建構主義認知理論在“電機學”教學中的應用

摘要：“電機學”是電氣工程學科重要的專業基礎課程之一，因其涉及電路、磁場和磁路結構等諸多難點，教學內容過于抽象，使得學生在課堂學習中理解困難。將高等教育心理學中的建構主義認知理論應用于“電機學”變壓器和旋轉電機部分的教學實踐中，使學生在課堂上輕松理解并牢固掌握旋轉電機的基本工作原理及難點問題。

關鍵詞：電機學；建構主義；變壓器；旋轉電機

作者簡介：趙海森（1982-），男，河北邢臺人，華北電力大學電氣與電子工程學院，講師；劉曉芳（1961-），女，內蒙古呼和浩特人，華北電力大學電氣與電子工程學院，教授。（北京102206）

基金項目：本文系北京市優秀教學團隊，“電機學”國家級精品課建設項目（項目編號：GJ2011023）的研究成果。

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）13-0049-02

“電機學”是高等學校電氣工程學科的重要專業基礎課程，同時也是許多后續專業課程的基礎。由于其具有涉及知識面廣、理論性強以及時空概念抽象等特點，該課程長期以來一直被認為電氣專業既難教又難學的課程，學生也稱之為“天書”。華北電力大學（以下簡稱“我校”）經過十幾年努力，通過三維動畫、人機交互以及可視化等現代科學技術，開發了基于多媒體的輔助教學課件，成功解決了電機內部電磁場的可視化問題。[1，2]在教學過程中如何能夠較透徹地講授一些涉及電磁場理論方面難于理解的、抽象的物理概念，使得學生能夠在課堂上更容易接受，這就有必要結合現代認知理論對“電機學”這門課程的講授技巧以及教學方法進行相應改進。本文針對這一問題，將建構主義認知理論應用于“電機學”變壓器和旋轉電機部分的教學實踐中，在激發學生學習熱情的同時，取得了明顯教學成果。

建構主義認知理論是高等教育心理學中認知理論的重要一個分支，該理論主要關注如何利用原有的認知結構與信念來建構新知識，強調學習的主動性、社會性與情感性，該認知理論的觀點主要包括接受知識、建構學習過程以及教學生長點三方面。[3]以下分別對這三個方面的理論及其在“電機學”教學中的應用展開論述。

一、建構主義接受知識方面的理論及其應用

1.接受知識方面的理論描述

在學生接受新知識方面，該理論強調學習是學生主動建構內部心理表征的過程，并不是把知識機械地從外界搬到記憶中，而是以原有經驗為基礎來建構新知識體系。這就要求對于“電機學”的學習并不是單一地接受電機理論知識，而是要緊密聯系以往所學知識并將其應用于新知識學習中，進一步構建新的知識體系。例如，在“電機學”課程之前，學生已經學過“電路”、“大學物理—電磁學”等基礎課程，這使得學生初步具備了從“路”的角度去分析一些電力工程實際問題的能力，同時，對于“場”的概念也具有了一定認識。而“電機學”是一門集電路、磁場以及磁路結構為一體的交叉性綜合課程，其基本要求就在于讓學生在學習過程中熟練掌握磁場和電路的基本物理概念，并利用其從磁路角度分析變壓器和電機內部的電磁關系，最終能夠實現利用一種等值電路來描述上述電磁關系，以達到分析工程實際問題的目的。

2.典型教學實例分析

在“電機學”緒論部分教學內容中，需要對磁路的概念進行介紹，為后續變壓器和旋轉電機部分的基本電磁關系奠定基礎。該部分內容中涉及磁路基本定律和一些基本物理概念，例如磁動勢、磁通、磁阻等，在上“電機學”之前，學生并未接觸過上述概念。只通過書本中的文字描述對磁路基本定律進行學習，學生理解起來較抽象且難度較大。如果將該部分內容與“電路”中所學的電路模型進行對比講解，便可明顯增快學生認知過程。為此，引入如圖1所示的簡單磁路模型及其等效磁路圖，圖中F為磁動勢，Φ為磁通，Rm為磁路磁阻。在教學過程中，以此圖為例引導學生將圖示等效磁路和已經學過的電路模型進行對比分析，并進一步將磁路分析中所涉及的磁動勢、磁通、磁通密度、磁阻、磁導等一系列抽象物理概念與學生知識體系中所掌握的電動勢、電流、電流密度、電阻、電導等概念進行一一比較，尋找兩者的共同點，這樣便有助于學生對上述抽象物理概念的理解，達到事半功倍的效果。

