線上電機(jī)學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐

郭欣欣

（安徽工程大學(xué)<電氣工程學(xué)院>，安徽 蕪湖241000）

0 前言

延期返校，學(xué)校不停課，教師不停教，學(xué)生不停學(xué)。在突如其來(lái)的疫情面前，充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的作用，全國(guó)高校教師進(jìn)行了線上教學(xué)的智慧教學(xué)方式，如何做好線上教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)展課堂內(nèi)容教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量與保障教學(xué)效果，是值得思考的問(wèn)題。

“電機(jī)學(xué)”課程是我校電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是強(qiáng)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試課程之一。它一方面以高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)及電路原理等課程為基礎(chǔ)，是電、磁耦合的產(chǎn)物，同時(shí)又是后續(xù)電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置、繼電保護(hù)等專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的重要作用，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)重要概念的理解以及后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)。該課程無(wú)論是從教學(xué)內(nèi)容還是從教學(xué)目的來(lái)看，都是一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)、涉及面較廣的課程，其基本原理和方法廣泛應(yīng)用于電氣工程應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，概念比較多且很抽象。因此，在教師和學(xué)生互不見(jiàn)面的情況下，提高教學(xué)質(zhì)量與保障教學(xué)效果，是一項(xiàng)具有重要意義的工作。

然而，由于該課程對(duì)復(fù)變函數(shù)、電路的基礎(chǔ)要求較高，使得該課程的教學(xué)長(zhǎng)期處于難教難學(xué)的兩難處境，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）該課程理論性強(qiáng)、抽象概念多，例如電磁量隨時(shí)間、空間坐標(biāo)的復(fù)雜變化關(guān)系，不同類(lèi)型電機(jī)的平衡方程、向量圖等各不相同，同一電機(jī)中又存在折算、對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)、基波與諧波、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)等問(wèn)題。

（2）該課程涉及的基礎(chǔ)理論和實(shí)際知識(shí)面廣，包括電、磁、力、熱、機(jī)械等多門(mén)學(xué)課，基礎(chǔ)性和專(zhuān)業(yè)性知識(shí)兼具。

（3）該課程的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐綜合性強(qiáng)。由于重點(diǎn)、難點(diǎn)多，要求學(xué)生掌握的知識(shí)信息量大，同時(shí)要求學(xué)生會(huì)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，容易讓學(xué)生感到頭緒多、概念抽象、乏味枯燥、難以理解和掌握。甚至個(gè)別學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、抵觸情緒。

因此，充分利用線上優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和智慧教學(xué)工具，不局限于目前戰(zhàn)“役”狀態(tài)，不拘泥于單一方式，以提高學(xué)習(xí)成效為核心，重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)，制訂在線教學(xué)新方案，創(chuàng)新開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)模式探索，成為課堂教學(xué)新生態(tài)。

1 線上教學(xué)設(shè)計(jì)

按照以往教學(xué)日歷，本課程的教學(xué)內(nèi)容分四大部分，分別為變壓器、直流電機(jī)、同步電機(jī)和異步電機(jī)部分。按以往的教學(xué)設(shè)計(jì)，主要是前次課程教學(xué)內(nèi)容回顧、新知識(shí)的講授，第二時(shí)段下課時(shí)，可以完成所有計(jì)劃教學(xué)內(nèi)容。為了順利開(kāi)展線上直播授課，遵循“實(shí)時(shí)交互所需要循序漸進(jìn)開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)要點(diǎn)：碎、動(dòng)、減”來(lái)進(jìn)行線上教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，充分利用智慧平臺(tái)，將CloudPSS云平臺(tái)引入電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，化“實(shí)”為“虛”，彌補(bǔ)線上電機(jī)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)部分受空間、地點(diǎn)約束的缺點(diǎn)，同時(shí)提高了學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)水平和質(zhì)量，理論與實(shí)踐雙管齊下，以達(dá)到立體化教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生知識(shí)保有率。具體來(lái)說(shuō)，內(nèi)容如下。

1.1 將原教學(xué)單元進(jìn)行碎片化的拆解

本部分主要通過(guò)課前測(cè)試回顧（簡(jiǎn)稱(chēng)課前測(cè)）、課中測(cè)試學(xué)情分析（簡(jiǎn)稱(chēng)課后測(cè)）及中間休息，將連續(xù)的上課時(shí)段分割成三段。這種打“碎”的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以給同學(xué)們提供充裕的答題、消化、思考所學(xué)知識(shí)的時(shí)間，此為“碎”。

1.2 設(shè)置比校園課堂更豐富的互動(dòng)手段吸引學(xué)生注意力

本部分設(shè)計(jì)“雨課堂+QQ分享屏幕”授課模式。“QQ分享屏幕”可以完整顯示課件的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，比如在講授三相感應(yīng)電機(jī)部分時(shí)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)比較抽象，單憑簡(jiǎn)單的課件或者課本語(yǔ)言描述，學(xué)生學(xué)起來(lái)就比較吃力，形象不鮮明，教師費(fèi)盡口舌，學(xué)生對(duì)點(diǎn)就結(jié)構(gòu)的印象還是云里霧里，但如果把電機(jī)結(jié)構(gòu)拆分開(kāi)了，以3D立體的形式展示給同學(xué)們，那效果是完全不一樣的，同學(xué)們度電機(jī)結(jié)構(gòu)就一目了然。圖1為“QQ分享屏幕”分享的電機(jī)動(dòng)畫(huà)分解圖。為了提高線上教學(xué)教學(xué)效果，授課過(guò)程中，還應(yīng)注意與學(xué)生的互動(dòng)。

