“電機與拖動基礎”課程新型教學方法的探索和實踐

李 瑾

(南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌 330099)

作為我校自動化專業的專業核心課程，“電機與拖動基礎”課理論性和實踐性都很強，課程內容抽象且涉及多學科，概念和公式繁多且非常容易相互混淆，由此造成了這門課程難教難學，教學效果不理想。近年來有關電機類課程教學方法探討的論文不少，比如李國華和劉艷麗[1]以礦山現場的六個科研項目也就是六個任務為例，說明了從提出問題、分析問題到解決問題的任務驅動法的具體教學設計方案，通過任務驅動法教學增強了學生的實踐能力。再如朱志瑩等[2]通過引入“找規律式教學法”，也就是將前后的知識點相比較進而找出其中的規律性，以幫助學生加深理解。在學習和借鑒這些先進教學經驗的基礎上，我們對在該課程教學中引入多種新型教學方法進行了大膽的探索和實踐。

1 引入新型教學方法

1.1 用“找規律式教學法”加深理解

“電機與拖動基礎”課程內容多而雜，如果能找出其中的規律性，將前后的知識點聯系起來并加以對比，就能幫助學生加深理解。

比如異步電動機的工作原理和電磁關系都與變壓器十分相似，但它們之間還是存在以下差異：1)異步電動機主磁場為旋轉磁場，而變壓器為脈動磁場。2)變壓器空載時，E2不是零，I2=0; 而異步電動機空載時，E2≈0，I2≈0。3)由于存在氣隙，異步電動機建立同樣的磁通所需勵磁電流大，勵磁電抗小。另外異步電動機漏抗較變壓器的大。4)異步電動機通常采用短距和分布繞組，計算時需考慮繞組系數，變壓器則為整距集中繞組，繞組系數為1。

三相變壓器聯結組別的時鐘判別法是一個教學難點，但不難發現這樣的兩個規律：1)對于Y，y(或D，d)連接，只能得到0、2、4、6、8、10等六個偶數組別；而Y，d(或D，y)連接，只能得到1、3、5、7、9、11等六個奇數組別。2)對于Y，y或Y，d接法，保持高壓繞組三相標志不變，若低壓繞組三相標志依次后移一個鐵心柱，得到的組別號等于后移前的組別號加4，若低壓繞組三相標志依次后移兩個鐵心柱，得到的組別號等于后移前的組別號加8。[2]

對于Y，y接法例如Y，y6聯結組別(如圖1所示)，低壓繞組三相標志依次后移一個鐵心柱，可得到Y，y10組別號，后移兩個鐵心柱得到Y，y2組別號。同理，對于Y，y0聯結組別，低壓繞組三相標志依次后移一個或兩個鐵心柱，可分別得到Y，y4和Y，y8組別號。對于Y，d接法例如Y，d1聯結組別(如圖2所示)，低壓繞組三相標志依次后移一個鐵心柱，可得到Y，d5組別號，后移兩個鐵心柱得到Y，d9組別號。同理，對于Y，d11聯結組別，低壓繞組三相標志依次后移一個或兩個鐵心柱，可分別得到Y，d3和Y，d7組別號。

圖1 Y，y6聯結組別

圖2 Y，d1聯結組別

可見如果掌握了以上兩個規律，對于Y，y接法只要熟悉Y，y0和Y，y6兩種聯結組別，對于Y，d接法只要熟悉Y，d1和Y，d11兩種聯結組別，其他都可只通過觀察就能很快得到判別結果，連相量圖都不需要畫。

以上兩個規律還可以用Matlab軟件進行仿真實驗來進行驗證。以Y，y6聯結組別為例，在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如圖3所示。

圖3 Y，y6聯結組別仿真圖

在圖3中，三相變壓器所加三相電源相電壓為220 V，變比設置為4∶1(圖中的A，B，C三相繞組分別與圖1和圖2中的U，V，W三相繞組相對應)，原邊繞組的A1，B1，C1三個端子連在一起并接地，副邊繞組的A2+，B2+，C2+三個端子連在一起并接地，示波器顯示出原邊和副邊繞組的線電動勢EA1+B1+和EA2B2的波形如圖4所示，可看出EA1+B1+和EA2B2的相位差為180°，也就是Y，y6聯結組別。

在Y，y6聯結組別的基礎上，將低壓繞組三相標志依次后移一個鐵心柱，則后移之后副邊繞組的線電動勢EA2□B2□=EB2C2，仿真模型如圖5所示，圖5中示波器顯示出原邊和副邊繞組的線電動勢EA1+B1+和EB2C2的波形如圖6所示，由圖6可看出EB2C2相位超前EA1+B1+為60°(圖中幅值較小的為副邊繞組的線電動勢EB2C2)，也就是Y，y10聯結組別。

