電機(jī)學(xué)教學(xué)體系優(yōu)化改革的研究與實踐

孫振剛 孔蓮芳 魏德仙 程良鴻 許俊云

華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510642

電機(jī)學(xué)教學(xué)體系優(yōu)化改革的研究與實踐

孫振剛 孔蓮芳 魏德仙 程良鴻 許俊云

華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510642

電機(jī)學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，針對其理論性強(qiáng)、難點(diǎn)突出、學(xué)時壓縮較多等特點(diǎn)，再結(jié)合“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重實踐”的教育方針，有必要對電機(jī)學(xué)的教學(xué)體系進(jìn)行優(yōu)化改革，教學(xué)內(nèi)容要重點(diǎn)突出、層次分明，教學(xué)方法要適當(dāng)有效，教學(xué)手段工具要靈活多變、豐富多彩，在理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的仿真實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實踐教學(xué)，通過體系的優(yōu)化構(gòu)建，提高教學(xué)的效果。

電機(jī)學(xué)；教學(xué)體系；優(yōu)化改革

電機(jī)學(xué)是一門經(jīng)典而又不斷發(fā)展的學(xué)科，歷來是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。本課程在整個專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，不僅能為后續(xù)專業(yè)課，例如電力系統(tǒng)分析、發(fā)電廠電氣部分、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電力拖動等，打下必要的理論基礎(chǔ)，而且需要和其他課程結(jié)合在一起，如單片機(jī)、PLC、電子電子技術(shù)、電氣控制技術(shù)、MATLAB語言及仿真等，能為電機(jī)實際運(yùn)行過程中遇到的問題提供分析方法和解決方案。由于電機(jī)可以作為其他課程很好的實踐鍛煉對象，因而本課程的教學(xué)質(zhì)量將對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生很大的影響。因此，電機(jī)學(xué)在專業(yè)課程設(shè)置中具有關(guān)鍵地位，是必須掌握的一門專業(yè)課程。

1 目前電機(jī)學(xué)教學(xué)體系現(xiàn)狀

從教學(xué)內(nèi)容上來看，電機(jī)學(xué)是一門難學(xué)難教的課程，原因有以下幾方面。(1)該課程理論性強(qiáng)、抽象概念多，例如電磁量隨時間、空間坐標(biāo)的復(fù)雜變化關(guān)系，不同類型電機(jī)的平衡方程、相量圖等各不相同，同一電機(jī)中又存在折算、對稱與不對稱、基波與諧波、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)等問題。(2)該課程涉及的基礎(chǔ)理論和實際知識面廣，包括電、磁、力、熱、機(jī)械等多門學(xué)科，基礎(chǔ)性和專業(yè)性知識兼具。(3)該課程的實驗及實踐需要運(yùn)用其他課程的知識，例如通過MATLAB進(jìn)行特性仿真，采用單片機(jī)、PLC對電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制等，因此綜合性很強(qiáng)。由于重點(diǎn)、難點(diǎn)多，要求學(xué)生掌握知識信息量大，同時要求學(xué)生會自行設(shè)計實驗方案，容易讓學(xué)生感到頭緒多、概念抽象、乏味枯燥、難以理解和掌握，甚至個別學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、抵觸情緒。有調(diào)查顯示[2]，電機(jī)學(xué)是部分學(xué)生大學(xué)期間最討厭的課程之一。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)原有的本科培養(yǎng)計劃中，電機(jī)學(xué)課程理論學(xué)時為72學(xué)時。根據(jù)培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的教育方針，為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)最近幾年對本科培養(yǎng)計劃進(jìn)行了修訂，電機(jī)學(xué)課程理論學(xué)時壓縮為64學(xué)時，要求更多的課程設(shè)計、實驗、實踐。理論課時的減少并不意味著可以簡單地刪減教學(xué)內(nèi)容，為了保證教學(xué)效果不受課時壓縮的影響，為了培養(yǎng)既有理論知識，又有動手實踐能力的復(fù)合型、應(yīng)用型人才，必須對電機(jī)學(xué)課程教學(xué)體系進(jìn)行整體優(yōu)化改革，包括對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、實驗實踐等方面進(jìn)行全面改革，從而確保取得良好的教學(xué)效果。

