電機與拖動課程思政建設案例設計

王雪潔，丁瑞昕，婁 瑩

（1.浙大城市學院 信息與電氣工程學院，杭州 310015；2.廣州工程技術職業學院 機電工程學院，廣州 510641；3.遼寧科技大學 電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114051）

以習近平新時代中國特我社會主義思想為指導，深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述，貫徹落實全國、全省教育大會精神，圍繞立德樹人根本任務，牢固確立人才培養的中心地位，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，全面梳理挖掘專業課程所蘊含的思政元素，充分發揮專業課程所承載的育人功能，將價值引領、知識傳授和能力培養融為一體，抓住教師隊伍“主力軍”、課程建設“主戰場”和課堂教學“主渠道”，實現各類課程與思想政治理論課程同向同行，營造全員、全程、全方位育人大格局，培養德智體美勞全面發展、能夠擔當民族復興大任的社會主義建設者和接班人。電機與拖動課程作為自動化專業必修課，思政建設刻不容緩。

一、電機與拖動課程學情分析

（一）學生知識經驗分析

（1）電機是實現電能傳遞和轉換的電磁裝置——有形，磁場——無形，“形”和“象”如何聯系，是課程教學難點，學習畏難情緒嚴重，學習興趣不高。

（2）學生已經學習了電機與拖動課程中直流電機工作原理和機械特性，三相感應電動機結構和工作原理剛剛學習，尚未完全領會。

（3）三相感應電動機轉矩、功率和機械特性即將學習。

（4）需要了解三相感應電動機在實際生活中的應用及調節哪些參數可以改變功率和轉矩的大小。

（二）學生學習能力分析

（1）學生對于前面所學習的直流電機工作原理和機械特性掌握較好，并且已經在實驗課中完成了直流電機起動、調速和制動等各種特性的手動調節和參數測定，具備了一定的分析問題和解決問題的能力。

（2）對于與直流電機結構和工作原理有一定區別的三相感應電機的工作原理領會有一定難度，對于三相感應電機在實際生活中應用和如何調節轉矩及功率大小所知甚少，知識遷移、融會貫通和創新思維能力有待加強。

（三）學生思想狀況分析

（1）由于電機具有“形”“象”脫節的特點，知識內容抽象難懂，普遍學習興趣不高，畏難情緒嚴重。

（2）三相感應電機功率和轉矩學習過程中，將結合前面所學習的三相感應電機T 型等效電路展開，學生缺乏知識遷移、融會貫通和創新思維的能力。

（3）缺少科學研究探索的精神。

二、電機與拖動課程課堂教學目標

（一）知識目標

理解掌握三相感應電動機功率公式及各參數含義；理解掌握三相感應電動機轉矩公式及各參數含義；理解三相感應電動機功率和轉矩的重要意義。

（二）能力目標

能夠根據三相感應電動機T 型等效電路推導出功率公式，學會融會貫通和知識遷移；能夠根據三相感應電動機功率的平衡關系推導出轉矩的平衡關系；理解電能與機械能的轉換過程。

（三）價值目標

通過前后知識的融合貫通，采用辯證思維和科學方法論，實現知識遷移；通過授課過程中布置的三級討論題，培養學生團隊合作、創新思維、工匠精神和科學探索精神；通過了解三相感應電動機在電動汽車和高鐵動力系統中的應用，樹立學生科技強國、開拓創新和勇于奮斗的大國情懷。

（四）本次設計的課程思政目標

本次課程的思政總體目標是樹立科技強國、大國情懷的理想信念，為了實現中國制造而奮發圖強的拼搏精神。從建立節能環保、生產安全意識、辯證思維和科學方法論入手，側重于學生社會主義核心價值觀的引領，激發學生在專業課程學習過程中樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，塑造團隊合作、科學探索精神、創新精神和工匠精神等思想政治意識。

三、電機與拖動課程教學過程設計

（一）視頻資料1（課前已經安排觀看并分小組準備討論題目參考答案）

觀看視頻資料：電動汽車是如何工作的？了解為什么電動汽車選擇了感應電機而不是內燃機，激發學生的學習興趣，并引出思考。

課堂討論1：為什么電動汽車選擇了感應電機而不是內燃機？

課堂討論2：我國電動汽車的發展現狀是怎樣的？

引起思考，激發同學學習三相交流感應電動機功率和轉矩相關知識的興趣。

（二）視頻資料2

觀看視頻資料：中國永磁動力高鐵。

課堂討論3：在高鐵和電動汽車中為什么趨向于采用永磁同步電動機？

介紹中國高鐵動力系統組成、時速400 千米TQ-800 永磁同步牽引電機、牽引電機剖面圖，通過介紹我國于2019 年研發的時速高達400 千米TQ-800 永磁同步牽引電機，向同學們傳遞節能環保、生產安全的理念和意識，同時樹立科技強國、大國情懷的理想信念。

（三）立體化了解三相感應電動機能量傳輸過程

三相感應電動機通過電磁感應作用，把電能從定子傳送到轉子，通過轉子旋轉將電能轉化為機械能，去掉機械損耗和附加損耗后，剩余的機械能從電動機軸上輸出。具體過程如圖1 所示。

圖1 三相感應電動機能量傳輸示意圖

三相感應電動機轉子旋轉時等效電路中，定子側參數有：r1為定子側繞組電阻；x1為定子側漏電抗；U1為定子側繞組外加的交流電壓；I1為定子側繞組中的電流；E1為主磁通在定子側感應的電動勢。

轉子側參數有：r2′為轉子側折算到定子側的電阻折算值；x2′為轉子側折算到定子側的漏電抗折算值（1-S）r2′/S 為轉子側負載阻抗折算到定子側的值；U2′為轉子側折算到定子側的負載電壓折算值；I2′為轉子側折算到定子側繞組電流折算值；E2′為主磁通在轉子側感應的電動勢折算到定子側的折算值；rm為鐵心的電阻；xm為鐵心的電抗。

