“電機學”課程的教學探討

“電機學”課程是電氣信息類、自動化類專業的一門核心基礎課程，也是一門承上啟下的平臺課，它是在學生對“電路原理”“電磁場”等相關基礎課程學習基礎上的專業課程，又是“電力系統分析”等后續專業課程的基礎，它擔負著為后續相關專業課程打下堅實基礎的任務，是理論與實際相結合的一門重要課程。它是從基礎理論課、技術理論課走向專業課學習和工程應用研究的基礎與紐帶，在整個電氣信息類專業教學中占有十分重要的地位。

本文根據多年的教學經驗，就“電機學”課程的教學內容、教學重點和難點、教學方法及教學手段方面進行了探討，以期對老師和學生在教學和學習過程中有一定的幫助。

課程特點

“電機學”課程的特點是理論性強、概念抽象、專業性特征明顯，同時它也是一門涉及學科知識面很廣的課程，涉及到電路、磁路、發熱與冷卻、機械、高壓與絕緣等方面的知識，學習中要求學生具有較寬的知識面和較強的綜合分析問題能力。由于它所具有的這些特點，一直以來，都是一門教師難教、學生難學的課程。

“電機學”課程為什么難教也難學？根據筆者多年的教學經驗，總結了課程主要特點：

（1）電和磁的結合。由于電機是電磁機械轉換裝置，既涉及電路理論，又涉及磁路理論，要求學生既要有較好的電路理論基礎，又要有較扎實的電磁場知識。

（2）非線性系統與運動系統結合。電機、變壓器中的主磁路是非線性，隨磁路飽和程度變化與之相關的參數都將發生變化，而且電機中的磁場是運動的——旋轉磁場，非線性系統與運動系統結合，增加了理解的難度。

（3）時間和空間結合。不僅有時間相量，還有空間矢量，時空、相矢結合，使理解更困難。

（4）相量和復數結合。涉及的數學運算是相量和復數運算，也是很多學生比較頭痛的內容。

正是由于該課程的以上特點，才使得它成為了大家公認的電氣大類課程中學習最困難的一門課程。

教學內容改進及教材建設

筆者所在四川大學電氣工程專業學生主要就業于各級電網公司，少數學生進入各發電集團（如廣核集團、長江電力等），電網公司和發電集團以外就業的學生比例非常低。另外，根據多屆學生學習情況看，在“電機學”課程學習時，很多學生對于一些相關的電路和磁路知識已經忘記或者當初學習時掌握得不好，影響了對“電機學”課程內容的學習和理解。

針對學生的以上實際情況，我們在教學內容進行了改進，編寫了普通高等學校“十一五”規劃教材，由機械工業出版社出版，該教材得到了國內很多高校認可，目前已重新印刷4次，發行量超過萬冊。教材內容方面，主要有以下特色：

（1）增加了磁路方面基礎知識的復習。

（2）變壓器、同步電機和異步電機工作原理介紹時強調基本電磁關系。

（3）削減了交流繞組的構成及布置部分內容。

（4）加大同步發電機部分內容，特別是強調了并網運行同步發電機的有功功率和無功功率調節以及非對稱運行方式分析等內容，便于學生對后續“電力系統分析”課程的學習。

（5）大大削減了直流電機部分內容。

課程教學的幾個關鍵點

根據筆者的多年教學經驗和各屆學生學習反饋情況，“電機學”課程教學過程中以下幾個關鍵點一定要重視，要求學生必須透徹理解。

電抗的物理意義

到了“電機學”學習階段，電抗已經不是新概念，但是教學中發現一些學生并沒有真正理解它的物理意義，所以對于后面的電路和磁路分析無法理解。筆者的教學體會是，在進行變壓器和電機知識教授前，一定要讓學生真正理解電抗的物理意義和影響電抗大小的因數，電抗的概念貫穿整個課程教學過程中。