2 電機(jī)學(xué)教學(xué)體系改革的有效途徑

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1.1 教材選擇

選擇合適的教材，能夠突出專業(yè)重點(diǎn)，刪減過時、次要內(nèi)容，輔以新技術(shù)、新型電機(jī)作為擴(kuò)充知識。例如以機(jī)械工業(yè)出版社出版、湯蘊(yùn)璆編著的《電機(jī)學(xué)(第4版)》作為主干教材，該教材是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，其中磁路、變壓器、直流電機(jī)、交流電機(jī)理論的共同問題、感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)作為授課的內(nèi)容，而機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理、單相串激電動機(jī)、永磁電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、控制電機(jī)等內(nèi)容作為擴(kuò)充和深化，供程度較好的學(xué)生自學(xué)。

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容舍取

對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心選擇，對如單相感應(yīng)電動機(jī)等生產(chǎn)實際應(yīng)用較少而又較難掌握的內(nèi)容做了刪除；同時舍棄了后續(xù)專業(yè)課中有詳細(xì)闡述、與電機(jī)學(xué)重疊的內(nèi)容，如直流電機(jī)拖動、感應(yīng)電動機(jī)拖動等。由于感應(yīng)電機(jī)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而得到普遍的應(yīng)用，從而使直流電機(jī)的一些缺點(diǎn)變得突出，如換向火花價格較貴，因此教學(xué)中更注重感應(yīng)電機(jī)的講解，而壓縮了直流電機(jī)部分的學(xué)時。雖然同步電機(jī)的不對稱運(yùn)行和突然短路等內(nèi)容是電力系統(tǒng)中必須要面對的問題，但此部分較難掌握，且后續(xù)專業(yè)課程會有分析，故而偏重于讓學(xué)生理解基本概念。對于電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)部分，概念抽象而耗時較多，因而采用視頻教學(xué)讓學(xué)生直觀了解，同時也減少此部分講解學(xué)時。為突出專業(yè)特色，注重電機(jī)在電力系統(tǒng)中的作用，對變壓器、同步電機(jī)兩部分的學(xué)時安排相對較多。

2.1.3 教學(xué)順序安排

教學(xué)順序按兩條主線安排(見表1)。一是按發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，突出專業(yè)特色，強(qiáng)調(diào)變壓器及發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，作為后續(xù)電力系統(tǒng)分析、繼電保護(hù)等課程的基礎(chǔ)。二是按電動系統(tǒng)設(shè)計，突出電動機(jī)在各生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用，作為后續(xù)電力拖動等課程的基礎(chǔ)。在講完基礎(chǔ)知識磁路之后，開始講解變壓器，由于磁路理論相對比較簡單，而變壓器的基本概念在物理學(xué)中已有接觸，這樣入手發(fā)電系統(tǒng)主線，既避免一開始難度太大，又能使學(xué)生對專業(yè)特色充滿興趣，再講解交流繞組，以及以此為基礎(chǔ)的同步發(fā)電機(jī)。接著再以電動系統(tǒng)為線授課，講完同樣以交流繞組為基礎(chǔ)的感應(yīng)電動機(jī)后。最后講解直流電機(jī)部分的內(nèi)容。這樣的教學(xué)順序安排，使授課內(nèi)容層次分明，邏輯關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，循序漸進(jìn)，易于學(xué)生的理解和掌握。

表1 電機(jī)學(xué)教學(xué)主線安排

2.2 教學(xué)方法、手段、工具改革

2.2.1 教學(xué)方法改革

由于電機(jī)學(xué)理論性強(qiáng)、概念抽象，單一的“照本宣科”式授課的教學(xué)效果很差，教學(xué)方法必須靈活多變，適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法會對教學(xué)質(zhì)量起到事半功倍的效果。

(1)對比式教學(xué)法

對比式教學(xué)的目的把相互之間有聯(lián)系的知識點(diǎn)串聯(lián)在一起，以對比的形式呈現(xiàn)出來，總結(jié)性強(qiáng)，極大地刺激了學(xué)生的理解及記憶。如表2將本課程中交流電各類型電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了對比。

