如何在工科教學中滲透科學素質教育

朱顯輝++師楠++蘇勛文++康紅明++胥良

摘要：為進一步提高工科學生的科學素質，在工科教學中有意識地滲透科學素質教育理念，文章以三相心式變壓器繞組識別教學為例，以科學教育為指導，對繞組識別中涉及到的基本概念的內涵、前提和應用進行深入講解剖析，以開闊思維的科學態度對教材給定方法進行批判性思考和權衡，通過嚴謹的理論推斷，總結出了一套學生更易理解和掌握的教學方法，以進一步培養和提高學生的科學素養。

關鍵詞：科學素質教育；教學；科學方法；科學態度

一、引言

科學技術在人類生活領域中發揮的作用日益顯著，是評價一個國家綜合實力的重要指標。為提高本國的綜合實力和競爭力，很多國家都把提高國民的科學素養作為重要的戰略發展目標。對于高等教育來說，在日常教學中向學生主動滲透科學教育的基本思想，有意識地培養學生以科學的方法和態度解決現實中遇到的問題，具有重要的科學意義和實用價值。

科學教育是一種通過現代科學技術知識及其社會價值的教學，讓學生掌握科學概念，學會科學方法，且懂得如何面對現實生活中的科學以及對社會的有關問題做出明智的選擇，以培養科學技術專業人才，提高全民科學素養為目的的教育活動。全國人大在1998年制定并頒布的第一部《高等教育法》中明確指出：培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，發展科學技術文化，促進社會主義現代化建設是我國高等教育的主要目標。可見，科學教育不僅與高等教育法的目標方向完全一致，也是高等教育法貫徹實行的有益補充。

本文以科學素質教育思想為主線，以電機學教學中的難點問題三相心式變壓器繞組識別為例，利用科學教育的基本思想，從深入剖析繞組識別中涉及到同名端的基本概念入手，秉持尊重自然科學的客觀態度，通過嚴謹的理論推斷方法，針對變壓器繞組識別方法的教學，總結出一套更易于學生理解和掌握的教學方法，以加強工科學生對科學研究的興趣，培養學生的自主創新能力，進一步提高工科學生的科學素養。

二、基本概念的深入剖析

概念是人從感性到理性，認識客觀事物過程中所形成的，通過將客觀事情共同特點進行抽象、概括從而形成的概念式表達，也被描述為對特征的獨特組合而形成的知識單元。在工科類高等教育中，基本概念是對課程中涉及的物理現象或規律的詳細定義或解釋，具有較強的邏輯性和針對性。因此，科學教育中不僅要重視對相關概念的詳細講解，同時，為進一步提高學生對概念嚴苛條件的限制性和具體應用的理解，還應對概念的成立條件、主要內涵和相關的外延應用進行詳細說明。

比如，在三相變壓器的繞組識別涉及到同名端的概念。定義如下：同一鐵心柱上兩套繞組中均呈現正（或負）電位的一端稱之為同名端，給出同名端的意義在于憑借同名端來描述每相繞組的電壓相量，進而給出三相聯接組別的確定方法。

同名端概念給出的實際前提是，三相變壓器的3個心柱均繞有低壓和高壓兩套繞組，由于高、低壓繞組套在同一個鐵心柱上，且與同一磁通交鏈，在交變磁通變化的瞬間，必將在兩套繞組里產生感生電勢，則兩套繞組中必有一端相對于另一端呈現正電位。從上述定義可知，同名端指的是兩套繞組中電位符號均為正或均為負的一端。

同名端概念的內涵體現在對楞次定律和法拉第電磁感應定律的深入掌握上，由楞次定律可知，感生電流產生磁場實際上起著阻礙原磁通變化的作用，結合法拉第電磁感應定律可以容易地給出感生電動勢的大小，進而可以推論得到，對于與同一磁通交鏈的兩個繞組而言，若其繞制方式相同，則兩繞組中正電位的位置必然相同，反之亦然。

通過上述對同名端定義的限制條件和內涵的深入剖析，可以引申出同名端概念的具體應用。即在給定繞組繞制方式的前提下，可以根據繞組繞制方式的異同直接明確給出兩繞組的同名端。

以科學素質教育的基本思想為指導，對同名端概念進行深入分析，并明確地對該概念的前提、內涵和外延等方面進行了詳細闡述，可以有效地加深學生對這一概念的掌握程度，為后續問題的研究奠定基礎。

三、以科學的態度分析問題

分析問題的科學態度主要包括在尊重實證材料的基礎上，以積極開拓性思維對各種（包括對立的）材料、數據或結果進行批判性觀察、思考和權衡，并給出客觀評價，最后，以靈活的方法對結果進行驗證，并積極主動地接受已經驗證的結論。

