新工科背景下電氣工程專業課問題探索型教學方法探究

郭凱凱 李敬兆

摘? 要：為了滿足新工科背景下對人才培養提出的更高需求，以工科院校培養高素質人才作為研究目標，針對電氣工程專業的特點及現在課程教學中的不足，以“電力拖動自動控制系統”課程的教學為例，提出以計算思維為基礎的問題探索型教學方法，此方法通過不同的調速系統之間的對比，尋找運動控制系統間存在的聯系，以運動控制系統存在問題的解決為主線，開展教學工作。該教學法既能提升基礎理論知識傳授質量，又能培養學生的創新思維和創新能力。學生不僅可以更好的掌握課程的相關知識，還可以通過學習構建知識框架、提高解決未來發展出現的問題的能力。通過此課程教學得到的體會對其他工科理論課程的教學工作也有借鑒意義。

關鍵詞：問題探索型教學方法;運動控制系統;創新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）06-0102-03

Abstract： In order to meet the higher demand for talent training in the new engineering background， and improve the cultivation of high-quality talents in engineering colleges， according to the characteristics of electrical engineering and the shortcomings in the current curriculum teaching， a problem exploration teaching method is proposed， which takes computation as the basic thinking， and the solution to the problem of the motion control system as the main program. The course of "Electric Power Drag Automatic Control System" is taken as an example， to compare with different speed control systems，and the relationship between different motion control systems is analyzed. The method can not only improve the teaching quality of basic theoretical knowledge， but also cultivate students' innovative thinking and innovative ability. Students can not only master the relevant knowledge of the course better， but also learn to build a knowledge framework and improve their ability to solve problems in the future. The experience gained through the teaching of this course is also useful for the teaching of other engineering theory courses.

Keywords： problem exploration teaching method; motion control system; creativity ability

引言

隨著“中國制造2025”、“一帶一路”、“互聯網+”、“人工智能”等重大國家戰略及“新工科”概念的提出，對工科專業大學生的培養提出了更高的要求，促使廣大教師對工科知識和課程體系及能夠運用所學知識解決現有問題、具有較強創新能力和國際競爭力的高素質人才的培養產生新的思考，以適應新工科建設和發展的要求。

專業課是大學生從事科研或工作奠定專業基礎的課程。通過專業課的學習，可以系統的掌握本專業的知識體系及發展趨勢，同時還可以提高發現、分析和解決專業相關實際問題的能力。如何在課堂有限的時間內，針對不同層次的學生，構建知識體系是需要關注的問題，值得深入思考。根據專業課程特點，以培養學生綜合素質為目標，對課堂教學進行全面的設計和安排，選擇恰當的教學內容、教學方法和教學手段，提高學生的學習積極性，從而更好地完成教學目標，提高教學質量。因此課堂教學方法的創新引起了廣大師生的廣泛重視，應用科學的教學方法是實現培養能力型、創新型人才的需要。

根據《國家戰略性新興產業發展“十二五”規劃》中的要求，目前，數字化和智能化已成為前沿發展領域，智能制造裝備、智能服務機器人等行業的發展是社會發展的必然趨勢。“電力拖動自動控制系統”課程是本科院校電氣工程專業的核心課程，具有知識面廣、概念多、理論性、專業性、應用性和綜合性強、公式推導復雜的特點，且知識點間相互滲透銜接。為了使學生既學到有用的知識，又不至于害怕這門課程，行之有效的教學方法是提高教學質量，激發學生學習的積極性和主動性的關鍵，是培養高素質人才的重要環節。

一、問題分析

電氣工程類專業課的課程一般理論性強、難以理解，如果學生不能很好的理解和掌握專業課程的內容，對以后的繼續深造，還是就業，均會有諸多不利影響。通過分析，一方面原因是多數學生依賴性學習強，但又因為學生存在升學或者就業壓力，上課不能集中精力，導致學習質量下降;二是傳統教學只注重專業知識的傳授，很少有學生會注意到所授知識與自己以后發展的聯系，培養出來的工科人才視野相對狹窄。三是大多數教學方法忽略了知識點之間的內在聯系性的講解，增加了學習的難度，消弱了學習的興趣及自學的動力。因此，在新工科背景下，如何提高專業課教學質量，激發學生學習的積極性和主動性，培養學生的創新性，提高綜合素質是現在教學面臨的首要問題。