表2 交流電各類型電機(jī)的特點(diǎn)對比

除此之外，還有許多內(nèi)容都可以采用對比式教學(xué)：磁路的基本定律與電路的基本定律，直流發(fā)電機(jī)的工作原理與同步發(fā)電機(jī)的工作原理，變壓器的并聯(lián)運(yùn)行與同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行，同步發(fā)電機(jī)的V形曲線與同步電動機(jī)的V形曲線等。通過運(yùn)用對比式教學(xué)方法，易于突出各相關(guān)知識點(diǎn)的特點(diǎn)，易于學(xué)生理順脈絡(luò)、加深記憶，同時溫故知新，提高了學(xué)習(xí)效率。

(2)推理式教學(xué)法

推理式教學(xué)法的目的是通過已知條件推導(dǎo)得到結(jié)論，再把此結(jié)論作為已知條件進(jìn)行層層推導(dǎo)。圖1揭示了電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換載體的本質(zhì)，并把電機(jī)電磁的基本定律間的關(guān)聯(lián)性展現(xiàn)出來。

圖1 電機(jī)學(xué)基本定律及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

通過圖1，可以層層揭示電機(jī)電、磁間關(guān)系，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的本質(zhì)，脈絡(luò)清晰，邏輯關(guān)系性強(qiáng)，易于理解掌握。

另外，電機(jī)由空載狀態(tài)到負(fù)載狀態(tài)，感應(yīng)電機(jī)繞組折算前后狀態(tài)等，都可以進(jìn)行層層推導(dǎo)，由簡單到復(fù)雜，搭建前后知識點(diǎn)的邏輯關(guān)聯(lián)。

(3)啟發(fā)式教學(xué)法

啟發(fā)式教學(xué)的目的是引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的興趣，并指引學(xué)生自發(fā)的尋找答案。例如在講解完變壓器勵磁參數(shù)時，啟發(fā)學(xué)生思考如下問題：主磁通的大小取決于什么？漏抗壓降是否可以忽略？勵磁阻抗與鐵心導(dǎo)磁性能的關(guān)系？勵磁阻抗與勵磁電流的關(guān)系？一次側(cè)電壓變化時鐵耗、勵磁阻抗如何變化？這些問題難度由淺入深，循序漸進(jìn)，便于學(xué)生思考分析，并結(jié)合之前學(xué)過的電磁知識來得到答案，在回顧電磁知識的同時，又掌握了變壓器的原理。啟發(fā)式教學(xué)方法需要進(jìn)行周密的設(shè)計問題，設(shè)計的問題既不能過分簡單，又不能過分抽象和復(fù)雜，最好是問題一環(huán)套一環(huán)，難度逐漸加深至適中，在激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生興趣、積極思考的同時，又逐步樹立起學(xué)生的自信心。

2.2.2 教學(xué)手段、工具改革

除了教學(xué)方法得當(dāng)之外，運(yùn)用豐富多彩、恰當(dāng)有效的教學(xué)手段工具也是提升教學(xué)效果的有效途徑之一。

(1)多媒體教學(xué)為主，黑板教學(xué)為輔

多媒體在現(xiàn)代教學(xué)中已是不可或缺的手段工具之一，因為電子課件可以在相同的時間內(nèi)講授更多內(nèi)容，提高教學(xué)效率；同時高質(zhì)量的電子課件既能突出重點(diǎn)、羅列邏輯關(guān)系，還能通過動畫、對比等方式給學(xué)生留下深刻的印象，因此授課以多媒體教學(xué)為主，通過精心設(shè)計電子課件來提升課堂教學(xué)質(zhì)量。另外，針對公式推導(dǎo)較多的內(nèi)容以及畫龍點(diǎn)睛總結(jié)性的知識點(diǎn)，可以采用交互性很強(qiáng)的黑板教學(xué)方式，牢牢抓住學(xué)生的思路，提高教學(xué)效果。

(2)文字教學(xué)與照片、動畫、視頻教學(xué)并舉

在多媒體教學(xué)中，除了必需的文字公式內(nèi)容之外，為了讓學(xué)生理解掌握抽象枯燥的概念及原理，非常有必要采用照片、動畫、視頻等手段工具，加深學(xué)生的理解，并且能夠把理論和實際聯(lián)系起來。例如用實物照片讓學(xué)生認(rèn)識各種電機(jī)的結(jié)構(gòu)、銘牌參數(shù)；用動畫演示來讓學(xué)生了解交流繞組的磁勢性質(zhì)及波形和各類電機(jī)的基本工作原理；用視頻讓學(xué)生了解和掌握各類電機(jī)的結(jié)構(gòu)和用途等。

