電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中研究性教學(xué)模式的實(shí)踐

唐平英　王海波　蔣艷玲

【摘 要】本文通過電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的實(shí)施，充分表明了研究性教學(xué)模式在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中發(fā)揮的重要作用。采用研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅激發(fā)了學(xué)生科學(xué)研究的興趣，使得自主學(xué)習(xí)始終貫穿整個實(shí)驗(yàn)過程，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中踐行研究性教學(xué)模式達(dá)到了以學(xué)生為本，因材施教，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

【關(guān)鍵詞】研究性教學(xué)；電工學(xué)實(shí)驗(yàn)；控制線路

電工學(xué)是高等院校非電類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，實(shí)踐性強(qiáng)，涉及面廣。作為這門課的重要環(huán)節(jié)，電工學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是驗(yàn)證和鞏固所學(xué)理論，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。研究性教學(xué)可推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法、手段及人才培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新，大幅提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。

1 電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用研究性教學(xué)模式的必要原因

目前大多數(shù)高等院校將電工學(xué)課程設(shè)置為首批開設(shè)的基礎(chǔ)課，一般的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重于傳統(tǒng)教學(xué)模式，安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多數(shù)是驗(yàn)證性的。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中基本上按照指導(dǎo)書上的電路圖連接導(dǎo)線，按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟操作，依次讀取數(shù)據(jù)并填入已有的表格。這樣的教學(xué)模式雖然對操作規(guī)范的實(shí)驗(yàn)演示和指導(dǎo)學(xué)生基本功的形成具有較好的引導(dǎo)作用，但它束縛了學(xué)生的主觀能動性。通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)，這才是開設(shè)電工學(xué)實(shí)驗(yàn)的真正目的。

研究性實(shí)驗(yàn)是與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的一種教學(xué)模式[2]，是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師提出的問題及要求去自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、選用實(shí)驗(yàn)方法、確定實(shí)驗(yàn)線路圖、選擇實(shí)驗(yàn)儀器、擬定實(shí)驗(yàn)步驟，獨(dú)立操作的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。研究性實(shí)驗(yàn)具有探索事物性質(zhì)的設(shè)計性、應(yīng)用性和綜合開發(fā)性，又稱為探究性實(shí)驗(yàn)，該教學(xué)模式適合于高校實(shí)驗(yàn)。研究性實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了學(xué)生的自由空間，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和探索，讓學(xué)生有興趣地、獨(dú)立地開展實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)，調(diào)動了學(xué)生自行解決問題的主觀能動性。然而要實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向研究性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，是需要雄厚的科研基礎(chǔ)和大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)支撐的，如何立足現(xiàn)實(shí)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并研發(fā)配套的實(shí)驗(yàn)裝置一直以來都是電工學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革的主要任務(wù)。

2 研究性教學(xué)模式在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中的案例

本文以電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)為例，利用現(xiàn)有的教學(xué)資源搭建實(shí)驗(yàn)平臺，大膽嘗試嶄新教學(xué)模式、施行教學(xué)改革，充分說明研究性教學(xué)模式是一種新穎的教學(xué)理念。

2.1 著眼問題，提出要求

現(xiàn)代機(jī)床或其他生產(chǎn)機(jī)械往往要求運(yùn)動部件向正反兩個方向運(yùn)動。例如，機(jī)床工作臺的前進(jìn)與后退，主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，起重機(jī)的提升與下降，等等。要求學(xué)生研究設(shè)計一個用控制電器來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制線路。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可從創(chuàng)造問題情境出發(fā)，從而激發(fā)學(xué)生的興趣和探究熱情，引導(dǎo)學(xué)生自行查閱資料，達(dá)到解決問題的目的。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，首先對學(xué)生提出幾個問題：（1）目前常用的控制電器有哪些？它們的結(jié)構(gòu)和功能分別是什么？（2）實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵控制電器是什么？如何實(shí)現(xiàn)？（3）除了實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能之外，控制線路還應(yīng)考慮哪些因素？該提問過程可幫助學(xué)生全方位思考問題，加強(qiáng)了師生和生生之間的交流，培養(yǎng)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)和求知的能力，增加了學(xué)習(xí)知識的積極性，給學(xué)生自主研究提供條件。

2.2 積極探索，設(shè)計方案

在學(xué)習(xí)三相異步電動機(jī)的工作原理時已經(jīng)知道[3]，當(dāng)三相異步電動機(jī)定子鐵芯中的繞組通入三相電流后，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場會帶動轉(zhuǎn)子同向轉(zhuǎn)動。只要將接到電源的任意兩根線對調(diào)一頭，旋轉(zhuǎn)磁場就會反轉(zhuǎn)，電動機(jī)也跟著反轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的要求，必須要用兩個交流接觸器分別控制其正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動。在同一時間里電動機(jī)只能一個方向旋轉(zhuǎn)，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(diǎn)而將電源短路。因此，電動機(jī)正反轉(zhuǎn)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(xué)生通過回顧所學(xué)理論知識、查閱資料，了解該課題的研究現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)方法，選擇合適的實(shí)驗(yàn)儀器，初步完成研究方案。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對研究方案的可行性、科學(xué)性進(jìn)行論證，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，對方案進(jìn)行修改和完善。

