《電機與拖動基礎》理論、仿真、實驗相結合的教學模式改革探索

朱一昕 樊啟高 盧聞州

摘要：《電機與拖動基礎》是電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，注重學生認知、實踐能力的培養。本文闡述了電機課程綜合素質培養的教學改革方案及實施辦法，設計了包含基礎理論、虛擬仿真、實驗平臺三位一體的綜合型教學計劃，通過改進平時成績考核體系，進一步提升學生的專業水平，提高理論聯系實際的能力。

關鍵詞：培養模式；教學改革；綜合素質

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）14-0175-02

一、引言

《電機與拖動基礎》是電氣工程及其自動化專業學生提高專業技術和技能的基礎核心課程[1-3]。該課程注重培養學生運用理論解決實際問題的能力，要求學生能夠掌握并運用所學知識分析機電行為。課程主要包括電機和電力拖動兩部分內容，電機部分重點講述直流電機、變壓器、異步電機、同步電機以及常見特種電機的基本結構、工作原理及運行特性；電力拖動部分主要講述直流電動機、交流電動機電力拖動系統的拖動原理、調速方法、控制規律。通過學習，學生可以獲得電機學以及拖動技術方面的基礎理論知識、基本分析方法以及基礎實驗技能[4]，能夠運用基本電磁學知識分析各類電機的工作原理與特性，運用力學、機械學知識掌握各類電機的拖動及調速方法，為今后深入學習運動控制系統，現代交流電機調速等后續課程打下堅實基礎。

《電機與拖動基礎》課程涉及電學、磁學、力學、機械學等多種學科，學習對象復雜，基礎理論豐富，要綜合理解掌握這些知識，必須對學習對象也就是電機有著清晰、深入、正確的認知。然而，當前的教學模式仍較為傳統：學生在學習理論知識后立馬開展實驗，盡管這一模式符合課程理論聯系實際的初衷，使學生能夠對電機產生定性直觀的認識，但是由于缺乏中間過渡，容易對其背后的原理理解不足。所以很多同學在學完本門課程后，往往知其然卻不知其所以然，其中很大一部分原因是缺少了從抽象理論到具體實物的中間環節，即認知模型的建立。為了加強學生對理論知識的理解以及對實際情況的分析能力，可以增加上機環節開展虛擬實驗，利用Matlab、Maxwell等軟件對各類電機進行建模。學生在建模過程中，通過與理論知識的聯系和實驗結果的對比，鞏固所學知識。

二、培養模式改革內容探討

當前，《電機與拖動基礎》綜合成績的考核方式主要為：平時作業+實驗報告+期末考試，對于學生綜合素質的培養尚存在如下不足：

1.電機課程考試的思路比較固定，學生通過課后作業和往屆試題的練習可以取得較好成績，而學生對于求解過程不甚關心，從而無法有效檢驗學生掌握知識的情況；并且學生在考試結束后容易遺忘知識點，不利教學。

2.大部分電機實驗面臨學員多設備少的問題，實驗環節采取多人一組的方式，學生對知識的掌握情況難以從實驗的預習與總結報告中得到準確反映，因此對自身學習過程中存在的不足也不能及時彌補。

3.作業、實驗、考試注重結果，輕視過程，很多課后作業、課堂練習學生做對了，但并沒有真正掌握，容易產生會做題就懂電機的誤判；同時很多綜合素質如創新能力、實踐能力以及應變能力等無法得到培養。

上述問題比較普遍，但不能涵蓋電機教學過程中的全部問題。針對上述問題，我們在本科電氣工程專業電機課程的教學環節加入了虛擬仿真實驗：讓學生自己動手，搭建各類電機模型，并將所學電力拖動技術作用于電機模型，驗證拖動方法的有效性。一方面，上機實驗設備充足，每位學員可分配一臺電腦，實驗機會均等；另一方面，通過自己動手搭建模型可以有效掌握電機學知識，通過相應控制方法的建立可以有效掌握拖動技術。最后，通過提交仿真報告，自己歸納總結知識點，掌握更深層次的原理。