(3)利用教學(xué)網(wǎng)站或社交平臺

利用我校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺，建設(shè)電機(jī)學(xué)課程教學(xué)網(wǎng)站，將電子課件、照片、動畫、視頻、參考文獻(xiàn)等教學(xué)資料放入網(wǎng)站中讓學(xué)生瀏覽和下載；通過教學(xué)網(wǎng)站或社交平臺布置課程作業(yè)、進(jìn)行師生互動討論；通過教學(xué)網(wǎng)站設(shè)計調(diào)查問卷、獲取教學(xué)反饋，及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題并得到有效改進(jìn)。

2.3 教學(xué)實驗、實踐改革

除了理論教學(xué)之外，如何把抽象的理論知識和具體的實際應(yīng)用結(jié)合起來，也是人才培養(yǎng)的一個重要方向。為此，需要增強(qiáng)實驗、實踐方面的教學(xué)工作。

2.3.1 仿真實驗教學(xué)

在動手開展實驗、實踐之前，可以先采取仿真實驗的方法[3]，采用MATLAB軟件驗證理論知識，比如電機(jī)的機(jī)械特性曲線隨電壓或電阻變化時的變化規(guī)律、調(diào)速或制動時機(jī)械特性的變化規(guī)律、并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵過程、變壓器不同負(fù)載下的相量圖、變壓器空載電流曲線及諧波分析、變壓器外特性及效率曲線、同步電機(jī)的功角特性、同步電機(jī)的V形曲線等。通過仿真實驗，一方面可以彌補(bǔ)真實實驗設(shè)備受限而無法完成的實驗；另一方面又可以仔細(xì)分析電機(jī)學(xué)中的動態(tài)現(xiàn)象，同時要求學(xué)生熟悉MATLAB軟件，掌握一門程序語言工具，提高學(xué)生的綜合能力。

2.3.2 綜合性實驗教學(xué)

在初步掌握了理論基礎(chǔ)，并通過仿真實驗驗證了理論知識之后，進(jìn)一步通過綜合性實驗來培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、問題解決能力、理論聯(lián)系實際的應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力。首先是基礎(chǔ)性實驗，包括各類電機(jī)的空載特性、短路特性、外特性、機(jī)械特性測試等實驗，基礎(chǔ)性實驗培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和觀察能力。其次是綜合性實驗，結(jié)合其他課程學(xué)到的知識，如單片機(jī)、PLC、電力電子技術(shù)、電力拖動等課程；設(shè)計綜合性實驗讓學(xué)生完成，如讓學(xué)生設(shè)計電力電子變流裝置，并用單片機(jī)或用PLC對各類電機(jī)的起動、正反轉(zhuǎn)、加減速、制動進(jìn)行控制，達(dá)到預(yù)設(shè)的性能指標(biāo)。在實驗教學(xué)過程中，要對學(xué)生開放實驗室，并改革考核方法[4]，綜合評定。綜合性實驗除了要求學(xué)生熟練應(yīng)用Protel99，Multsim等軟件工具，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生具備方案設(shè)計以及分析和解決問題的能力。

2.3.3 創(chuàng)新性實踐教學(xué)

在學(xué)生實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，還要有大量的實踐教學(xué)提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。除了常規(guī)的實習(xí)實踐活動，例如到電機(jī)廠、發(fā)電廠參觀實習(xí)、到水電站培訓(xùn)實習(xí)外，還要鼓勵學(xué)生順應(yīng)社會發(fā)展潮流、緊扣當(dāng)前科技發(fā)展熱點(diǎn)，并結(jié)合個人興趣，開展創(chuàng)新性實踐教學(xué)活動，比如讓學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、節(jié)能減排項目、電子科技競賽項目、交通科技競賽項目等，對農(nóng)業(yè)機(jī)械、無人機(jī)、智能小車、機(jī)器人、風(fēng)力發(fā)電等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計研制，開發(fā)具有實用價值的裝置工具。創(chuàng)新性實踐教學(xué)更加注重學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力和工程意識的培養(yǎng)，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要方式。

2.4 教學(xué)考核方式改革

為了合理、全面考核學(xué)生對電機(jī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)程度，綜合考慮學(xué)生的主觀能動性和客觀掌握情況，需要考核方式多樣化。

