面向應用型人才的“電機及拖動”教學改革

文 麗

(廣州城市理工學院 電子信息工程學院,廣州 510800)

“電機及拖動”課程是廣州城市理工學院電子信息工程學院自動化專業的核心課程,以先修課程“大學物理”“電路”為基礎,也為“電力拖動自動控制系統”“綜合控制系統創新設計”等后續課程打下基礎,課程理論性很強,還兼具一定的實踐動手要求。如果要深入開展學習,該課程涉及的知識點就非常多。該課程理論56學時,實驗8學時,課程內容又涉及電機學和電機拖動兩大部分,由于學時較少,導致不能過多深入開展。

1 課程現狀

“電機及拖動”課程教學內容概念多,理論抽象,存在教師難教、學生難學的狀況[1-4],課程涉及的物理和電路學知識,很多學生學得不是很扎實,但是該課程又是專業核心課程,是學生必修的課程。該課程很多知識點學生學了,卻似懂非懂,比如直流電機的啟動、調速方法,說起來簡單,但是實際運用的時候就不知如何下手,在實驗中會顯露出來這個問題。

傳統的教學模式通常是教師使用PPT結合板書進行授課,學生學習理論知識,然后完成課后作業、實驗,完成實驗報告。該課程理論抽象,學生接受不易。廣州城市理工學院電子信息工程學院的學生理論基礎較弱,普遍對原理分析不是特別感興趣,一旦學到困難處學不動了,就會停滯不前,甚至徹底放棄。

廣州城市理工學院定位是應用型本科院校,目標是培養應用型人才,那么該課程就要本著“應用”的本質,結合學生的學習特征和實際情況,適當地選擇合適的教學內容,運用靈活的教學方法,才能更好地激發學生的學習興趣,提高他們的信心。

針對以上情況,“電機及拖動”課程的改革勢在必行。

2 面向應用型人才培養的課程改革

根據應用型人才培養目標,旨在理論與實踐兼顧,以“應用”為主,降低課程理論學習難度,激發學生學習興趣,從教學內容、教學方法、課件與考核方式等方面進行了改革探索,尋求形成與應用型培養目標一致的線上線下混合教學模式,以獲取更好的教學效果。

2.1 教學內容的調整

以應用型人才培養為目標,根據學生理論基礎的差異,教學內容不應拘泥于教材,而所用教材偏重于理論,所以課堂教學內容應有調整。

教學內容調整可適當弱化原理部分,公式的推導,比如電磁感應電動勢和電磁轉矩的推導可以略過,只需要學生記住公式,會在一定的條件下使用公式分析問題就好。教學中簡單介紹電機內部的繞組規律,只要讓學生掌握不同繞組形式的電機具有什么樣的特點,大電流的電機、大電壓的電機根據需要正確選擇電機即可;讓學生了解電機的運行原理,著重掌握電機的拖動特性,結合專業特點著重學習電機的啟制動和調速原理與方法;把變壓器的參數計算分析,放在變壓器實驗報告里去完成,結合實驗掌握變壓器的端電壓特性,弱化三相變壓器的聯接組別相量圖,掌握三相變壓器的磁路分析、空載電勢波形以及并聯運行的條件;弱化三相異步電動機的計算,掌握結構和基本工作原理,著重掌握三相異步電動機的啟動問題,掌握三相異步電動機的調速方法和制動。整體來說,在學習基本原理的基礎上,特別注重電機拖動特性的分析和學習,讓學生主要掌握控制電機的方法。

另外結合課程思政,還可在課程中穿插一些電機的歷史小知識以及其他電機相關的趣事或業界最新的發展,推薦相關的微信公眾號(如電機技術及應用)、網絡資源等,讓學生了解我國電機的發展和未來的方向,激發學生科技興國的志向,對他們今后的就業引導也有很大的幫助。

比如講到電機的功率流圖和效率特性時,可以結合當前的政策,引出“十四五”工業綠色發展規劃,力爭2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和。中國電機耗電量在工業總用電量中的占比約為六到七成,但中國高效節能電機市場份額僅3%左右,電機系統整體運行效率較發達國家低20%左右。電機能效提升在“十四五”工業綠色發展規劃中將是關鍵重要角色。隨著碳達峰、碳中和被寫入政府報告,綠色低碳可持續發展路徑成為了企業的必然選擇,節能高效的電機對制造業變得尤為重要。那么,如何提升電機的能效呢?這就是激發學生思考并為之奮斗的動力。

