(xué)過(guò)程中,以課堂教學(xué)為主,向?qū)W生介紹課程的學(xué)習(xí)方法、消除學(xué)習(xí)的畏難情緒,同時(shí)注重講課藝術(shù),提高講課效果。在“電機(jī)學(xué)”的教學(xué)過(guò)程中,傳統(tǒng)教學(xué)方式和信息化技術(shù)已被有效地結(jié)合在一起,交替使用。多媒體課件采用了課堂單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)助學(xué)版課件。單機(jī)版課件結(jié)構(gòu)緊湊、重點(diǎn)突出、內(nèi)容生動(dòng)、能動(dòng)態(tài)演示。比如對(duì)電機(jī)繞組、電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)等內(nèi)容都通過(guò)多媒體的方式以形象、直觀的方式表現(xiàn)出來(lái),加深了學(xué)生的認(rèn)識(shí)。網(wǎng)絡(luò)助學(xué)版中除了有相關(guān)課件和來(lái)源于網(wǎng)上資源的多媒體動(dòng)畫(huà),另外添加重要參考文獻(xiàn)節(jié)選,重要概念解析、習(xí)題解答、自我測(cè)試以及課堂BBS。這種課堂教學(xué)的延伸大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。例如有學(xué)生課后對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式提出了懷疑。認(rèn)為根據(jù)磁力線的分布,槽內(nèi)的磁場(chǎng)密度應(yīng)該為零,利用導(dǎo)體所受的力來(lái)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩是不成立的。這個(gè)問(wèn)題放到網(wǎng)上后引起大家熱烈地討論,最后從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換一書(shū)中找到了完整的解答。通過(guò)學(xué)生自發(fā)地對(duì)這個(gè)問(wèn)題的提問(wèn)-討論-解答,大大提升了學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容學(xué)習(xí)的熱情和對(duì)電機(jī)電磁能量轉(zhuǎn)換的理解。隨著現(xiàn)在課程學(xué)時(shí)的減少,課程中牽涉到很多原理性的內(nèi)容,需要比較深入講解。利用課堂版和助學(xué)版的使用,使課堂教學(xué)具有豐富的教學(xué)內(nèi)容,非常有利于學(xué)生的學(xué)習(xí),提高了教學(xué)效果,收到了較好效果。

在教學(xué)過(guò)程中,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,更要發(fā)揮學(xué)生的主體作用。要為學(xué)生的積極參與創(chuàng)造條件,教學(xué)手段是重要的一個(gè)因素。浙江大學(xué)要求任課教師在教學(xué)的同時(shí)也應(yīng)成為科研的骨干。教師在邊教學(xué),邊科研過(guò)程中,積累了最新的科技成果以及生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問(wèn)題,利于引導(dǎo)學(xué)生去思考、去探索、去發(fā)現(xiàn)。為了讓學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與者和積極探索者,在“電機(jī)學(xué)”課堂教學(xué)的過(guò)程中穿插了討論式教學(xué)和撰寫(xiě)小論文的環(huán)節(jié),加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

討論式教學(xué)就是設(shè)立專題報(bào)告課,事先布置好題目,并確定部分學(xué)生作主題發(fā)言。大家再一起討論、分析和評(píng)價(jià),加強(qiáng)學(xué)生之間的交流,活躍課堂氣氛,培養(yǎng)自學(xué)的能力。比如在直流電機(jī)一章內(nèi)容結(jié)束后,分別就特種直流電機(jī)中的直流伺服電動(dòng)機(jī)、永磁直流電機(jī)、直流力矩電機(jī)、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和單極直流電機(jī)分為幾個(gè)內(nèi)容,分組進(jìn)行討論,并讓學(xué)生推選代表在課堂上匯報(bào)。學(xué)生紛紛在分析原理的基礎(chǔ)上,旁征博引,運(yùn)用AUTOCAD等現(xiàn)代作圖手段,畫(huà)出三維模型和動(dòng)畫(huà)。這些通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)獲得的內(nèi)容給同學(xué)們留下深刻的印象,經(jīng)過(guò)同學(xué)的提問(wèn)和老師的點(diǎn)評(píng),擴(kuò)展了專業(yè)知識(shí),學(xué)習(xí)到積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。在課后的總結(jié)中,很多同學(xué)都提到這堂討論課給他們帶來(lái)的幫助,并要求老師能增加這樣的環(huán)節(jié)。

科技論文的閱讀和撰寫(xiě)是一個(gè)工科學(xué)生基本的技能。在課程教學(xué)過(guò)程中,有意識(shí)地指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)期刊、網(wǎng)絡(luò)、著作等途徑查找并閱讀相關(guān)的中英文文獻(xiàn),使學(xué)生更主動(dòng)地去了解電機(jī)發(fā)展的前沿,充分認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的重要性。同時(shí)向?qū)W生介紹科技論文的格式及寫(xiě)作方法,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容鼓勵(lì)有潛力的學(xué)生撰寫(xiě)有關(guān)電機(jī)技術(shù)方面的論文作為作業(yè)的重要部分。例如講到變壓器問(wèn)題時(shí),學(xué)生在學(xué)習(xí)Matlab時(shí)以變壓器為例進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)變壓器合閘時(shí)間對(duì)變壓器的電流波形有較大影響。在老師鼓勵(lì)下,查閱了文獻(xiàn),結(jié)合電路分析方法,對(duì)波形進(jìn)行深入的理論分析,后來(lái)完成分析變壓器鐵心飽和與不飽和地情況下合閘時(shí)間對(duì)原邊電流波形影響的小論文,既解答了學(xué)習(xí)中的疑問(wèn),又充實(shí)了專業(yè)理論知識(shí)。

