電工學實驗中研究性教學模式的實踐

唐平英　王海波　蔣艷玲

【摘 要】本文通過電動機的正反轉控制實驗教學案例的實施，充分表明了研究性教學模式在電工學實驗教學改革中發揮的重要作用。采用研究性實驗教學，不僅激發了學生科學研究的興趣，使得自主學習始終貫穿整個實驗過程，而且培養了學生的創新意識和實踐能力。電工學實驗中踐行研究性教學模式達到了以學生為本，因材施教，提高教學質量的目的。

【關鍵詞】研究性教學；電工學實驗；控制線路

電工學是高等院校非電類專業的一門重要技術基礎課程，實踐性強，涉及面廣。作為這門課的重要環節，電工學實驗不僅是驗證和鞏固所學理論，更重要的是培養學生的實踐能力。研究性教學可推動實驗教學內容、方法、手段及人才培養模式的改革和創新，大幅提高大學生的創新能力[1]。

1 電工學實驗中采用研究性教學模式的必要原因

目前大多數高等院校將電工學課程設置為首批開設的基礎課，一般的電工學實驗主要側重于傳統教學模式，安排的實驗內容多數是驗證性的。學生在實驗過程中基本上按照指導書上的電路圖連接導線，按規定的實驗步驟操作，依次讀取數據并填入已有的表格。這樣的教學模式雖然對操作規范的實驗演示和指導學生基本功的形成具有較好的引導作用，但它束縛了學生的主觀能動性。通過實驗環節激發學生科學研究的興趣，培養學生的創新意識和創新能力，提高學生專業素養和綜合素質，這才是開設電工學實驗的真正目的。

研究性實驗是與驗證性實驗相對應的一種教學模式[2]，是學生根據實驗指導教師提出的問題及要求去自行設計實驗方案、選用實驗方法、確定實驗線路圖、選擇實驗儀器、擬定實驗步驟，獨立操作的一種實驗教學模式。研究性實驗具有探索事物性質的設計性、應用性和綜合開發性，又稱為探究性實驗，該教學模式適合于高校實驗。研究性實驗充分發揮了學生的自由空間，積極引導學生進行思考和探索，讓學生有興趣地、獨立地開展實驗，觀察實驗，總結實驗，調動了學生自行解決問題的主觀能動性。然而要實現驗證性實驗向研究性實驗的轉變，是需要雄厚的科研基礎和大量的實驗經費支撐的，如何立足現實搭建實驗系統并研發配套的實驗裝置一直以來都是電工學實驗課程改革的主要任務。

2 研究性教學模式在電工學實驗中的案例

本文以電動機的正反轉控制實驗為例，利用現有的教學資源搭建實驗平臺，大膽嘗試嶄新教學模式、施行教學改革，充分說明研究性教學模式是一種新穎的教學理念。

2.1 著眼問題，提出要求

現代機床或其他生產機械往往要求運動部件向正反兩個方向運動。例如，機床工作臺的前進與后退，主軸的正轉與反轉，起重機的提升與下降，等等。要求學生研究設計一個用控制電器來實現電動機正反轉的控制線路。實驗指導教師可從創造問題情境出發，從而激發學生的興趣和探究熱情，引導學生自行查閱資料，達到解決問題的目的。

在實驗教學過程中，首先對學生提出幾個問題：（1）目前常用的控制電器有哪些？它們的結構和功能分別是什么？（2）實現電動機正反轉的關鍵控制電器是什么？如何實現？（3）除了實現正反轉功能之外，控制線路還應考慮哪些因素？該提問過程可幫助學生全方位思考問題，加強了師生和生生之間的交流，培養了學生主動學習和求知的能力，增加了學習知識的積極性，給學生自主研究提供條件。

2.2 積極探索，設計方案

在學習三相異步電動機的工作原理時已經知道[3]，當三相異步電動機定子鐵芯中的繞組通入三相電流后，就會產生旋轉磁場，該磁場會帶動轉子同向轉動。只要將接到電源的任意兩根線對調一頭，旋轉磁場就會反轉，電動機也跟著反轉。為了實現電動機正反轉的要求，必須要用兩個交流接觸器分別控制其正向轉動和反向轉動。在同一時間里電動機只能一個方向旋轉，也就是兩個交流接觸器只有一個工作，若兩個交流接觸器同時工作了，將有兩根電源線通過它們的主觸點而將電源短路。因此，電動機正反轉控制線路最根本的要求是：必須保證兩個交流接觸器不能同時工作。

學生通過回顧所學理論知識、查閱資料，了解該課題的研究現狀和實驗方法，選擇合適的實驗儀器，初步完成研究方案。實驗指導教師對研究方案的可行性、科學性進行論證，結合現有實驗室條件，對方案進行修改和完善。