2.2 教學方法的靈活運用

以往教學一般是按照PPT和板書結合的方式進行,然后按直流電機、變壓器、三相異步電動機三大模塊開展,每個模塊結束后會由相應的練習。由于一個模塊講授的時間比較長,知識點較多,學生很容易忘記,本文介紹了新的教學方式。課堂教學把每個部分按知識點講授,然后對應每個知識點開展鞏固練習,實現課程知識點和跟隨練習緊密結合,最后再把該部分的知識點串起來歸納、測驗。這樣上課的效果比較好,能幫助學生快速汲取知識,教學方法上靈活多變,師生互動得到加強。

1)直觀教學法

電機從外觀上看幾乎都是一個模樣,但是內部結構是學生要了解的,否則學習起來就覺得抽象,課程教學時利用圖片剖析、視頻、三維動圖等方式把電機結構展現出來,給學生直觀的印象。學習變壓器時,學生可以從手邊的廢舊充電器著手拆解,從實物結合原理了解變壓器的結構,也可以變廢為寶,課外動手制作不同電壓的變壓器,加深理解電機結構;或者拆解遙控小車、電動玩具之類的電動機,看看微型電動機有什么區別。

同時,電機及拖動基礎實驗室還配備了直流電機、變壓器、三相鼠籠式異步電動機和繞線型異步電動機的教學模型,可用于課堂同步展示,便于學生觀察學習。

2)采用比較法講授知識點

課程按照直流電機、變壓器、三相異步電動機三個模塊進行,三個模塊看似沒什么關系,但是在有些原理分析方法上通過對比是容易分析的。在教學過程中,引導學生總結共性,對比個性,一步步去挖掘。講述啟動、制動和調速時,也可以對比分析交直流電機各自的方法和相通點,在變壓器和三相異步電動機的電磁關系、等效電路知識點上,分析方法也基本相同。這樣可以讓學生對比學習前后知識點,加深印象。

3)采用提問式教學

提出下一節要解決的問題,讓學生做好預習,采用分組討論,再來分析印證,可以調動學生的學習積極性,啟發他們的思維。比如,講解直流電機原理時,請學生利用電磁感應定律和電磁力定律,分析電機模型中線圈的電勢方向和電流方向,引出直流電機結構上電刷和換向裝置的整流作用。在講解三相異步電動機的工作原理時,對比直流電機的機構,發現三相異步電動機內部沒有主磁極,從而引出旋轉磁場的形成原理,啟發學生思考磁場與定子之間的相對運動、磁場與轉子之間的相對運動、轉子與定子之間的相對運動,從而理解同步轉速、轉子轉速與轉差率之間的關系[2-3]。

4)線上線下混合教學

通過網絡、課堂、實驗室把教師和學生建立聯系,多渠道獲取教學資源,加強溝通互動。借助豐富的網絡資源如MOOC、雨課堂、學堂在線等等,選擇一些合適的課程資源,放在學校超星學習網絡平臺課程里,實現資源共享。學完一部分內容,發布線上作業、測試,及時檢驗學生的學習情況。作業批改實行生生互評,這種方式讓學生參與到作業批改環節,可以讓學生通過批改其他同學作業的過程,對比教師給出的答案解析,進而了解這個知識點難易程度,更容易掌握知識點,同時安排課堂講解和線上線下答疑,學生也可以通過學習通、QQ、微信等方式及時和教師溝通。

網絡課程平臺建立了題庫,包含了選擇題、填空題、判斷題、簡答分析題、計算題等多種題型,涉及的知識點面廣,分為易、中、難三個級別。學生平時作業練習基本上都在題庫里,只要做好課前預習,課后認真完成作業,考前認真復習,考試就不成問題。教師也能根據平臺的統計分析,了解哪些學生未完成作業,哪些題目學生容易出錯,再針對問題加以解決,以提升教學效果。

2.3 教學課件的制作

為了授課PPT給學生有更好的觀感,作為主講教師需學習許多PPT制作和多媒體制作技巧。原來的教學PPT文字類描述較多,比較單一,排版也比較粗獷,為了幻燈片內容看起來生動形象、一目了然,需增加了大量圖片、動畫和視頻。

“電機及拖動基礎”本身的知識點比較抽象,理論性很強,學生的學習能力相對偏弱,所以過多的純文字講解和計算公式的分析,反而會讓他們覺得枯燥。因此,實物圖片、三維圖片、動畫和短視頻元素的加入,如圖1三相鼠籠式異步電動機的部件拆分,讓學生能直觀地看到三相鼠籠式異步電動機的結構,再把短視頻和原理分析結合起來,進一步加深學生的印象。為了吸引學生的注意力,課件加入了大量動畫效果,配以規范的字體和舒適的顏色,更好地對知識點一步步分析,課后也方便了學生自行復習。