二、建構主義在學習過程方面的理論及其應用

1.建構學習過程方面的理論描述

在學習過程方面，該理論強調學習過程既包括建構新信息、新知識結構體系，又需要對原有知識體系進行改造與重組。這就要求在“電機學”學習過程中，針對某一部分的知識點，在課堂上不能單純地灌輸，應將教學內容中前后有關聯的知識點有機聯系在一起，做到融會貫通。

2.典型教學實例分析

在“電機學”中，一種重要的分析方法是將電機內部磁通按其作用和分布特點分為主磁通和漏磁通兩部分對基本電磁關系進行分析，然后利用電磁感應定律和基爾霍夫定律分別列出各個繞組的電路方程進而得出等值電路。在變壓器教學部分，由于變壓器屬于靜止電機，學生能夠直觀接受其實際結構及其基本工作原理，尤其是對于主磁通和漏磁通的理解，故該部分內容相對而言較容易講授，如圖2（a）所示變壓器的二維模型圖，圖中Φm為主磁通、Φs1和Φs2分別為原副邊漏磁通。但對于旋轉電機而言，受三維結構影響，學生對電機繞組分布及鐵芯結構尚缺乏深入了解，無法深刻認識電機主磁通和漏磁通的特點。為此，可建立電機三維物理模型，對其各部分漏磁場進行可視化描述，如圖2（b）中的主磁通Φm和漏磁通Φs1所示。在此基礎上，進一步通過分析漏磁通產生位置及性質的差異，將漏磁通分為槽漏磁、端部漏磁和諧波漏磁三部分。利用上述方法講解后，可使學生對電機三維結構進行全面了解的基礎上，更加深入理解“電機學”中利用主磁通-漏磁通法分析旋轉電機基本電磁關系的分析方法，同時也可以完成對變壓器和旋轉電機基本電磁關系分析方法的整合和重組。

三、建構主義在教學生長點方面的理論及其應用

1.教學生長點方面的理論描述

在教學生長點方面，該理論強調教學不能無視學生的經驗，應該把學生現有知識或經驗作為講授新知識的起點并引導學生從中“生長”出新的知識經驗。這就要求教師在教學過程中，需要尋找從已經講授內容中衍生出來的和未講知識的結合點，幫助學生利用已經構建的知識體系去學習未知的、抽象的電機理論知識。

2.典型教學實例分析

在電機學教學內容中，電機內部磁場分布以及磁極判別通常是初學者比較難理解的內容。此前的學習過程中學生已經較熟練掌握了變壓器基本電磁關系部分的知識，為此，在講授該部分內容時，結合變壓器基本結構及電磁關系，將其與電機之間建立必要聯系，為分析電機的磁路和磁極服務，所設計的課件如圖3所示。其中，圖3（a）為單相殼式變壓器鐵芯模型；假設其繞組通入直流電，所通入電流流向、磁通路徑和形成的N、S磁極如圖3（b）所示，然后將殼式變壓器的氣隙由細長型變為圓形，可得磁路和N、S磁極如圖3（c）所示；進一步將變壓器外圓和槽形也變為圓形，便可得到如圖3（d）所描述的電機簡化模型，可以看出此時的磁路仍在鐵心范圍內，而N、S磁極仍在鐵芯內圓。

利用上述方式對電機內部磁場和磁極進行分步講解后，得出的旋轉電機可以看作帶有氣隙的變壓器，使得學生能夠在課堂上結合以往所學變壓器知識對旋轉電機結構和內部磁場以及磁極判別進行認知，同時，進一步引導學生從變壓器的角度去理解旋轉電機，這也有助于后續教學內容中同步電機和異步電機中等值電路內容的順利開展。

四、總結

“電機學”課程的教學內容涉及知識面廣、物理概念抽象且較難理解。本文將建構認知理論融入“電機學”課堂教學中，一方面，從認知理論角度將以往學過的知識用于建構新的知識體系；另一方面，在學生對新知識學習的過程中改進了講授技巧和教學方法，降低了對電機學中抽象物理概念的理解難度。實際課堂教學實踐表明，結合現代認知理論所改進的講授技巧和教學方法明顯提高了學生對“電機學”的學習興趣，同時也能夠適應不同認知特點及不同知識層次的學生，對教學過程中新知識的學習以及能力培養方面均起到了積極作用。

參考文獻：

[1]羅應立，劉曉芳，陳希強，等.電機學多媒體課件的體系結構和知識表示方法[J].電氣電子教學學報，2004，(1):60-64.

[2]牛印鎖，王昊.“電機學”精品課程的網絡資源建設[J].中國電力教育，2009，(1):116-117.

[3]朱文彬，趙淑文.高等教育心理學[M].北京:首都師范大學出版社，

2007.

（責任編輯：宋秀麗）