基于CDIO模式的“電機學”教學探索＊

朱珠

基于CDIO模式的“電機學”教學探索＊

朱珠

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244000）

探討了基于CDIO模式的“電機學”教學改革的可行性。論述了如何從教學模式、教學方法及教學內容三個方面有效提高“電機學”課程教學效果。從而充分調動學生學習課程全過程的積極性，并切實提高他們解決具體問題的能力。

CDIO理念；“電機學”課程；教學改革；教學方法

工程師開發產品的一般步驟是構想（Conceive）—設計（Design）—實施（Implement）—操作（Operate），即CDIO四部曲。美國麻省理工學院率先將CDIO理念引入工科工程教育中并成效顯著[1]。俄羅斯、日本和歐洲部分國家也相繼展開相近研究并取得一定成果[2-4]。國內多所高校也開始嘗試發揮CDIO理念在工科工程教育中的作用。浙江科技大學以信息與電子工程學院為例，基于CDIO開展了教學改革與創新，全面修訂課程體系和評估方法，并將CDIO寫入教學大綱[5]。上海第二工業大學基于CDIO模式對“軟件測試”課程進行了教學改革，取得良好的教學效果并達到現代工程教育改革的目標[6]。這些案例均體現CDIO理念的特性之一，即在一定程度上用“做中學”替代傳統的“聽中學”。這種“主動學習”替代“被動學習”的方式可以充分調動學生在學習課程全過程中的積極性，鍛煉他們解決工程具體問題的能力。

電氣工程專業是工科工程教育的一個重要分支，而“電機學”是本專業本科教學的一門重要專業基礎課。教學內容涉及各類電機的結構、工作原理、運行特性，相關的電磁理論，以及運用等效電路、相量圖等方法解決電機起動、調速、拖動、并網等具體問題。雖然電機被廣泛用于工業現場，但對初次接觸這門課程的學生而言仍很陌生。很多學生在學習初期便產生畏難情緒，學習過程中慢慢喪失學習興趣，最終沒有完全掌握課程內容。遺憾的是假若沒有掌握這門課程內容，一方面會直接影響后續“電力系統穩態/暫態分析”“電力系統繼電保護”等課程的學習，另一方面可能會影響日后在機電行業中的工作開展，所以進行“電機學”課程的教學改革探索刻不容緩。本文將基于CDIO模式從教學模式、教學方法及教學內容三方面探討如何有效提高電機學課程教學效果。

1 教學模式探索

目前“電機學”傳統的教學模式主要包括理論教學環節與課內實驗教學環節。理論教學環節以經典教材為依托，按章節順序采用多媒體PPT與板書結合的方式進行。以李發海主編教材《電機學》為例，除緒論部分外主要內容包括變壓器篇、交流電機篇、同步電機篇、異步電機篇和直流電機篇[7]。因知識點多、細致，在規定學時內只能采用“灌輸式”方法讓學生從“聽中學”。課內實驗教學環節常通過教學實驗平臺開展若干驗證性實驗，來加深學生對相關理論知識的理解與掌握。但這些實驗通常先由教師講解并示范一遍，然后由學生對照實驗指導書進行操作，最終得到唯一正確的結果并記錄數據。可見整個實驗過程在培養學生解決具體問題能力的作用方面十分有限。當結束理論與課內實驗教學環節后，一般通過期末閉卷考試的方式測評學生。但這一單閉環教學測評方式時間長達一學期，無法在教學進程中根據“學”的實際情況及時負反饋來有效改善“教”的效果。

基于CDIO理念，“電機學”可以采用上機模式，每節每章留給學生由易到難的設計案例。以電機調速為例，給定不同的調速范圍和速度運行曲線讓學生設計裝料車傳動系統。這種模式讓學生在“做中學”，給予他們統籌關聯各個分散知識點的機會。同時通過內環（章節反饋）反饋與外環（期末考試）反饋相結合的方式，有效提高本課程教學效果。

2 教學方法探索

目前“電機學”傳統的教學方法主要是講授法。這種方法的弊端是學生被動學習，單純掌握書本知識卻很難加以運用。基于CDIO理念可以采用講授與任務驅動相結合的方法，教師簡要講授各節重難點后，把大部分時間留給學生。引導學生主動探索，從而充分激發他們的創新精神。在學習了每節每章后，教師留出設計案例，學生需在團隊合作中自主分解設計任務，學習相關理論知識，了解最新研究動態，有針對性地解決實際問題。隨著電力系統仿真技術的普及，常見的系統仿真軟件有PSASP、PSCAD和MTLAB等。同時學校預配備基于積件概念開發的靜一軟件，提供電機教學所使用的元件庫，同時采集實物裝置的外觀模型，達到實驗過程的三維可視化效果，使學生能夠感知實物設備的外觀、結構及運行狀態。

靜一軟件井字架起重場景和設備如圖1所示。靜一軟件井字架起重參考控制電路如圖2所示。

圖1 靜一軟件井字架起重場景和設備

圖2 靜一軟件井字架起重參考控制電路

3 教學內容探索

秉承“電機學”經典教材中的知識脈絡，采用任務驅動法突出重難點，使學生在具體場景中提升解決問題的能力。下面以設計井字架起重設備控制電路，并繪制三相交流異步電機特性曲線為例。首先可從多角度查看場景和設備，滿足不同學生的認知需求；然后從元件庫中選取元件自由搭建并與控制對象進行關聯；最后通過具體操作及采集表計的數據，篩選分析后繪制特征曲線。靜一軟件三相交流異步電機特性曲線如圖3所示。

基于工科工程教育新模式——CDIO模式，本文從教學模式、教學方法及教學內容三個方面探討“電機學”教學改革方案。借助先進的仿真軟件，可以充分調動學生學習課程的積極性，鍛煉他們解決實際具體問題的能力，同時為電氣工程類其他專業基礎課程教學改革積累有用的經驗。

圖3 靜一軟件三相交流異步電機特性曲線

［1］CRAWLEY E F.Creating the CDIO syllabus，a universal template for engineering education［C］//32nd Annual Frontiers in Education，2002.

［2］ZAMYATINA O M，MOZGALEVA P I，GULYAEVA K V.Elite engineering education programme development based on CDIO standarts［C］//2014 International Conference on Interactive Collaborative Learning （ICL），2014.

［3］YANAGIBASHI H，NAOE N，OGUNTOYINBO B，et al.SPA plant factory system construction for Technical College，s engineering education［C］//2015 IEEE 7th International Conference on Engineering Education，2015.

［4］CUHA J C，AMARO J P，MARQUES L.A joint academy-industry initiative for the development of an engineering program the master in embedded systems［C］//2013 1st International Conference of the Portuguese Society for Engineering Education （CISPEE），2013.

［5］LIU Y，YANG C，YANG X.Teaching reform and innovation based on CDIO［C］//Teaching Reform and Innovation Based on CDIO，2009.

［6］BIN Z，SHIMING Z.Experiment teaching reform for software testing course based on CDIO［C］//2014 9th International Conference on Computer Science & Education，2014.

［7］李發海.電機學［M］.北京：科學出版社，2013.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.027

2095－6835（2020）13－0073－02

2018年度安徽省高等學校省級質量工程教學研究一般項目（編號：2018jyxm0270）

朱珠（1987—），女，河海大學在讀博士研究生，銅陵學院講師，研究方向為電氣工程（電力系統及其自動化）。

〔編輯：嚴麗琴〕