圖1 三相鼠籠式異步電動機結構圖

2.4 考核方式的改革

要突顯學生的真實水平,考核方式也很重要。除了理論考核,實踐動手能力也要體現出來,考核評比就要進行合理的分配。

原有課程考核方式按照卷面70%+平時成績30%的比例實施。為了突出實踐的重要性,提高學生對實驗的重視程度,考核方式改為卷面60%+平時成績20%+實驗成績20%。實驗成績直接由實驗教師根據實驗完成情況、實驗報告的質量和實驗考核評定,平時成績包含了考勤和作業完成情況。考勤的方式除了隨機點名,也采用學習通課程平臺的簽到方式進行,如果考勤表現惡劣,沒有完成作業則取消考試資格。如果課堂積極回答問題,作業完成優異或者實驗做得非常好,都可以得到加分。若是學生參加省級以上的比賽獲獎,還可以在已有成績的基礎上乘以1.2的系數。這些措施激發了學生主動學習的興趣。

因為“新冠”疫情的影響,考試可以靈活地安排為線上或線下進行,線上開展的優勢在于不用浪費紙張,試卷電子存檔也方便,備用試卷多且靈活。只要學生認真完成網絡作業,考試就變得容易多了。

2.5 實驗改革

1)實驗學時內容調整

實驗教學學時由原來的8個學時增加到12個學時,使得實驗內容在原來的基礎上得到擴展。在直流電機實驗內容里,將電機的各種特性進行量化測量,加深學生的認知;實驗二增加三相變壓器的聯接組和不對稱短路試驗,讓學生對三相變壓器的運用有一定的掌握;實驗三補足了三相電機的基本特性測試,可以更好地認知三相電機的運行原理。改革后的實驗內容更全面,更具應用性。實驗課上教師會全程跟進,數據要現場檢查完畢后方能離開。實驗報告告別傳統的紙質版上交方式,采用實驗室建設的虛擬仿真平臺上交、批改,既適當地減輕了實驗教師的工作壓力,又方便報告存檔。

2)引入仿真,虛實結合

實驗教學不再單純依靠實驗室的實際操作,把仿真引入實驗,做到虛實結合。自動化專業學生課前學習了Matlab 軟件的使用方法,因而可以使用Matlab/Simulink 進行仿真。實驗前后,學生可在計算機上進行仿真模擬,通過建立仿真模型,進行動態過程仿真模擬,增加感性和理性認識,反過來結合理論和實驗的數據分析,更好地掌握知識。例如,電機的啟動、調速過程中的速度、電流等隨時間的動態變化,可以很清晰地在仿真圖形里表現出來,再結合實操,學生就能獲得更清楚的認知[4]。

3)實驗考核方式改革

實驗在課程考核方式中占20%的比重,因此實驗課程的考核也進行了改革。平時學生5人一組,做完實驗每人交一份報告,教師根據報告和現場完成情況打分。這種方式會讓學生產生可以混的思想,一組只要有一個人做了,大家都有報告了,并不能體現學生的真實水平。為了讓學生真正動起手來,教師給出6個考核題目,考核題目如表1,題目在平時實驗的基礎上增加了設計性和綜合性[5]。考前,實驗室對學生開放。現場考核時,學生隨機抽取題目并動手操作,最終根據平時實驗和最后考核的情況,給出合理的實驗成績。

表1 “電機及拖動”實驗考核安排

其中,實驗流程由學生自己設計,整體要求和具體實施步驟由教師把關指導。學生要完成題目的設計并驗證,就需要回過頭把書本上的知識理解透徹,再把理論運用于實踐,同時鍛煉了應用能力、設計能力、實操能力,也能提高學生的創新意識。學生有了電機控制的基礎,在“PLC可編程控制技術”、“運動控制系統”、畢業設計中,才能更好地綜合運用所學知識進行電力拖動控制系統的設計,也為今后從事電機控制相關工作打下了一定的實踐基礎。

3 結語

本文面向應用型人才,對“電機及拖動”課程從教學內容、教學方法、教學課件、考核方式的改變和實驗改革等方面進行了探討。經過兩年的實踐,“電機及拖動”課程改革與實驗改革取得了良好的教學效果。學生課堂注意力集中,增加了互動,學習興趣得到了極大的提高,對教師課堂的質量評價也逐年提升。考核方式的調整和實驗考核的改革使對學生的考評更為合理,網絡課程體系的建立為學生在預習、復習環節提供了極大的幫助,該課程的考試通過率也得到了提高。

但為了取得更好的教學效果,進一步適應應用型人才培養的目標要求,還需要更多的努力。接下來,可以開發更強大的教學工具,比如AI課件的研究,利用“互聯網+”繼續開展網絡課程的建設,把線上線下的混合教學模式靈活運用好,堅持以學生為本,開發一些開放性、創新性的課程和實驗,改變上課形式,把理論課搬到實驗室,同時把重點內容制作成簡潔明了的專題微課,充分調動學生的積極性,引導學生學好知識,運用好知識,進一步提高工程實踐能力和創新能力。