根據(jù)我校本科教學(xué)課程考核大綱要求，考核成績應(yīng)由平時成績和期末考試成績兩部分組成，平時成績占比不低于40%。因此，在設(shè)計平時成績考核時，應(yīng)采取多種方式，由隨堂小測、課堂討論、課后專題報告、期中考核等組成，將考核分階段進(jìn)行并貫穿到整個教學(xué)過程中。隨堂測試能及時了解學(xué)生對知識點(diǎn)的把握能力，也起到復(fù)習(xí)和鞏固知識的作用；課堂討論可以就一些重點(diǎn)、難點(diǎn)等知識點(diǎn)讓學(xué)生展開討論，從而加深學(xué)生對這些知識點(diǎn)的理解和掌握能力；專題報告的目的是加強(qiáng)理論聯(lián)系實際，讓學(xué)生分組查閱相關(guān)資料、展開討論，并凝練成一篇專題報告，從而提高學(xué)生積極主動性、學(xué)術(shù)分析和研究能力、理論結(jié)合實際能力；期中考試有助于在教學(xué)中期了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并讓學(xué)生對所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行一次概括和復(fù)習(xí)，加深和鞏固理解。如果條件許可，將進(jìn)一步開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化的考試系統(tǒng)軟件[5]，可提高工作效率，有效檢查教學(xué)成果。

3 結(jié)束語

本文針對電機(jī)學(xué)課程教學(xué)體系目前存在問題展開分析，進(jìn)而提出了教學(xué)體系改革的方法，并從四方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，教學(xué)內(nèi)容方面要選擇適當(dāng)?shù)慕滩摹?nèi)容要取舍得當(dāng)、授課順序要安排合理；教學(xué)方法方面多種方法并用，通過對比式、推理式、啟發(fā)式教學(xué)，提高課堂教學(xué)效果；教學(xué)手段工具方面要以多媒體為主、黑板教學(xué)為輔，并結(jié)合照片、動畫、視頻教學(xué)，通過網(wǎng)站平臺及社交軟件和學(xué)生及時溝通，并展開多樣化、綜合性考核；實驗實踐方面通過仿真實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實踐活動，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)工具應(yīng)用能力、方案設(shè)計能力、分析問題能力、解決問題能力、動手能力、創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力，能夠把理論與實踐緊密結(jié)合在一起，從而更好地培養(yǎng)了工程應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才。

[1]曹永娟,張群.《電機(jī)學(xué)》課程改革探討[J].中國電力教育,2008 (110):83-84.

[2]肖金鳳,朱榮輝,盛義發(fā).電氣工程及其自動化專業(yè)電機(jī)學(xué)教學(xué)改革研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2003,15(6):97-99.

[3]張金霞,王振華,韓進(jìn)輝.電機(jī)學(xué)的教學(xué)改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(11):37-38,41.

[4]李朝生,李先允.應(yīng)用型本科電機(jī)學(xué)實驗教學(xué)改革與探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(19):105-107.

[5]梁艷萍,陶大軍,魏靜微.“電機(jī)學(xué)”課程題庫建設(shè)與考試改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013,35(4):7-9.

Study and Practice on the Optimization Reform of Electrical Machinery Teaching System

Sun Zhengang, Kong Lianfang, Wei Dexian, Cheng Lianghong, Xu Junyun

The South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, China

Electrical machinery is an important basic subject for electrical engineering. The theory is too difficult to understand, and the teaching period is cut down, which result in the big challenge of teaching task. Hence, it’s necessary to reform the electrical machinery teaching system to solve these problems, while to widen the specification and enhance the foundation and practices. The teaching key is outstanding and distinct, the teaching methods are reliable and effective, the teaching forms and tools are multifarious and convenient. Moreover, many simulation and comprehensive experiments, innovative practices and operations are designed to verify the theories and consolidate the knowledge. The optimization reform of electrical machinery teaching system achieves better teaching results.

electrical machinery; teaching system; optimization reform

2016-05-23

孫振剛，博士，講師。孔蓮芳，博士，講師。魏德仙，碩士，副教授，主任。程良鴻，碩士，教授。許俊云，碩士，實驗員。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)改革與研究項目(編號：JG14059)。