以培養(yǎng)應用創(chuàng)新型人才為導向的電機學課程教學改革研究*

趙 浩

(嘉興學院南湖學院機電與建筑工程系, 浙江 嘉興 314001)

引言

電機是電氣工程及其自動化專業(yè)的學生將來所要從事的工程設計、設備安裝、系統(tǒng)調試、維修保養(yǎng)等工作中面對的重要設備，作為介紹多種電機結構、原理、性能的課程《電機學》，是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，也是學生由多年理論課學習轉向專業(yè)課學習的首門課程.該門課程與實際接觸緊密，理論性強、抽象概念多，講述的內容不僅是后續(xù)專業(yè)課的理論基礎，也是電氣工程領域實踐問題的理論依據，因此，如何讓學生在有限的時間內掌握電機的基本理論，以及培養(yǎng)學生的應用創(chuàng)新能力，具有重要的現(xiàn)實意義[1].

課程中的多種電機工作原理都是建立在基本的電磁定律的基礎上，它們在基本特性上有許多共同之處，但又有各自的特點，因此在學習過程中要抓住主要矛盾，集中掌握基本規(guī)律和主要理論，將各種電機聯(lián)系起來，分析和掌握共同規(guī)律，并注意各自的特殊性[2].

本文結合嘉興學院南湖學院電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)應用創(chuàng)新人才為導向，對本門課程提出了幾點教學改革措施，包括課程的理論教學、實驗教學、考核方式以及注重實踐這幾個方面，并用于實際的教學過程中，取得了較好的成效，提高了學生學習課程的積極性.

1 理論課程體系的合理優(yōu)化

在理論授課過程中，采用的教材是機械工業(yè)出版社編寫的《電機學》第四版，課程的主要內容包括磁路、變壓器、直流電機、交流電機理論的共同問題、感應電機和同步電機六大部分[3]，詳見表1.

本課程在本校現(xiàn)有的電氣工程及自動化專業(yè)學科人才培養(yǎng)方案中設置的總課時為84，其中理論課72課時，實驗課12課時，在二年級第二學期一個學期內完成，每周為5課時.由于課程知識點較多，理論性和實踐性較強，這么大的知識量對于學生來說很難在課后短時間內完全理解；且部分理論性很強的章節(jié)在不影響整個知識構架的情況下可以適當刪減，但如果后續(xù)課程一定要用到某些理論知識或者數(shù)學推導，也要花力氣給學生講明白，基于此，首先對課程的時間安排和授課內容作出如下調整.

表1 電機學理論課程內容

1)課程時間安排 將課程分在兩個學期授課，第一學期講授磁路、變壓器、交流繞組和同步電機部分，共40課時，平均每周2.5課時；第二學期講授異步電機和直流電機部分，共32課時，每周2課時.與之配套的實驗課時也分兩個學期完成，第一學期6課時，第二學期6課時.這樣學生就會有更充足的時間來學習和掌握這門重要的專業(yè)基本課，為后續(xù)專業(yè)課的學習打下扎實的基礎.同時，在教學內容上，應與先修課程和后續(xù)課程做好合理的銜接，做到教學內容不重復、不脫節(jié).對理論教學的課時和授課內容進行了優(yōu)化調整.

2)理論課時的調整 理論課時的調整見表2.

表2 原大綱理論課時與優(yōu)化后理論課時的比較

從表2可知，調整后磁路、交流電機理論的共同問題、感應電機和同步電機四大部分內容的課時有了變化.對于磁路部分，磁路的概念基本貫穿整個課程的講解過程，適當補充與磁場相關的物理量和基本的電磁定律，比如磁場強度H、磁感應強度B和磁通量Φ、通電導體在磁場中受力、法拉第電磁感應定律和楞次定律等等，同時強調磁路基本定律的重要性，包括安培環(huán)路定理、磁路的歐姆定理和磁路的基爾霍夫第一、第二定理，這些基本定理是磁路計算的基礎，也是各種電機工作的重要理論支撐；定性介紹常用鐵磁材料的磁化過程、特性以及損耗的產生過程；重點講解直流磁路的計算步驟和方法，包括串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路，永磁磁路的計算不作要求；電抗與磁導的關系不作要求.對于交流電機理論的共同部分，著重講解氣隙磁場正弦分布時交流繞組的感應電勢，以及通入正弦交流電時(單相和三相)繞組(單相和三相)的磁動勢，此兩項為講解感應電機和同步電機的工作原理的理論基礎；其余部分內容只作定性介紹.對于感應電機與同步電機部分，感應電機是工程實際中應用最為廣泛的設備之一，主要用作電動機；而同步電機則是主要用于發(fā)電機或對電網進行功率因數(shù)補償，其應用面相對感應電機較窄，因此理論講解時應向感應電機部分傾斜.