建立起三相交流感應電動機形象化立體結構，體會能量傳輸過程—定子吸收電能—轉子輸出機械能。

將三相感應電動機比喻為學生目前喜歡玩的大型游戲，發揮立體化空間想象能力，將自己“穿越”進電機內部，從而形象化地記憶三相感應電動機能量傳輸過程，讓學習變得生動有趣起來。

（四）功率關系的數學描述

三相感應電動機功率平衡方程式與三相感應電動機轉子旋轉時等效電路中元件所消耗功率其實是一一對應的，所以學習三相感應電動機功率關系的時候只要按照三相感應電動機等效電路相關元件所消耗功率記憶，就會取得事半功倍的效果。

分析過程中請注意：電阻消耗的都是有功功率，電感消耗的都是無功功率。

對三相電機而言

從等效電路可以看出，輸入電機的電功功率主要消耗在r1、rm和三個等效電阻上了，它們分別為

定子一側的銅損耗

鐵芯中的鐵損耗

說明：此處需要注意推導公式的嚴謹性，向學生傳達嚴謹的工匠精神。

值得注意的是，根據功率傳輸關系，輸入電機的電功功率P1去掉定子一側的銅損耗和鐵芯中的鐵損耗，就得到了電磁功率Pem，接著該電磁功率Pem通過氣隙間的磁場傳遞給轉子，而轉子的電磁功率都消耗在r2′/S上了。

電磁功率表達式為

說明：此處可以使用辯證思維論來看待電磁功率的表達問題。

通過氣隙間的磁場傳遞給轉子的有功功率，稱電磁功率。

若從三相感應電動機的輸入端看，電磁功率Pem等于輸入功率減去定子一側銅損Pcu1和鐵芯中的鐵損耗PFe。

若從三相感應電動機的輸出端看，電磁功率Pem等于轉子銅損Pcu2與輸出機械功率PmecΣ之和。

結論：由上述兩個表達式可知，電磁功率是電機輸入的電功率轉換為機械功率的中間功率，換句話說，電機輸入的電功率是通過電磁功率轉換為機械功率的，而電動機軸頭輸出的機械功率為總的機械功率減去機械損耗pmec和少量的附加損耗pad。

三相感應電動機中的總損耗為

三相感應電動機總的有功功率之和為

通過完成小組討論題目，完成初級知識遷移，通過團隊合作訓練，培養同學們的職業素養。

課堂討論4：電磁功率∶轉子銅耗∶總機械功率等于多少？（初級）

說明：分析和解決問題的方法很多，如何選擇最有利于理解的方法即為重要，所以需要關注科學方法論。本節課內容我們就很好地利用了圖示分析方法。

本節課中，三相感應電動機各種功率之間的關系通過數學表達式的形式描述得非常清楚，但略顯公式較多，不便記憶，不妨將各個功率之間的關系用三相異步電動機能量流程圖形象地表示出來。

通過能量流程圖，三相感應電動機的輸入電功率P1、定子回路損耗pcu1、磁路損耗pFe、由定子通過氣隙磁場傳遞給轉子的電磁功率Pem，以及轉子回路的銅損pcu2、機械損耗pmec+pad和輸出機械功率P2之間的關系，一目了然，非常直觀、形象。同時，由表達式（4）還可以看出，轉子銅損耗pcu2與電磁功率Pem、輸出總的機械功率PmecΣ與電磁功率Pem存在如下關系

（五）轉矩平衡關系的數學描述

根據電路理論可知，只有電流的有功分量才能做功，由動力學的知識得

電動機的軸頭輸出轉矩為

說明：充分利用圖示分析方法幫助我們理解和記憶大量繁復公式。

結論：三相感應電動機的電磁轉矩Tem與氣隙磁通Фm和轉子電流I2′的有功分量成正比，或者說，三相感應電動機的電磁轉矩Tem與氣隙磁通Фm和轉子電流有功分量I2′cosФ2的乘積成正比。

通過完成小組討論題目，完成中級知識遷移，通過團隊合作訓練，培養同學們的職業素養。

課堂討論5：你認為本節課得到的三相感應電動機轉矩表達式有何實際意義？（中級）

通過完成小組討論題目，完成高級知識遷移，通過團隊合作訓練，培養同學們的職業素養。

（六）分享我們身邊的科學家小故事

曹鳳山教授（1901—1991），江蘇揚州人，二級教授。中國電機工程學元老，專長計算尺設計。畢業于交通大學，曾獲美國麻省理工學院和哈佛大學碩士學位。曾任浙江大學電機系主任，暨南大學教授。建國后歷任上海交通大學教授，中國紡織大學電機教授、數理系主任。

通過分享科學家故事，學習他們無私奉獻、忠心愛國、精益求精和嚴謹務實的科學家精神，對學生形成潛移默化的影響。

課后作業（高級）。

小組討論1：本節課推導出來的三相感應電動機轉矩表達式對于分析三相感應電動機機械特性有幫助嗎？為什么？

小組討論2：搜集三相感應電動機在現實生活中的實際應用場景，下節課課上分享。

四、總結反思

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。怎樣做好立德樹人，在專業課的授課過程中，怎樣把思政元素融入課堂，是我們每一個教師應該思考的事情。電機與拖動課程作為自動化專業核心必修課，理論性強，“形”“象”脫節，如果可以恰當地引入思政元素，既能夠活躍課堂氣氛，增強教學趣味性，又可以達到育人的目的，解決“形”“象”脫節等教學問題，實現實踐育人。