圖1 三相異步電機(jī)3D動(dòng)畫(huà)分解圖

“雨課堂”智慧教學(xué)平臺(tái)提供了彈幕和投票功能，適時(shí)的開(kāi)啟，學(xué)生可以隨時(shí)發(fā)彈幕，表達(dá)意見(jiàn)，直播過(guò)程中老師可以及時(shí)解答；而在課件中插入一些投票題或選擇題，例如：“同學(xué)們有沒(méi)有去見(jiàn)過(guò)發(fā)電機(jī)？”“直流電是怎么產(chǎn)生出來(lái)的？”，“直流電能不能產(chǎn)生磁通”“一次繞組匝數(shù)大于二次繞組匝數(shù)的變壓器是升壓變壓器還是降壓變壓器”等，除了能將學(xué)生的注意力吸引到課堂，同時(shí)還能考察學(xué)生聽(tīng)課情況，此為“動(dòng)”。

1.3 適度減少課堂教學(xué)內(nèi)容，采取措施保障課外有效學(xué)習(xí)

將傳統(tǒng)連續(xù)的教學(xué)單元帶到拆碎的教學(xué)單元，教學(xué)點(diǎn)沒(méi)有減少，但是因增加測(cè)試習(xí)題來(lái)鞏固對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，在有效的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)中，使得教學(xué)內(nèi)容必然需要減少。對(duì)于這部分內(nèi)容，以“雨課堂”直播過(guò)程中發(fā)布測(cè)試題額方式，檢查課外自學(xué)效果，了解學(xué)生掌握知識(shí)情況。對(duì)教學(xué)內(nèi)容的“減法”需要課內(nèi)精講與課外有效學(xué)習(xí)的“加法”相結(jié)合，這是保證在線教學(xué)與課堂教學(xué)質(zhì)量實(shí)質(zhì)等效的關(guān)鍵，此為“減”。

1.4 引入CloudPSS云平臺(tái)搭建電機(jī)運(yùn)行模型

CloudPSS（www.cloudpss.net），是基于WEB技術(shù)、云計(jì)算、異構(gòu)并行計(jì)算的新一代電磁仿真工具，用戶(hù)只需在本地瀏覽器內(nèi)構(gòu)建需要仿真的算例，進(jìn)行仿真時(shí)，算例將自動(dòng)上傳到服務(wù)器，在云端完成計(jì)算。同時(shí)，利用CPU+GPU的異構(gòu)平臺(tái)，計(jì)算過(guò)程中不僅提高了運(yùn)算速度，還提高了運(yùn)算精度。CloudPSS提供了基于Web界面的能源互聯(lián)網(wǎng)建模平臺(tái)。其Web服務(wù)器位于阿里云，用戶(hù)無(wú)需安裝，僅通過(guò)Web瀏覽器（如Chrome、IE、Edge等）進(jìn)行訪問(wèn)。建模平臺(tái)提供包含豐富的基礎(chǔ)模型庫(kù)、模塊封裝功能，使用戶(hù)可快速完成模型搭建。同時(shí)，圖形化界面結(jié)合了PSCAD與Simulink的模型搭建特點(diǎn)，使得相關(guān)軟件用戶(hù)可快速上手。此外，CloudPSS還是一個(gè)社交平臺(tái)，它是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)式的社交平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)提供了開(kāi)發(fā)工具包，提供了社交運(yùn)行的應(yīng)用環(huán)境，讓平臺(tái)開(kāi)發(fā)者、算法研究者，設(shè)備服務(wù)的供應(yīng)商以及各種運(yùn)營(yíng)和建設(shè)者，能夠互聯(lián)互動(dòng)，形成一個(gè)生態(tài)圈，共同來(lái)為整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供新的解決方案。平臺(tái)融合了豐富的社交化元素，著力打造基于云仿真的知識(shí)分享和教育培訓(xùn)生態(tài)系統(tǒng)。一方面，CloudPSS平臺(tái)通過(guò)分享建模知識(shí)、共性算例和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，支持能源和電力專(zhuān)業(yè)同學(xué)的自主學(xué)習(xí)和探索；另一方面，CloudPSS平臺(tái)可以無(wú)縫接入電工和電氣專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)課程和虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，成為師生互動(dòng)、課程建設(shè)和演示驗(yàn)證所需的教學(xué)工具。此平臺(tái)可以根據(jù)教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容搭建各類(lèi)電機(jī)綜合性實(shí)驗(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)不便于實(shí)驗(yàn)室演示的惡劣運(yùn)行狀況，使許多抽象的概念和原理形象化，大大改善教學(xué)效果，提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。圖2為CloudPSS平臺(tái)搭建的直流電機(jī)啟動(dòng)仿真模型，圖3為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩結(jié)果圖。

圖2 直流電機(jī)啟動(dòng)仿真模型

圖3 啟動(dòng)效果圖

2 結(jié)語(yǔ)

在教師和學(xué)生互不見(jiàn)面的情況下，針對(duì)“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)長(zhǎng)期存在的教學(xué)內(nèi)容抽象枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大等問(wèn)題，充分利用線上優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和智慧教學(xué)工具，不局限于目前戰(zhàn)“役”狀態(tài)，不拘泥與單一方式，以提高學(xué)習(xí)成效為核心，重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)，制定在線教學(xué)新方案，創(chuàng)新開(kāi)展線上混合式教學(xué)模式探索，達(dá)到師生不見(jiàn)面，仍能保證實(shí)時(shí)交互，提高教學(xué)質(zhì)量與保障教學(xué)效果。充分利用平臺(tái)中提供的豐富友好的可視化控件，用生動(dòng)直觀的曲線、動(dòng)態(tài)圖形表達(dá)課程中抽象的概念和理論，使學(xué)生在可視化的環(huán)境中掌握和理解所學(xué)知識(shí)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。