圖4 Y，y6聯結組別仿真波形

圖5 Y，y10聯結組別仿真圖

圖6 Y，y10聯結組別仿真波形

對于Y，y2聯結組別也可用同樣的方法進行仿真實驗。利用Matlab軟件進行課堂仿真演示，通過觀察高低壓繞組的兩個線電動勢仿真波形之間的相位差來對找出的規律進行驗證，增加了同學們的感性認識，提高了學習興趣，當然也就加深了同學們對三相變壓器聯結組別的時鐘判別法的理解從而能夠更好地掌握判別方法。

再比如在學習單相變壓器時，可歸納出變壓器的電磁關系在由空載到負載時發生的變化。空載時，變壓器中有一個空載磁動勢F0，一個主磁通Φ0和一個漏磁通Φ1δ，兩個主感應電動勢E1和E2 及一次側的漏磁感應電動勢E1δ。而負載時，變壓器中存在一次磁動勢F1和二次磁動勢F2，它們共同產生主磁通Φ0，兩個主感應電動勢E1和E2以及一次側，二次側的漏磁感應電動勢E1δ和E2δ。搞清楚了變壓器由空載到負載后電磁關系的變化，就可以更好地理解磁動勢平衡方程，防止混淆。

1.2 引入“項目驅動式教學法”

采用項目驅動式教學法，結合教師的科研課題設置科研項目進行訓練以提高學生的實踐動手能力。[1]比如結合任課教師主持的省級科研課題“基于DSP的雙饋電機調速系統的研究”，設置科研項目：設計泵站電機雙饋調速系統的起動電路。首先提出以下問題：1)為什么異步電機直接起動時電流較大？有什么危害？2)如何解決用于泵站的雙饋電機起動電流大的問題？3)雙饋調速的原理和優勢以及將雙饋調速方法用于泵站電機所產生的節能效益？之后教師結合課程“三相異步電動機”這部分內容分析用于泵站的雙饋電機直接起動時存在的問題，提供用于泵站的雙饋電機串電阻起動的有關資料，給出解決問題的幾種具體方案供學生選擇。在教師的引導下，學生通過課外查找相關資料和相互交流討論，確定采用在泵站現場切實可行的轉子繞組串頻敏電阻的起動方法，也就是串接起動電阻時轉子側變頻裝置不參與電機起動過程，只在需要調速時才投入運行。方案確定后，要求學生設計出雙饋電機起動電路，驗證所得的設計結果，并完成該訓練項目的設計報告。

在本課程團隊教師的指導下，自動化專業學生參加第三屆全國大學生水利創新設計大賽榮獲一等獎，2016年獲“創青春”創業計劃大賽省部級銀獎，“互聯網+”大學生創新創業大賽兩個校級銅獎和一個校級優勝獎，參加節能減排大賽獲一個國家級三等獎和一個校級一等獎。近三年來本課程任課教師指導學生在省級刊物上發表科研論文3篇。通過師生共同參與科研項目，一起參加挑戰杯科技作品大賽、電子設計大賽、機械創新設計大賽和上述的這些比賽，師生一起交流、探討，既能充分發揮學生的積極性、主動性，激發學生的創新思維和創新意識，同時也增進了師生感情。

1.3 采用“實踐性教學法”

該教學方法的基本思想是變傳統的課堂理論教學為對照實物，結合實際進行的實踐性教學，增加學生的感性認識，從而增強教學效果。比如在學習直流電機的電樞繞組時，總有學生反映這部分內容太抽象，想象不出繞組內部究竟是如何連接的，于是我們把電機實物模型帶到教室進行講解，并配合多媒體動畫來演示直流電機內部電樞繞組的不同連接形式，還可以通過課堂仿真實驗來加深學生對電機特性、電機內部物理過程的感性認識，這樣就更生動直觀，使同學們在輕松活躍的課堂氣氛中更高效地掌握知識。[3]

另外，加強本課程任課教師團隊中“雙師型”教師隊伍的建設，鼓勵青年教師到知名企業進行工程實踐和培訓以提高教師的業務水平。利用認識實習和畢業實習等機會將學生帶到泰豪ABB公司，柘林水電站，江西靖安的羅灣電站及上饒玉山的七一水庫等企業，學生通過觀察拆開的交直流電機實物模型了解電機的內部結構，還可以參觀實際的發電機組，大型變壓器等，并請企業工程師進行現場實際教學，使學生能邊看邊學，有實際的情境感知和體會，當然就會理解得更深刻。

2 結語

本文通過在《電機與拖動基礎》課程教學過程中引入新型教學方法，活躍了課堂氣氛，調動了學生的學習積極性，提高了學習效率，收到了較好的教學效果。