教學改革后，《電機與拖動基礎》課程總評成績仍由平時成績和期末考試兩部分構成，但是由于新增上機仿真環節，對各部分占比重新調整：實驗成績15%，仿真成績15%，綜合評定20%（出勤、作業、問答等）以及期末考試50%。新增仿真環節內容包括：（1）直流電機建模虛擬實驗；（2）直流電動機起動、調速虛擬實驗；（3）單相、三相變壓器建模虛擬實驗；（4）三相異步電動機建模虛擬實驗；（5）三相異步電動機起動、調速虛擬實驗；（6）三相同步電機建模虛擬實驗。

上機實驗成績的評定標準如下：

1.每個學生獨立完成各仿真任務，搭建模型后由老師檢查原理圖連接是否正確；運行模型，檢查運行結果是否滿足預期。

2.下機后，根據仿真任務完成相應仿真報告。

由于電機課程涉及知識點多，知識面廣，故對學生在知識的融會貫通能力上要求較高，不但要掌握電磁學、力學、機械學的理論知識，還要熟悉Matlab仿真軟件設計，最后通過仿真加深對電機學的理解。

三、虛擬實驗案例分析

以直流電機分級起動為例，首先給出仿真任務，由學生進行預習準備：搭建一臺他勵直流電動機，額定參數為PN=22 kW，UN=220 V，IN=120 A，nN=600 r/min，求取滿足起動條件的起動電阻參數后搭建仿真。該仿真案例包含學生前期搭建的電機模型，并通過自建分級起動器實現分級起動，搭建過程需運用所學電機學與電力拖動知識，包括直流電動機原理、直流電動機分級起動方法；需要觀察記錄的波形包括：直流電機輸入電壓、電流，電機輸出轉矩、轉速等。該仿真案例為直流電動機起動、調速虛擬實驗的前半部分，模型運行成功后，由老師檢查并搭建下一環節的仿真。后半部分為直流電動機降電壓、串電阻以及弱磁調速，完成仿真后由老師檢查并登記成績，下機后完成相應仿真報告。

開展虛擬實驗可以提高學生對電機理論的應用能力，其具有如下優勢：（1）因材施教，開展分層次教學，為使虛擬實驗教學達到最佳效果，需要結合電機課程的學習節點合理設計虛擬仿真案例，實現虛擬實驗與理論教學、實驗教學有機結合。（2）考核方式靈活多樣，可以更好地鍛煉學生發現、分析和解決問題的能力，鼓勵學生進行更多的嘗試；同時，仿真模型的搭建過程即既是學生復習知識的過程，通過這種方式使學生反復鞏固所學知識。（3）學生下機后可在自己電腦上復現虛擬實驗，不必借助實驗設備并可反復進行，方便學生課后相互討論，同時仿真模型各部分參數可直接觀測，較物理實驗方便。基于上述優點，引入虛擬實驗的教學模式能夠更好地培養學生綜合能力，進一步提高學生的專業水平。

四、結束語

伴隨著當代工業化進程，電動機及電力拖動技術不斷發展，逐步形成了電力拖動領域中的傳統技術；但是隨著電力電子技術的發展，電力拖動技術又不斷地取得重大突破，形成了一系列速度更快、定位更準、性能更優的調速技術，因而需要學生對電機有更準確、更本質的認識，傳統教學模式以實驗為主，學生較易掌握定性原理，而對定量模型認識不足，本文提出的虛擬實驗改革方案正好彌補了這一不足。經過本輪改革的實踐，調查結果表明，學生對該教學模式的積極性較高，認為其較符合當代大學生對知識掌握方式多元化的需求。新培養模式更注重學生對于知識細節的領悟，而不是單單靠做練習題，需要學生對電機這門課程理論以及相關技術進行更系統的學習，從而提高綜合素質，將理論學以致用。

參考文獻：

[1]趙仁德.“電機與拖動基礎”課程教學改革的探索[J].中國電力教育（上），2009，（8）：65-66.

[2]王旭.《電機與拖動基礎》課程教學研究[J].機電技術，2013，（4）：162-164.

[3]趙海龍，付光杰，王金玉.“電機與拖動基礎”課程教學新思路[J].長春理工大學學報，2009，（10）：130-131.

[4]劉霞.電機與拖動基礎課程實驗教學改革與探索[J].大眾科技，2010，（12）：127-128.