3 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的過(guò)程中具有非常重要的地位。很多課堂傳授的概念和方法通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)才能較好地領(lǐng)會(huì)和掌握。實(shí)踐環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生自覺(jué)主動(dòng)地去思考、去探索。“電機(jī)學(xué)”課程通過(guò)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)和手段的改革和更新,以理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合、觀察性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與課外教學(xué)相結(jié)合的四結(jié)合原則使學(xué)生在鞏固課堂內(nèi)容和基礎(chǔ)理論同時(shí),激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和工程應(yīng)用能力。

實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)與工程實(shí)際緊密結(jié)合的教學(xué)活動(dòng),課程安排了課程實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)訓(xùn)三部分。

課程實(shí)驗(yàn)是結(jié)合大小電機(jī)機(jī)組對(duì)直流電機(jī)、異步電機(jī)、變壓器和同步電機(jī)各設(shè)計(jì)了兩個(gè)專題內(nèi)容,一個(gè)為對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握這四類常用電機(jī)的實(shí)驗(yàn)方法以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理。另一個(gè)課堂中沒(méi)有具體講解,但通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析現(xiàn)象、加深理解,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。最后都以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),完成現(xiàn)象的分析和對(duì)理論的提升。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生有針對(duì)性的解決某一個(gè)具體問(wèn)題。浙江大學(xué)電氣學(xué)院的學(xué)生在本科階段就確定了導(dǎo)師制,優(yōu)秀本科生可提前進(jìn)入導(dǎo)師的課題組,直接參加教師和研究生的科學(xué)研究活動(dòng),感受科研氛圍。因此設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基本都是配合國(guó)創(chuàng)、省創(chuàng)、大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRT P)、全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等進(jìn)行。成果可計(jì)入課程的得分。近年來(lái),設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的成果使學(xué)生順利進(jìn)入Ffreescale杯全國(guó)智能車大賽等國(guó)家競(jìng)賽,SRTP包括了異步電機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、發(fā)電機(jī)恒壓供電系統(tǒng)、智能馬達(dá)控制器系統(tǒng)分析、無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)等一批學(xué)生科技成果。

工程實(shí)訓(xùn)是近年在課程進(jìn)行過(guò)程中開(kāi)展的讓學(xué)生理論與實(shí)踐更緊密結(jié)合的一個(gè)環(huán)節(jié)。在學(xué)習(xí)“電機(jī)學(xué)”課程之前,學(xué)生到電機(jī)廠進(jìn)行過(guò)企業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí),但走馬觀花式的參觀很難使學(xué)生建立電機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。當(dāng)課程講到繞組、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等問(wèn)題時(shí),學(xué)生普遍反映出抽象、難懂的情緒。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的感性認(rèn)識(shí),課程專門(mén)在講授交流電機(jī)繞組和磁場(chǎng)后增設(shè)了交流電機(jī)工程實(shí)踐環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)在簡(jiǎn)單介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造工藝、電機(jī)檢驗(yàn)基本要求以及三相異步電動(dòng)機(jī)的拆卸和裝配基礎(chǔ)上,著重對(duì)中小型交流電動(dòng)機(jī)的繞組如何分布、嵌線、檢查等問(wèn)題進(jìn)行講解。以71#機(jī)座分馬力電機(jī)為例,讓學(xué)生完成電動(dòng)機(jī)的拆卸、定子繞線模設(shè)計(jì)、繞線、嵌線、接線、裝配、測(cè)試的全過(guò)程。當(dāng)看到自己設(shè)計(jì)繞制的電機(jī)通電后旋轉(zhuǎn)起來(lái),學(xué)生對(duì)繞組、磁場(chǎng)等相關(guān)內(nèi)容的理解也得到了加強(qiáng)。由于條件限制,該環(huán)節(jié)目前作為學(xué)生的選做內(nèi)容,但實(shí)踐過(guò)程中不斷有學(xué)生要求增加開(kāi)設(shè)批次的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

《電機(jī)學(xué)》是一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程,但迅速發(fā)展的技術(shù)又賦予其許多新的內(nèi)容。通過(guò)這幾年對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面的改革,突出理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的結(jié)合。不僅使學(xué)生加深了對(duì)《電機(jī)學(xué)》課程的認(rèn)識(shí),而且在創(chuàng)新和摸索中擴(kuò)展了知識(shí)面,培養(yǎng)了實(shí)際分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

[1]潘再平、章瑋等.“電機(jī)學(xué)系列課程建設(shè)研究”,2009年全國(guó)高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革研討會(huì)

[2]李潁峰.《電機(jī)學(xué)》教學(xué)改革的探索,中國(guó)電力教育,2008年 4月

[3]劉慧娟、張威等.探究式教學(xué)法在“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用,電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008年6月