基于電機設計類課程問題導向的思政元素教學探析

安國慶，孫會琴，閆彩紅，薛智宏，馬世博

（河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 050018）

河北科技大學電氣工程學院的辦學定位是緊密結合區域經濟建設，培養高素質應用型電氣工程人才。“電機優化設計”課程所在的電機與電器學科方向以及“電機設計及仿真技術”課程所在的電氣工程及其自動化專業，每年為河北省變壓器、電機等優勢特色行業輸送大量人才。大部分畢業生在和電機相關的龍頭企業如保變電氣、河北電機、新四達電機、長城汽車等擔任技術骨干。然而，電機設計類課程在傳統教學過程中存在電磁理論形象化不足、設計優化方法與工程應用關聯困難、學生對行業前沿了解不足等問題。同時，為深入貫徹教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》要求，亟待以解決上述問題為導向，對課程思政教學融入點開展相關設計，使課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，達成全方位育人效果。課程將電機人愛國主義情懷、科學典故的工匠精神、辯證唯物主義方法論、時事政治等元素類型巧妙設計，融入課堂講授給學生。

一、基于唯物辯證法融入的課堂教學課程思政理念創新

現存問題是課程理論性強，涉及電、磁、力、熱、機械等多門學科，知識信息量大。要求學生具有一定的空間想象能力和邏輯分析能力。電機設計的特殊問題容易在不同電機類型之間相互混淆，電機性能優化過程中，各參數指標相互制約，學生難于分析取舍。針對以上問題，根據電機設計類課程特點，將唯物辯證法融入課程學習。

（一）普遍性和特殊性理論

在講述電機的分類時，根據供電形式分為直流電機和交流電機，引入“電流之戰”。以愛迪生和特斯拉為主交直流電之戰后，交流電稱為電力系統的主要方式，在20世紀90年代之前，直流電動機由于起良好的調速性能在電力拖動中得到廣泛應用；隨著電力電子和新能源發電技術的發展，實現直流電的遠距離傳輸，同時推進了交流電機調速特性的大幅提高，變頻技術廣泛應用。“電流之戰”誰是贏家？——矛盾是普遍存在的，矛盾是事物聯系的實質內容和事物發展的根本動力，人的認識活動和實踐活動，從根本上說就是不斷認識矛盾、不斷解決矛盾的過程。利用唯物辯證法中矛盾的普遍性和特殊性關系，可用于幫助學生分析不同電機類型設計過程中的“共性”和“個性”，提高對課程知識體系掌握的效率。例如，可圍繞磁路計算的原理，對電機磁路計算涉及的極弧系數、電樞長度、氣隙系數、電磁計算步驟、流程進行“共性”討論；在此基礎上，對不同電機類型磁路構成、磁極結構特點進行有“個性”的特色討論，幫助學生對不同電機知識點互通理解。

（二）“主次矛盾”和“量變質變”理論

在電機參數優化過程中，引導學生利用辯證唯物主義理論進行分析，用“矛盾”的視角進行電機參數優化調整，培養學生抓住并解決主要矛盾的能力（例如啟動電流和啟動轉矩相互矛盾的問題等）。在保證電機性能滿足基本要求的參數變化范圍內（未發生質變），進行尋優調整（把握量變的度），以提高學生辯證性分析和解決問題的能力。

二、基于電機設計案例庫的“綠色節能”意識的強化

現存問題：電機設計基本理論以及電機電磁設計內容抽象、枯燥，引導學生將與工程應用進行關聯較為困難。針對以上問題，以典型電機產品設計為載體，建設面向“節能減排”技術改造的電機設計案例庫，針對不同教學內容，采用不同實例導入。在提高教學效果的同時，強化學生“綠色節能”意識，解讀國家加大節能、降耗、排污排廢，淘汰落后生產能力的綜合治理力度及有關政策，加深學生對于“碳中和、碳達峰”國家發展戰略目標的理解。