同樣以變壓器繞組識別教學為例，三相繞組的聯結方法主要有星接和角接。高、低壓側的星接分別用Y、y（n為中線）表示，是將三個繞組的首端引出，末端聯接在一起作為中點的聯接方式；高、低壓側的角接分別用D、d表示，是將三個繞組首尾依次相連形成三角形，并將三個端點引出的聯接方式。三相變壓器高低壓側繞組的實際聯接方式導致無論采用哪種聯結法，高壓繞組和低壓繞組對應線電壓的角度差均為30度的整數倍，因此可用“鐘點法”對其的聯結組別進行確定和區分。鐘點法的基本思想是將高壓側某一條線電壓作為時鐘的長針，并指向12點方向，將低壓側相對應的線電壓作為時鐘的短針，然后計算高、低壓側對應線電壓之間的角度差，并用鐘點的形式表示兩套繞組電壓相位之間的關系。

當前教材中對三相變壓器繞組識別的方法多數采用鐘點法，但該方法在兩繞組分別采用星接和角接時，須分別分析兩套繞組相量構成的三角形和星型連接方式，不僅比較煩瑣，也沒有給出明晰的識別規律。

通過對大量實際問題的計算，并對教材繞組識別方法的深入研究。可知，不論高壓側繞組采用星形還是角形接法，基于國標規定，其相序均按A-B-C的順序排列。因此，可首先給出高壓側繞組相電壓的相量圖，然后觀測同一鐵心柱上兩套繞組所標注的同名端是否都是一致，畫出低壓側電壓的相量圖，若同名端一致，則高低壓側電壓相量方向相同，反之則相反，最后結合實際的聯結法，找出高低壓側繞組對應的線電壓相量，并基于實際觀測，即對三相繞組的聯結組別進行簡單判斷。

可見，通過引導學生對相關教材的大量算例進行總結和分析的同時，跳出教材給定思維框架的限制，并對教材中的方法進行批判性思考和評價，進而可給出繞組識別的簡單、靈活方法。

四、確定聯結組別的科學方法

科學方法是在認識并改造客觀世界過程中，所遵循和運用的符合一般科學規律的方法和手段，指采用符合科學規律的程序規則和技巧思路等方式對理論、應用進行研究。簡單地說，科學方法可泛指人類在任何認識和實踐活動中所運用的全部正確方法。

給出確定三相變壓器繞組識別的科學方法及具體步驟如下：

1.給出高壓側相電壓相量圖：以同一中心，按順時針依A-B-C的次序畫出互差120度高壓側相量圖；

2.標注低壓側相電壓相量：考察高、低壓側繞組的同名端，若高、低壓側繞組的同名端均為首端或末端，則同一鐵心柱上的低壓繞組與高壓繞組的相電壓相量方向相同，反之則相反；

3.找對應線電壓：以高壓側A相和B相之間的線電壓UAB為例，分析高壓繞組和低壓繞組的聯結法，若為星形聯結則UAB為由B相指向A相的相量，若為角形聯接，則可以直接給出UAB與相電壓UA或UB之間的關系；

4.給出識別結果：將UAB作為時鐘的長針指向12點方向，觀測并計算UAB與Uab之間的夾角，給出識別結果。

五、結合科學素質教育的算例成果

為對教學中滲透科學素質教育方法的成效進行總結和驗證，以《電機及拖動》基礎書中76頁的兩種變壓器三相繞組連接方式為例，可以很容易地得到聯結組別結果為Yy0和Dy11。

本節分析僅給出了兩個算例，但其中包含了高壓繞組為星形和角形聯接，并與角形和星形聯結的低壓繞組相配合，同時也包括了同名端分別為首——首端和首——末端的情況，具有較好的普遍性。利用前述步驟，完全可以方便、準確地推導出三相繞組識別的其他情況，鑒于篇幅限制，不再一一列舉和驗證。

綜上所述，工科課程本身就具有概念抽象、理論內容難、公式推導復雜等特點，導致其難教、難學。如僅采用傳統的教學方法和手段，很難達到預期的教學效果，因此須在教學中有意識地引入科學素質教育方法，不僅可以改善教學效果，還能有效提高學生的科學素養和創新能力。

因此，教師要將科學教育思想有意識地引入到工科教學中，并以變壓器繞組識別為例，從基本概念的深入解析入手，以科學的研究和教學態度為手段，通過科學的推斷，給出繞組識別的簡單方法，并借此探討了深化學生的科研興趣，培養其自主創新能力，并提高其科學素養的有效手段。

參考文獻：

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[2]王正茂.電機學[M].西安：西安交通大學出版社，2000.

[3]顧繩谷.電機及拖動基礎（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2011.

編輯/宋 宇