電抗是磁路工作情況在電路中的反應，是聯系磁路和電路的紐帶。磁通在磁路中經過時所遇到的阻礙大，即磁阻大，產生相同的磁通所需要的磁動勢就大，勵磁電流也就大，而磁阻大小情況在電路中就是通過電抗來反應的，磁阻大電抗小，外加電壓一定的情況下流過繞組中的電流就大，這個電流此時是起勵磁作用的。這個概念清楚了，學生才能真正理解為什么磁路工作情況變化會影響電路工作情況，在電路中又是如何反應的。

在此基礎上，學生就很容易理解磁路飽和程度變化以后，電抗、勵磁電流等參數的變化情況。很多概念也就既可以用電路知識來分析理解，也可以用磁路知識來分析理解。

如變壓器空載電流為什么不大，如果用電路知識來分析，可以告訴學生，根據空載變壓器的等效電路，空載時電路中有一次繞組的漏阻抗和勵磁阻抗，而勵磁阻抗很大，所以空載電流小;也可以用磁路知識來分析，因為空載時變壓器中的磁通只有勵磁磁通，磁通一定時，根據磁路的歐姆定律，產生這個磁通所需要的磁動勢就與磁阻相關，磁阻大所需的磁動勢大，因為主磁路由導磁性能好的鐵磁材料構成，所以磁阻小，則空載時磁動勢小，勵磁電流（空載電流）也小。

這一點看起來很簡單，在教學中很容易被忽略，但是學生如果沒有能很好地理解這個關系和作用過程，后面的學習就變得很困難，特別是討論非線性磁路情況下，變壓器、電機勵磁阻抗、同步電抗隨磁路飽和程度變化而變化的關系時，學生腦子里就是一團漿糊。

電機、變壓器中磁路是非線性的

電機和變壓器額定電壓下，磁路都是工作在飽和狀態，為非線性，所以磁路的磁阻不是常數，隨飽和程度增大而減小，這一點要求學生必須牢記。

電機中的旋轉磁場

很多學生感覺變壓器學習相對容易，電機更困難，就在于電機中磁場是運動的，為旋轉磁場。

關于旋轉磁場，首先要區分機械旋轉磁場和電氣旋轉磁場，它們產生的原理，磁場的大小、旋轉方向等分別由什么決定，尤其需要對學生強調這兩種磁場的基波分量在電機中的作用效果相同，但是諧波分量是不同的，所以機械旋轉磁場和諧波旋轉磁場在定子繞組感應電動勢的頻率不同，學生往往對這種情況容易混淆。

學生弄懂了電機中旋轉磁場的問題，那么同步電機和異步電機就可以比較輕松地學習了。

最大限度地利用現代化教學手段

教學中，充分利用現代化教學手段，多媒體技術、錄像、FLASH、照片等多種方式結合，以便學生能對變壓器、電機有直觀的認識，尤其是電機中的運動部分配以錄像和FLASH動畫等對學生深刻理解有很大的幫助。

如對于變壓器和電機結構部分，學生沒有感性認識，尤其是交流電機繞組結構部分，僅憑教材和語言描述，是很難理解的，對這部分我們在教學中采用播放錄像，讓學生能把電機從里到外看得清清楚楚、明明白白。而像交流繞組脈振磁場和旋轉磁場這些理解困難的部分，制作了動畫，如圖1所示，（a）（b）分別為電氣旋轉磁場和機械旋轉磁場示意的動畫，通過動畫學生理解機械旋轉磁場和電氣旋轉磁場的區別就很容易多了。

通過對課程內容和教學方法等方面的改進，加上在教學過程中注重對基本知識的講解，尤其是學生難以理解的幾個關鍵點的重點講解，使學生們感覺“電機學”學習不再那么困難。

總體說來，“電機學”是一門教師難教、學生難學的課程，在實際的教學過程中，還需要根據學生所具備的基礎知識和實際情況，不斷調整教學思路和方法，不斷探索，才能收到良好的教學效果。（作者供職于四川大學電氣信息學院）