針對以上問題，本文根據電氣工程專業課程教學設計的特點，以“電力拖動運動控制系統”課程為例進行教學設計，提出了一種研究性學習方法，即問題探索型教學方法，它的核心是要改變學生的學習方式，以計算思維為基礎、能力培養為目標，它將問題自主探索作為學生學習的主要方式，在教學過程中，充分地將教師自身的科研工作和教學工作有機地結合起來，最大限度地激發學習的興趣，運用各種先進的教學手段，合理的設置教學內容及形式，來激發學生求知欲和創造力，以改善教學效果、提高教學質量，進而讓學生更加靈活地掌握這些基礎知識，從而完成對學生思維方式和學科架構形成引導。在教學過程中，以解決運動控制系統存在的問題為主線，課堂教學逐層深入，讓學生通過獨立發現、分析和解決問題來進行課程知識的學習，為培養具有創新能力的高素質人才奠定基礎。

二、問題探索型教學方法研究

要合理的設計每堂課的教學思路，首先備課要充分，教師要清楚學習目標和學習內容，要明確讓學生明白為什么要學習這門課程，需要用多長時間來學習，及學習本課程后對自己以后的發展有什么用。

然后，教師需要進一步確定在課堂上通過哪些具體的教學策略及內容來提高學生的知識與技能、過程與方法，設計適合不同層次學生的知識框架。著力引導學生學會知識、思路和方法，教師豐富的科研實踐經驗有利于與學生產生共鳴，從而圍繞關鍵問題展開討論，使學生逐漸認識到要學些什么，怎么學。

針對學生基礎參差不齊、自學能力、學習目標不同的問題，教師應該深入了解學生的學習，課后提供必要的幫助。課堂上給予學生思考時間的同時，培養學生發現問題的能力，通過建立基本知識點、小知識點以及衍生知識點幫助學生構建課程的知識框架，設立自己的目標，進而建立自己的知識體系及思維方式。

針對學生對課上提的問題采取消極不思考態度的問題，教師應多反思自己的課堂講授內容、課堂用語，多關注學習有困難的學生，在課堂上營造敢于質疑老師，敢于向固有理論挑戰的環境，培養學生的批判主義精神。

最后教師需要考慮對教學效果進行綜合而全面的反思，以長期培養人才的態度對待授課，促進學生的學習，達到較好的教學效果。

三、實踐結果

問題探索型教學方法是一種思維方式和解決問題的思路，并不是純粹在教學過程中講述一些知識，而是不斷引導學生思考，鼓勵他們養成不斷思考和不斷質疑的習慣。

1. 興趣是學習的源動力，如果對課程一點興趣都沒有，只是被動地接收知識，學習效率不會高，難以取得良好的學習效果。教師應該積極引導學生提高學習興趣，根據《中國制造2025》提出的大力支持高檔數控機床及工業機器人等領域的發展，讓學生意識到學習知識的重要性。對課程學習的理解上升到專業需求的高度，激發學習興趣和學習欲望，提高學習效率。

2. 學生的學習需要自己建構，教師以提高學生的綜合能力為主，凝練教學內容，增強學生掌握知識的系統性。“電力拖動自動控制系統”課程是在電路與磁路的基礎上，以運動控制系統的基本理論與分析方法為重點，根據課程特點，要讓學生改變接受式學習方式，就應該讓學生積極地參與問題的討論和解決。從學習過程的探究性入手，在教學過程中，讓學生不斷地提出新問題，在探索中學習，為學生提供更多思考的空間。只有經過學生主動的思考，加深對問題的理解，才能真正的理解、掌握知識、加深印象。

