高校課堂教學(xué)改革與探索
——以“電機學(xué)”課程為例

劉 豪,柏春嵐

（1.河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.河南城建學(xué)院 測繪與城市空間信息學(xué)院，河南 平頂山 467036）

0 引言

在新工科和新時代背景下,結(jié)合國家對專業(yè)人才培養(yǎng)的需求,進行高等教育改革,提倡學(xué)以致用以及理論與實際相結(jié)合,改變傳統(tǒng)的教育方式和提升教育質(zhì)量,這就需要對高校教育進行改革,涉及人才培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、課堂教學(xué)等內(nèi)容改革,尤其是課程教學(xué)改革,它是高校教學(xué)改革的必要條件之一[1-3]。目前的教育方式正在逐步轉(zhuǎn)變,形成以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向思想、教師為引導(dǎo),這就要求完善專業(yè)建設(shè)和促進教學(xué)改革[4-6]。教學(xué)改革涉及人才培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和方法等多方面,尤其是課堂教學(xué)。為了適應(yīng)新的教育理念和教育發(fā)展需求,教師不僅需要提高自身的教學(xué)水平、擴寬自身的知識領(lǐng)域,而且還要求學(xué)生充分利用課堂表現(xiàn)自己,讓學(xué)生在質(zhì)疑、探索、交流和體驗中鞏固學(xué)習(xí)知識和學(xué)習(xí)效果,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識,滿足當今社會發(fā)展對人才的需求。

1 課堂教學(xué)改革與探索

課堂教學(xué)涉及課前準備、授課內(nèi)容、教學(xué)方法和方式以及課堂總結(jié),甚至還包括學(xué)生隨堂筆記記錄、師生自我總結(jié)和反思[5]。它不僅能夠反映任課教師的教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)水平和師生關(guān)系,而且還影響學(xué)生學(xué)習(xí)的動力和興趣、學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果,甚至對引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維都有深遠的影響。因此,在新工科和新時代背景下,結(jié)合當今國家對人才的需求,培養(yǎng)大學(xué)生適應(yīng)時代的發(fā)展和需求,這就要求高校教育改革涉及多方面,尤其是課堂教學(xué)改革顯得極為重要,受到社會各界的廣泛關(guān)注和重視。

1.1 擴寬思路，引導(dǎo)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維

課堂教學(xué)以機械工業(yè)出版社湯蘊璆等編著的《電機學(xué)》（第五版）課程為例,主要涉及課前準備、課堂教學(xué)和課后總結(jié)。課堂教學(xué)過程中,主要包括教學(xué)內(nèi)容的引入、探究新知、課堂互動、課堂總結(jié)和引導(dǎo)創(chuàng)新思維,是教學(xué)環(huán)節(jié)中最重要的部分,影響學(xué)生學(xué)習(xí)電機學(xué)的積極性、主動性以及學(xué)習(xí)的興趣和愛好,同時也影響學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。

在授課電機學(xué)“三相變壓器聯(lián)結(jié)組別號”教學(xué)中,首先引入變壓器的高低壓側(cè)的相位判別。高低壓繞組電壓規(guī)定從首端指向末端,如果相應(yīng)高低壓繞組電壓同名端相同,又都是電壓方向規(guī)定從首端指向末端,則相應(yīng)的高低壓繞組電壓為同相位；否則相應(yīng)高低壓繞組電壓為反相位。在此基礎(chǔ)上,引入三相變壓器聯(lián)接組別判別,其三相變壓器聯(lián)接組如圖1所示。接下來,分析三相變壓器的聯(lián)接組別,采用鐘表法表示,以高壓側(cè)某繞組線電壓為基準,將其認為它時刻指向鐘表12點（也可當作為0）,然后用與低壓側(cè)相對應(yīng)的繞組線電壓順時針之間的夾角來判別該三相變壓器繞組聯(lián)結(jié)組別號,可表示為：

圖1 三相變壓器(星角聯(lián)接)

式中：θ為相應(yīng)的高低壓繞組線電壓之間的順時針夾角；k為三相變壓器聯(lián)接組別號,取0～11,其中變壓器繞組采用星形聯(lián)接,聯(lián)接組別號可為0,2,4,8,10,采用角接聯(lián)接,聯(lián)接組別號可為1,3,5,7,11。

對于變壓器的高壓側(cè)三相繞組采用星形聯(lián)接/三角形聯(lián)接可用Y/D符號表示,然而低壓側(cè)三相繞組采用星形聯(lián)接/三角形聯(lián)接可用y/d表示,其電壓相量圖可采用重心法和線電壓法表示。采用重心法表示三相變壓器繞組電壓向量圖如圖2所示。首先畫出高壓側(cè)繞組的電壓相量圖,如圖2（a）所示；然后再繪制低壓側(cè)繞組電壓相量圖,其電壓相量圖如圖2（b）所示；最后將低壓側(cè)繞組電壓相量圖平移,使其相量圖重心與高壓側(cè)繞組電壓相量圖重心重合,其結(jié)果如圖2（c）所示,以高壓側(cè)電壓相量圖重心線OA為基準,計算其與低壓側(cè)電壓相量圖重心線oa之間的順時針方向夾角θ。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合公式（1）和繞組聯(lián)結(jié)符號來判別該變壓器繞組聯(lián)結(jié)組別號,該三相變壓器的聯(lián)接組號為Yd7。