2 改進課堂教學方法

本門課程的特點是理論性強，概念比較抽象且涉及面廣，比如時間相量、空間矢量、電樞反應、旋轉磁場、脈振磁場、磁勢平衡、槽電勢星形圖、基波和諧波等等，基本都是看不見、摸不著的電磁場關系；公式推導比較多和繁瑣，比如反電勢、電磁轉矩、繞組歸算、等效電路、電壓方程等等，學生看到這些公式心里就沒底；電機的工作原理是以其機械結構為基礎的，而現(xiàn)有的教材中的平面圖形學生難以理解，想象不出具體的電機結構，為學習電機的工作原理帶來了很大的障礙.基于此，對課堂的教學方式進行了如下改進.

1)化抽象為直觀和形象 利用3D和VB編程技術，在課件中插入大量圖片和動畫，結合透明模型以及錄像，演示電機復雜結構、繞組連接、磁場分布和變化、電機分析中等效電路、相量圖以及起動調速運行性能等不易為學生理解的知識.其次，多媒體課件插入大量特種電機模型，通過課堂演示，讓學生能夠認識到課本上還沒有涉及到但應用廣泛的特種電機，使教學更加適應新技術發(fā)展要求[4].

2)電機實物模型教學 模型教學可以加深學生對電機的感性認識和學習興趣，模型在通電情況下，能短時間運行，能反應電機運行中物理現(xiàn)象，如電機起動，發(fā)熱和溫升等.學生對模型有強烈的研究興趣，基于模型能提出不少問題，加深了學生對電機的感性認識，同時還增強了學生對電機的學習熱情[4].

3)注重板書和定性分析 課堂理論教學除了要播放多媒體電子課件以外，還要采用交互性很強的“黑板+粉筆”這種傳統(tǒng)方式(對青年教師養(yǎng)成良好的教學習慣尤為重要)，以有效地抓住學生的思路，授課過程合理的“慢”下來，提高教學效果；弱化公式推導，掌握最終結論，注意哪些物理量對結論有影響；強調基本理論和基本概念，構建一套采用電磁符號描述來闡述電機工作原理和特性的方法，對電機使用時的分析只作定性的描述，暫不要求做定量的計算.

4)注重啟發(fā)和引導教學，激發(fā)學生創(chuàng)新意識 課堂教學中要注重啟發(fā)和引導學生進行獨立思考，比如在講解直流電機的工作原理時，以通電導體在磁場中受力這一基本定律為切入點進行問題設置，如果直流電機只有定子磁場和轉子繞組的話，是否可以實現(xiàn)連續(xù)旋轉？如果不能，是什么原因導致？解決的方法和措施又是什么？電機轉子受力旋轉后是否會產生感應電勢？為什么該電勢稱為反電勢？該電勢在電機的整個過程中起到了什么作用？如果在直流繞組中通入交流電會產生什么現(xiàn)象？對原有的機械結構改進后，是否可以實現(xiàn)其它新的功能？又如異步測速發(fā)電機，為什么激磁繞組和輸出繞組在空間上是正交的？激磁繞組如果通入直流勵磁是否能夠達到原來的測速功能？測速發(fā)電機的誤差哪些是可以抑制的？為什么可以抑制？此外，可以根據課堂的講解內容，引入相關科研成果進行介紹，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新意識，鼓勵學生大膽質疑，提出不同的見解和觀點，為學生提供發(fā)表自己見解的機會，師生互動研討，使學生變客體為主體，可培養(yǎng)、提高學生獨立思考的能力和對課程的學習興趣，并通過這樣一系列的啟發(fā)和引導，實現(xiàn)學生思維從基本的概念和理論到應用創(chuàng)新的延伸.

3 加強實踐教學

實踐教學對培養(yǎng)學生的應用創(chuàng)新能力十分重要，因此，要注重和加強實踐教學環(huán)節(jié)，對學生進行積極的指導和引導.