1.引入永磁直驅變頻電機應用到電力行業煤磨機、皮帶輸送機、球磨機等，利用低速大扭矩永磁直驅電機取代傳統“異步電機+變速箱”的技改應用案例，提高學生節能責任意識。

2.通過唐任遠院士的稀土永磁電機用于電動汽車驅動的電機特性，學習八旬老電機人的愛國主義情懷和科研成就。以豐田Prius電動汽車驅動電機優化技術革新為例，號召學生廣泛了解新能源汽車行業動態，介紹其永磁電機經歷I代到IV代的磁路結構優化的設計演變，積極學習國外先進的技術經驗，拓寬學生的國際視野。讓學生樹立起對未來職業敬畏、對工作執著、對當前電機產品負責的態度，以及通過團隊合作不斷追求完美的精神。并以V型磁路永磁電機為例，結合同步電動機的Ansoft計算機軟件輔助設計強化電機設計內容與工程應用的關聯性。

三、基于電機設計行業“大國重器”的課程內容導入

現存問題：學生在學習過程中，聚焦點僅放在課程內容本身，對電機行業發展的最新動態及前沿技術應用情況往往不會積極主動關注。針對以上問題，在課程講授過程中，適時引入電機設計行業強關聯的“大國重器”，明確課程背景，增強學生民族榮譽感和自豪感，激發學生對課程中蘊含科學問題的興趣。

（一）TQ-800永磁同步電機——將中國高鐵牽入400公里時速

將2019年9月17日一則行業新聞“400公里時速高鐵有戲，我國研發成功新一代永磁牽引電機”作為同步電機引言部分的課堂導入，利用大國重器“復興號”作為鋪墊，在該背景下重點介紹中車株洲電機公司研發的時速400公里高速動車組所用的TQ-800永磁同步牽引電機。闡明該電機技術創新特點，例如，利用封閉風冷及關鍵部位定向冷卻技術解決溫升問題；采用新型稀土永磁材料解決了永磁體失磁的難題等。羅列說明采用同步電機作為高鐵牽引電機在功率密度、效率、環境適應能力方面的優勢，有效激發學生電機優化設計方法的求知欲。

（二）“華龍一號”三代核電發電機組——實現中國核電強國的轉變

向學生強調機組所有核心設備均已實現國產，以及我國目前完全具備批量化建設能力，可作為“國家名片”引領中國核電走向世界，用于增強學生的民族自信和專業自信。通過重點介紹“華龍一號”發電機研制過程中在電磁計算程序、冷卻技術、絕緣設計以及定子結構的整體設計等自主創新優勢，向學生展示國家在制造業崛起過程中發電機領域取得的巨大成就。

四、基于電機行業就業需求導向的“工程化培養”中思政元素融入

現存問題：本課程綜合力、熱、流體、機械結構、電路、磁場、材料等多學科內容，且多物理場之間相互耦合，各物理量之間關系復雜。在參考教材較少且學時有限的情況下，教師容易陷入重理論、重分析、重公式推導、輕工程實踐的“教學陷阱”。針對以上問題，課程借助現代計算機輔助設計技術，結合大量工程案例庫進行課程思政元素設計，引導學生根據工程特定應用情景，有針對性地進行電機優化設計，培養學生發現、分析、解決問題的能力。同時利用實踐培養環節，將學生帶入優質電機企業現場，利用企業工程亮點和優秀企業文化，潛移默化培育學生“工匠精神”。