2.3 共同研討，開展實驗

實驗室提供了三相異步電動機和常見的控制電器組合開關、按鈕、交流接觸器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器及自動空氣短路器等等。學生可以先考慮電動機單向轉動的情況。此時，啟動按鈕和停止按鈕是必不可少的，它們分別實現了控制線路的啟動和停止。交流接觸器的結構和功能使其常用于接通和斷開電動機或其他設備的主電路。它有主觸點和輔助觸點兩種，主觸點能通過較大電流，接在電動機的主電路中；輔助觸點通過電流較小，常接在電動機的控制電路中。由于啟動按鈕在松開時其觸點會在彈簧的作用下恢復到斷開位置，為了保持電動機的連續轉動，學生在設計電路時必須考慮到自鎖。自鎖功能可用交流接觸器的輔助觸點來實現。此外我們還應該考慮電路的保護作用，熱繼電器可以用來保護電動機使之免受長期過載危害。熔斷器是最簡單而有效的短路保護電器，可以將其安裝在主電路里。其實交流接觸器本身就可以實現零壓（或失壓）保護。通過實驗指導教師對關鍵知識點的指導，可有效促進學生創見性地思考問題解決問題。此時我們就可以設計出如圖1所示的單向轉動控制線路圖。

圖1 電動機單向轉動控制線路圖

在電動機單向轉動的基礎上，學生再開拓思路，積極思考正反轉都實現的情況。可在單向轉動控制線路的基礎上多設計一條電路，使其達到控制電動機的反向轉動的目的即可。但該控制線路的關鍵在于如何保證同一時間里兩個交流接觸器只有一個工作，即實現互鎖（或連鎖）保護。圖2所示的控制線路就是由兩條電路組成，上面一條控制正向轉動，下面一條控制反向轉動。每一條電路中都有啟動按鈕，分別控制正向啟動（SBF）和反向啟動（SBR），停止按鈕則可合并為一個（SB1）。該控制線路在使用正轉交流接觸器KMF和反轉交流接觸器KMR分別控制正向和反向轉動時，同時也采用了正反轉交流接觸器的動合自鎖觸點來實現自鎖。另外，過載保護也通過同一個熱繼電器FR得以實現。通過比較發現，圖2所示控制線路中，KMF的一個動斷輔助觸點串接在KMR的線圈線路中，而KMR的一個動斷輔助觸點串接在KMF的線圈線路中。當按下正轉啟動按鈕SBF時，KMF線圈通電，主觸點KMF閉合，電動機正轉。同時，KMF的動斷輔助觸點斷開了KMR的線圈線路，這樣就保證了即使誤按反轉啟動按鈕KMR也不能動作。KMF和KMR的這兩個動斷輔助觸點的連入實現了聯鎖保護，它們也稱為聯鎖觸點。

圖2 電動機正反轉動控制線路圖

其實這樣一種控制電路也是有缺點的，比如在正轉過程中要求反轉時，只能先按停止按鈕SB1，讓聯鎖觸點KMF閉合后，才能按反轉啟動按鈕SBR使電動機反轉，這樣就造成操作上的不便。感興趣的同學可以在此基礎上嘗試修改控制電路，解決這個問題。

學生在設計好合理的實驗電路之后，自己連線，同時實驗指導教師要對學生的實驗進行檢查，發現問題一起討論，發現錯誤及時糾正。經實驗指導教師許可后方可供電操作運行，要求學生仔細觀察積極思考，獨立操作完成實驗。

3 研究性教學模式在電工學實驗中的成效

該實驗過程從實驗內容的確定到實驗的開展，都是學生獨立完成的。學生從質疑、查找到解疑的過程中不斷學習與收獲，培養了獨立分析和解決實驗問題的能力，達到了理論聯系實際的目的，學生的實驗操作技能普遍得到提高。實驗指導教師會就整個實驗的可行性等提出意見或建議，并適當的啟發學生。過去許多學生認為電工學實驗只是重復前人已經完成過的實驗步驟和數據，很難有突破，由于采用了研究性的教學模式，該實驗變成了一個生動有趣，富有吸引力的課程。我們在實踐過程中，提高了教學質量，獲得了較好的教學效果。

【參考文獻】

[1]李志杰，付浩，王治國，等.納米薄膜的研究性教學實驗設計探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（8）：118-120.

[2]王明彥.構建研究性實驗教學體系的思考與實踐[J].中國大學教學，2009，3： 75-77.

[3]秦曾煌.電工學（上冊）：電工技術[M].6版.北京：高等教育出版社，2003.

[責任編輯：薛俊歌]