圖2 三相變壓器聯(lián)接組重心法判別

基于已學(xué)習(xí)的繞組電壓表示方法和高低壓繞組同名端的表示方法,結(jié)合變壓器繞組高壓側(cè)電壓相量,如圖1（a）所示,以三相變壓器高壓側(cè)繞組A相為例,電壓方向由A指向X,即A相繞組電壓相量為其他相也采用類似表示方法,繪制高壓側(cè)繞組電壓相量圖,如圖3（a）所示,可以看出它與圖2（a）不同。因為三相變壓器高壓繞組三相星形聯(lián)接,X,Y,Z三點連接到一點,其在圖3（a）中已顯示出來,而圖2（a）則不能形象地表示。由于高壓繞組AX,BY,CZ與低壓繞組by,cz,ax相對應(yīng)為同鐵心柱,本文以高壓繞組相電壓A點為起點,與b點為同名端,A點與b點重合,因此將二者形象地放在一起繪制繞組電壓相量圖,即與同相位。由于低壓側(cè)繞組b與z點聯(lián)接,進行繪制,采用同樣的方式繪制,方法類同,其結(jié)果如圖3（b）所示,其中低壓側(cè)繞組ab線電壓與b相繞組電壓相位相反,即該圖比較結(jié)合實際,容易理解；同時也可擴寬學(xué)生學(xué)習(xí)和理解思路以及細節(jié)注意事項,方便學(xué)生掌握變壓器聯(lián)接組判別。三相變壓器繞組電壓相量圖3（b）比圖2（c）更容易理解,更容易提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的效率和質(zhì)量以及擴寬思路,達到事半功倍的效果。基于三相變壓器的電壓相量圖,以高壓側(cè)繞組線電壓U·AB為基準,該電壓始終指向鐘表的12點,計算其與低壓側(cè)繞組線電壓U·ab之間的順時針方向夾角,利用公式（1）來計算該變壓器的聯(lián)接組別號,其結(jié)果為7。基于上述計算方法,獲得該變壓器繞組聯(lián)結(jié)組別為Yd7。通過上述該內(nèi)容的講述,然后播放課件進行點評,并與學(xué)生課堂互動,讓學(xué)生進行這兩種方法的學(xué)習(xí)和總結(jié),并進行小組討論,然后要求學(xué)生小組代表談?wù)勊麄兊恼J識和收獲。通過這種學(xué)習(xí)引導(dǎo),擴寬學(xué)生學(xué)習(xí)思路,增強學(xué)習(xí)“電機學(xué)”這門課的興趣和愛好,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。

圖3 三相變壓器聯(lián)接組線電壓法判別

通過這兩種方法應(yīng)用于課堂教學(xué)和實踐,根據(jù)學(xué)生平時測試、課上與課下交流以及期末考試,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于采用線電壓法判別三相變壓器聯(lián)接組標號理解比較透徹且思路清晰,擴寬學(xué)生學(xué)習(xí)思路和注重細節(jié),提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性以及學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量,加強學(xué)生學(xué)習(xí)理解和擴寬思路、提升學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維,融合教與學(xué),達到事半功倍的效果。

1.2 重視錯誤，加深學(xué)習(xí)理解和效果

在授課過程中,老師多鼓勵學(xué)生勤于思索、大膽想象、勇于創(chuàng)新和不怕犯錯。當學(xué)生出現(xiàn)問題或錯誤時,教師多與學(xué)生互動和交流,讓學(xué)生消除錯誤的恐懼心理,又重視錯誤的原因和過程,幫助學(xué)生查找和分析錯誤問題的原因和思維,正確引導(dǎo)和糾正學(xué)生錯誤的想法,使學(xué)生能有正確的認識和開闊思維,加深課程學(xué)習(xí)的理解和記憶,并能夠做到舉一反三,提升學(xué)生勇于創(chuàng)新的想法和分析解題的技巧和方法學(xué)改革,使培養(yǎng)的學(xué)生能夠滿足新時代和新工科背景下的社會發(fā)展對人才的需求。