近年來，新技術革命和行業變革接踵而至，電機設計行業對畢業生的要求不僅限于基于公式分析的電磁計算和圖紙設計，而是要求熟練掌握如Ansoft、COMSOL等多物理場仿真軟件，并利用磁場、溫度場仿真結果的綜合分析指導電機參數進一步優化調整，從而在電機設計崗位可具備快速、高效并適用于各類實際工況的電機設計或改造能力，適應行業發展需求。在此過程中需讓學生了解各類特殊工況如易燃易爆、潛水潛油、頻繁啟動制動、低速大扭矩直驅等，在開闊學生視野的同時，幫助學生正確形成特殊情況特殊分析、理論聯系實際、實事求是的科學態度。在“個性化實習”以及“春季小學期（個性化學期）”等實踐環節，帶領學生到區域內電機龍頭企業實習，培育學生認認真真、盡職盡責、專心致志不懈怠的敬業精神，利用貼近工程實際的電機新技術、新工藝、新機型，引導學生追求突破、追求革新，增強學生“一門心思扎根下去”的信心和決心，不斷積累專業優勢，強化學生專注的職業素養。考慮到高校教師對最新的行業動態發展變化趨勢了解得不夠及時和準確，因此在實踐環節把學生“送出去”的同時，還應把優秀電機行業企業專家“請進來”。河北科技大學連續多年聘請本校畢業的企業工程師到課堂兼職授課，在拉進企業教師與學生距離的同時，可從企業角度把電機設計過程中需重點注重的技術細節貫穿其中，該授課方式獲得了學生的一致好評。在案例設計環節，由企業教師參與題目設計，通過學生3人結組的協同設計，給出同一電機設計案例的至少3套合格方案。在案例設計結束后，高校課程群教師和企業教師聯合組成答辯小組并制定評比標準進行考評。在項目匯報的過程中，可大大促進學生的綜合邏輯分析和判斷能力的提升。在此過程中，企業教師會重點關注對電機設計方向感興趣且有培育潛力的學生，學生也可主動與企業教師聯系咨詢。在學生和企業單位相互認可的情況下，可進一步簽下就業協議，實現校企聯合的“半定制化”式培養。

五、電機設計的國家標準和國際標準的教學灌輸

電機的國家標準是國家有關部門在總結以往電機設計、制造和使用經驗的基礎上，從實際出發并考慮后續行業發展需要而對電機提出的一定要求的文件。它是電機生產的依據，也是評定電機質量優劣的準則。國家標準所規定的各項要求，是綜合考慮了產品的實用性、技術上的先進性、經濟上的合理性、使用上的可靠性和生產上的可能性而提出的。因此在電機設計課程講授的過程中，要實時強調產品設計的出廠可行性，確保設計和制造的電機全面滿足國家規定的各項要求。

隨著我國電機行業的蓬勃發展，我國電機出口從長遠來看仍處于高速增長階段，尤其對高效節能電機及中小型特種電機等出口需求不斷增長。因此，在課程教學過程中可通過“等效采用”和“參照采用”兩種標準進行介紹講解，拓寬學生國際視野。重點介紹在尺寸和功率等級，電刷、刷握、換向器、集電環，試驗方法和程序，外殼防護、冷卻方法和安裝方式等方面和國家標準的區別。為進一步讓學生了解實際電機加工工藝，在教材算例的部分，應適當舉例加以說明。如異步電動機算例部分按理論計算出的定子沖片外徑為0.253m，但在工程上沖片的加工生產要求通常采用5mm進位，因此還需按5mm為單位取值后，再返回先前步驟重新折算定子內徑。

在講授電機型號命名方式一般由“產品代號-規格代碼-特殊環境符號”組成，在講授我國電機發展史時，可引入“新中國第一代系列電機的誕生過程”的科研典故，為學生解讀“工匠精神”的深層次內涵。例如，解放初期我國沒有自己的工業基礎和規范系統，采用了蘇聯國家規范系統，1952年我國中小型異步電動機J、JO系列產品誕生，首次規范了我國電機工業的技能系統。第二代J2、JO2系列在“大躍進”歷史背景下，不講求科學規律，導致電機性能不過關，引導學生樹立“實事求是”的科學態度。結合“蘇聯撤走技術專家”“三年自然災害”特殊歷史時期，突出強調設計工作組艱苦奮斗、自主創新的民族精神。

結語

文中以河北科技大學電機設計類課程教學改革為例，針對課程改革過程中亟待解決的問題，開展了課程思政元素的教學設計與實踐，在強化學生辯證性分析、增強民族自信、“工匠精神”培育、校企專創融合、工程標準灌輸等方面達成了課程思政教學目標，并取得了良好的教學效果。課程注重課程思政建設模式創新，對其他高校電氣類專業方向的相關課程具有良好的借鑒意義。