1)增設實驗室開放項目 根據課堂上已經講解過的理論知識，比如說交流異步電動機的正反轉控制，理論課已經知道控制電機正反轉的關鍵在于調換任意兩相交流電的相序，而繼電器-接觸器可以實現(xiàn)開關的切換，且通過時間繼電器的控制可以設定開關的切換時間.然后由教師提出實驗目的、要求和注意事項等，實驗方法和步驟由學生自己擬定，如果實驗失敗，原因是什么，如何檢查線路連接的正確性，等等，達到提升學生解決實際應用問題能力的目的.

2)鼓勵學生積極申報各類校級、省級學生科研項目 當學生有了一定的創(chuàng)新意識和必要的知識儲備以后，鼓勵學生開展以解決實際工程問題為目標的科研項目申報，比如說目前單相罩極電機存在啟動力矩小、轉矩脈動大的不足，是否可以找到解決這些問題的方法和措施？直流電機換向過程中存在轉矩波動，負載時更為明顯，能否對直流電機的換向進行改善？

4 改革考核方式，注重過程并增加實驗考核比重

本門課程的原有考核方式為期末考試加平時考核，其中期末考試采用閉卷考試，占總成績的70%；平時考核占總成績的30%，其中10%為實驗成績，20%為平時作業(yè)和到課率情況考核.原有的考核方式中：期末考試成績的比重偏大，導致學生平時學習勁頭不足，考試前臨時突襲復習，甚至出現(xiàn)考試時帶小抄的作弊現(xiàn)象；實際操作技能部分的考核分量不足，導致學生在做實驗時課堂秩序較差，且實際操作時只是簡單的按照實驗指導書上的步驟進行，沒有對實驗原理進行深入的思考，實驗出現(xiàn)問題時只會向實驗老師求助，不能找出故障所在并將其解決，無法將理論課上的知識與實際操作和應用有機融合，達不到本門課程的最終學習目的；學生的平時作業(yè)存在抄襲現(xiàn)象，以及點名時存在冒名頂替現(xiàn)象，無法真正的、客觀的反映出每位同學的平時學習情況.基于此，本門課程的原有考核方式需要進行合理的調整和改進.

1)適當減小理論考試成績所占考核比重 減小期末理論考試成績的比重至50%，期末考試的比重不宜過小，因為課程的基本概念、基本方法和基本理論要求學生務必掌握牢靠，此外考試內容方面需增加一些與實際應用相關的題目.

2)注重平時考核 平時作業(yè)和到課率所占總成績的比重仍為20%，但主要采用課堂提問(隨機抽點并讓學生到講臺上講解具體解題過程)和習題小測試(自編習題)的形式展開，增加與學生的互動過程，這樣既可以提高學生的學習積極性和到課率，又能較為客觀的反映出學生平時的實際學習狀況.

3)增加實驗考核比重 實際操作技能部分的成績比重增加至30%.以往一般只將課程的實驗單獨記分，現(xiàn)將實驗環(huán)節(jié)作為一門課程單獨考核記分，其成績可由三部分組成：一是實驗中的表現(xiàn)，主要表現(xiàn)在遵守實驗規(guī)則和實踐操作能力考核；二是實驗報告，要求學生實驗前按照規(guī)范認真撰寫預習報告，并將實驗指導書要求的思考題先做出理論上的解答，試驗結束后，要求學生查看實驗數(shù)據是否合理，曲線繪制是否正確，實驗現(xiàn)象分析是否準確等，并直接將實驗報告交至指導教師，防止學生課后抄襲實驗數(shù)據.第一部分和第二部分共占總成績比重的15%.三是實驗考試成績，學期結束時增設一次實驗單獨考試環(huán)節(jié)，每個學生抽簽選題后，要求獨立完成，包括了解實驗的原理、接線、儀表使用、數(shù)據處理、故障的處理等，并回答1～2個相關的問題.

5 結束語

本文通過優(yōu)化課程體系、改善課堂教學方法、加強實踐教學、注重學習過程和實驗操作技能考核這幾個方面，對電機學課程進行了改革，經過實踐證明，上述教學改革能夠提高學生學習的積極性和主動性，有利于增強學生的應用創(chuàng)新能力.

參考文獻：

[1]劉毅力, 李彥斌. “電機學”課程教學改革探討與實踐[J].電氣電子教學學報, 2009, 31(4):104-105.

[2]李光友, 王建民, 孫雨萍. 控制電機[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3]湯蘊璆. 電機學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4]張新華, 楊澤斌, 朱熀秋.《電機與拖動基礎》精品課程建設改革與實踐[J]. 中國電力教育, 2008,(18): 120-121.