如以“電機學(xué)”中有關(guān)直流電機的問題為例：“一臺并勵直流電動機,PN=96 kW,UN=440 V,IN=255 A,nN=500 r/min,IfN=5 A,Ra=0.07 Ω,電刷壓降2ΔUs=2 V,不計電樞反應(yīng),試求額定電流時該電機的電磁轉(zhuǎn)矩”。在授課過程中,首先播放課件,介紹和分析該問題,然后提問學(xué)生求解電動機的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩分別是多少。學(xué)生回答該電動機額定電流時的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩分別為260 A和2 084.57 Nm。老師先不評價學(xué)生回答問題正確與否,引導(dǎo)學(xué)生回答該問題是屬于直流電機的電動機還是發(fā)電機、回顧并勵直流電機的基本方程以及并勵直流電機的電樞繞組電流、勵磁電流與負載（或線路）電流之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,引入該題；然后用有關(guān)并勵直流電動機和并勵直流發(fā)電機的動畫電路描述電流的流動；再次與學(xué)生交流互動,詢問該題額定電流時并勵直流電動機的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩是多少。學(xué)生恍然大悟,回答該電動機額定電流時的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩分別為250 A和2 007.73 Nm。最后播放求解該題的課件,包含分析思路、求解過程,然后點評該題所用的知識點和注意事項,這有助于學(xué)生加深理解和記憶,同時也有助于任課教師調(diào)整合適的教學(xué)方式和教學(xué)方法,提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果以及教師教學(xué)質(zhì)量和效果。

1.3 課堂互動，改善師生關(guān)系和氣氛

課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中也含有師生互動和交流。師生之間的互動,首先從學(xué)生的認識出發(fā),引入教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容或易懂教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生觀察、思考以及分組討論,逐步引入當天課堂所授內(nèi)容,并提出授課內(nèi)容的重點和難點,充分引導(dǎo)和發(fā)揮學(xué)生自主探索和積極發(fā)言的主動性和積極性,加強師生之間的互動和交流。學(xué)生在小組合作時積極主動地參與和探討、質(zhì)疑、創(chuàng)造教學(xué)方式和方法,有助于學(xué)生對知識的理解和深化,充分發(fā)揮學(xué)生為主體的作用。教師為學(xué)習(xí)的組織者、引導(dǎo)者和研究者,提升學(xué)生對知識的理解和學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生敢于探索、勇于創(chuàng)新的精神,同時也改善了師生之間的關(guān)系和氣氛,有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和探索新知識和新事物的積極性和主動性以及提升教師的教學(xué)質(zhì)量和效果,達到事半功倍的效果。

如以“電機學(xué)”中的“變壓器參數(shù)的測定”為例。在授課過程中,首先通過教學(xué)課件引導(dǎo)學(xué)生回顧上節(jié)課學(xué)習(xí)變壓器的基本方程,“T”型等效電路和近似等效電路,其等效電路如圖4所示；然后引入需要求解的電流、損耗和功率等內(nèi)容。為了求解該內(nèi)容,需要知道變壓器的高壓繞組電阻（R1）、漏抗（X1σ）,低壓繞組電阻（R2）、漏抗（X2σ）和激磁阻抗（激磁電阻Rm、激磁電抗Xm）參數(shù)；然后引入求解該變壓器參數(shù),讓學(xué)生們分組討論和交流,然后抽查2～3個小組代表,讓他們講解如何求解變壓器的參數(shù)。針對該變壓器的參數(shù),在變壓器的低壓側(cè)采用空載實驗求取其激磁電阻和激磁阻抗,然后再由低壓側(cè)計算繞組參數(shù)折算到變壓器的高壓側(cè)；在變壓器的高壓側(cè)采用短路實驗求取繞組短路電阻和短路阻抗。小組代表講完之后,再讓其他小組成員談一下自己的想法和認識以及聽講授課內(nèi)容的效果；最后老師播放課件,并參評大家講述的效果。在評價學(xué)生講述效果時,首先肯定學(xué)生敢于發(fā)言和創(chuàng)新的思維,然后利用幽默的語言闡述學(xué)生講授的不足,引導(dǎo)學(xué)生完善和糾正不足,最后師生共同總結(jié)授課內(nèi)容的知識點和重點,這樣不僅提升了課堂教學(xué)質(zhì)量和效果,而且也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和質(zhì)量,增強了學(xué)生學(xué)習(xí)電機學(xué)的積極性和主動性,降低了學(xué)生學(xué)習(xí)電機學(xué)的枯燥和無味,同時也改善了師生關(guān)系和課堂氣氛。

圖4 變壓器等效電路

2 結(jié)語

本文主要研究高校課堂教學(xué)改革和探索,以“電機學(xué)”課堂教學(xué)為例闡述在新工科和新時代背景下的高等教育課堂教學(xué)改革,結(jié)合國家對專業(yè)人才培養(yǎng)的需求和工程認證的要求,從擴寬思路、引導(dǎo)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維,重視錯誤,加深學(xué)習(xí)理解和效果,課堂互動、改善師生關(guān)系和氣氛方面談?wù)摳咝Ｕn堂教學(xué)改革。通過教學(xué)實踐,驗證了高校課堂教學(xué)改革的必要性和重要性。