2.3 共同研討，開展實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室提供了三相異步電動機(jī)和常見的控制電器組合開關(guān)、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(xué)生可以先考慮電動機(jī)單向轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了控制線路的啟動和停止。交流接觸器的結(jié)構(gòu)和功能使其常用于接通和斷開電動機(jī)或其他設(shè)備的主電路。它有主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)兩種，主觸點(diǎn)能通過較大電流，接在電動機(jī)的主電路中；輔助觸點(diǎn)通過電流較小，常接在電動機(jī)的控制電路中。由于啟動按鈕在松開時其觸點(diǎn)會在彈簧的作用下恢復(fù)到斷開位置，為了保持電動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動，學(xué)生在設(shè)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。此外我們還應(yīng)該考慮電路的保護(hù)作用，熱繼電器可以用來保護(hù)電動機(jī)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(hù)電器，可以將其安裝在主電路里。其實(shí)交流接觸器本身就可以實(shí)現(xiàn)零壓（或失壓）保護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對關(guān)鍵知識點(diǎn)的指導(dǎo)，可有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)見性地思考問題解決問題。此時我們就可以設(shè)計出如圖1所示的單向轉(zhuǎn)動控制線路圖。

圖1 電動機(jī)單向轉(zhuǎn)動控制線路圖

在電動機(jī)單向轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)上，學(xué)生再開拓思路，積極思考正反轉(zhuǎn)都實(shí)現(xiàn)的情況。可在單向轉(zhuǎn)動控制線路的基礎(chǔ)上多設(shè)計一條電路，使其達(dá)到控制電動機(jī)的反向轉(zhuǎn)動的目的即可。但該控制線路的關(guān)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(shí)現(xiàn)互鎖（或連鎖）保護(hù)。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(zhuǎn)動，下面一條控制反向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)交流接觸器KMF和反轉(zhuǎn)交流接觸器KMR分別控制正向和反向轉(zhuǎn)動時，同時也采用了正反轉(zhuǎn)交流接觸器的動合自鎖觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自鎖。另外，過載保護(hù)也通過同一個熱繼電器FR得以實(shí)現(xiàn)。通過比較發(fā)現(xiàn)，圖2所示控制線路中，KMF的一個動斷輔助觸點(diǎn)串接在KMR的線圈線路中，而KMR的一個動斷輔助觸點(diǎn)串接在KMF的線圈線路中。當(dāng)按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SBF時，KMF線圈通電，主觸點(diǎn)KMF閉合，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。同時，KMF的動斷輔助觸點(diǎn)斷開了KMR的線圈線路，這樣就保證了即使誤按反轉(zhuǎn)啟動按鈕KMR也不能動作。KMF和KMR的這兩個動斷輔助觸點(diǎn)的連入實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖保護(hù)，它們也稱為聯(lián)鎖觸點(diǎn)。

圖2 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)動控制線路圖

其實(shí)這樣一種控制電路也是有缺點(diǎn)的，比如在正轉(zhuǎn)過程中要求反轉(zhuǎn)時，只能先按停止按鈕SB1，讓聯(lián)鎖觸點(diǎn)KMF閉合后，才能按反轉(zhuǎn)啟動按鈕SBR使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，這樣就造成操作上的不便。感興趣的同學(xué)可以在此基礎(chǔ)上嘗試修改控制電路，解決這個問題。

學(xué)生在設(shè)計好合理的實(shí)驗(yàn)電路之后，自己連線，同時實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師要對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題一起討論，發(fā)現(xiàn)錯誤及時糾正。經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師許可后方可供電操作運(yùn)行，要求學(xué)生仔細(xì)觀察積極思考，獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)。

3 研究性教學(xué)模式在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中的成效

該實(shí)驗(yàn)過程從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的確定到實(shí)驗(yàn)的開展，都是學(xué)生獨(dú)立完成的。學(xué)生從質(zhì)疑、查找到解疑的過程中不斷學(xué)習(xí)與收獲，培養(yǎng)了獨(dú)立分析和解決實(shí)驗(yàn)問題的能力，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際的目的，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能普遍得到提高。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師會就整個實(shí)驗(yàn)的可行性等提出意見或建議，并適當(dāng)?shù)膯l(fā)學(xué)生。過去許多學(xué)生認(rèn)為電工學(xué)實(shí)驗(yàn)只是重復(fù)前人已經(jīng)完成過的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)，很難有突破，由于采用了研究性的教學(xué)模式，該實(shí)驗(yàn)變成了一個生動有趣，富有吸引力的課程。我們在實(shí)踐過程中，提高了教學(xué)質(zhì)量，獲得了較好的教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李志杰，付浩，王治國，等.納米薄膜的研究性教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（8）：118-120.

[2]王明彥.構(gòu)建研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的思考與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009，3： 75-77.

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

[責(zé)任編輯：薛俊歌]