3. 激活思維、質疑問題是知識創新的基礎。教師要引導學生將不同的運動控制系統進行對比，使學生養成比較學習的習慣。通過采用此教學方法，促使學生養成勤于思考的習慣，使他們在以后的學習和工作過程中多思考、敢質疑，使其成為國家需要的高科技人才。教學的源動力在于教師的創新觀念和創新方法，教師必須關注課程的最新研究狀況，在教學中主動結合科研，實現知識的重新建構，在授課時傳授傳統知識的同時，教授學生書本上沒有的新知識、新理論，使教學內容具備一定的前沿性。

4. 隨著信息技術的發展，許多如精品課程、微課、MOOC、翻轉課堂等在線教育課程興起，PPT課件是現在課堂教學必不可少的工具，在課件中加入圖片、聲音和動畫等多種媒體，教師應該做利于教師教學的課件，輔助于“教”，利于學生在課堂上的學習。根據學生的理解程度，安排所要講解的內容，可以在線觀看相應的知識點，進行知識點的梳理，講解重點、難點，展示公式、理論的推導過程，把計算思維的形成發展傳授給學生，并進行適當拓展和延伸，提高課堂效率，加深理解和知識體系的掌握，進而逐步培養創新能力。

以電力拖動自動控制系統課程中第二部分交流調速系統為例進行分析：（1）提出問題：為什么要開發交流調速系統？在學生展開思考的同時，針對之前學習的直流調速系統的知識進行回顧，指出直流調速系統的缺點，引出交流調速系統的優越性;（2）交流調速系統如此優越，為何最近40年才開始發展？引出發展中所受到的限制，進而學習交流調速系統的應用領域;（3）進行交流調速系統分類和調速方法的概述，引出本部分學習的主線：重點內容是異步電動機采用變壓變頻調速控制方法，如何構成運動控制系統實現調速控制？以性能提高為主線：性能一般的開環系統，性能一般的閉環系統，高動態性能的交流調速系統。（4）進行高動態性能交流調速系統的詳細學習，包含異步電動機的動態數學模型和坐標變換，異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統，異步電動機按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統，整個第二部分的學習需16學時完成。

以含異步電動機的動態數學模型和坐標變換2課時的學習為例：（1）思考問題：異步電動機通電之后如何轉動起來？引出異步電機的工作原理的學習;（2）從機械特性出發學習異步電動機調速方法，分三步走：異步電動機穩態等值電路（在一定的轉差率下電動機的穩態電氣特性）;機械特性（電機輸出轉矩與轉差率（或轉速）的穩態關系）;兩種調速方法：調壓調速，變頻調速。其中每種調速方法的機械特性，工作效率，思考背后的物理原因。在整個過程中，以學生的自主思維為基礎，不斷的深入。

通過實踐，學生的綜合能力和素質有了顯著提高：

（1）熟練的掌握Matlab等仿真軟件，加深對理論知識的理解。

（2）提高了運用所學知識解決運動控制系統中實際問題的能力。

（3）提高了發現、分析和解決問題的能力，激發學生創造性思維。

（4）養成探究學習、合作學習的習慣。

（5）提高了獨立自學能力。

（6）提高了計算能力。

（7）培養了創新能力和創新意識。

四、結束語

為了滿足新時期“新工科”對大學生綜合能力培養的現實需求，本文通過對現在課堂教學存在問題進行分析，提出了以計算思維為基礎的問題探索型教學方法。教師要本著學以致用的原則，主動順應時代發展，及時更新授課理念、授課方式和內容，注重學生全面素質的提高，此教學方法不僅可以有效地解決教學上的問題，還可以提高學生自主學習的積極性，激發學生的學習興趣，幫助學生更好的理解所學知識，提高學生分析與解決問題的能力，培養創新意識，促進學生的個性發展。相信通過教學方法的不斷改革，可以為國家培養出適合時代發展的高素質創新型人才！

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