“電機及拖動基礎”課程教學方法研究與探索

摘要：針對“電機及拖動基礎”課程教學中的問題，如學生難以理解電機結構、公式繁多，以及課程涉及力學、磁場和電路多知識體系等難點，為取得好的教學效果，對教學方法進行了研究。在理論教學中，采用建模方式講授電機、可視化抽象的概念、對比教學等多種方法，并強化實驗目的性和考核。通過近兩年該課程的目標達到度分析，說明采取的教學方法是有效的。

關鍵詞：電機教學研究工程認證動畫

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：A文章編號：

ResearchandExplorationofTeachingMethodsfortheCourseof"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"

CHENGLi*YAOWei

CollegeofComputerScience，South-CentralUniversityforNationalities，Wuhan，HubeiProvince，430074China

Abstract：Inresponsetotheproblemsintheteachingofthecourse"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"，suchasdifficultyinunderstandingthestructureofelectricmotors，numerousformulas，andtheinvolvementofmultipleknowledgesystemsinmechanics，magneticfields，andcircuits，researchisconductedonteachingtoachievegoodteachingresults.Intheoreticalteaching，variousmethodssuchasmodeling，visualizingabstractconcepts，andcomparativeteachingareused.Andexperimentalassessmentanddataprocessingarestrengthened.Throughtheanalysisofthedegreeofachievementofthecourse'sobjectivesinthepasttwoyears，itisdemonstratedthattheteachingimprovementsadoptedareeffective.

Keywords：Electricmotor;Teachingresearch;Engineeringcertification;Animation

“電機及拖動基礎”是自動化專業非常重要的一門必修課程，主要講述直流電機、變壓器和交流電機的原理、結構與運行特性，涉及知識面廣，是電學、磁學和力學等多門學科知識的綜合[1-3]。該課程在專業學習中起著承上啟下的作用，具有非常重要的地位。學好該課程將為學習后續相關課程打下必要的理論基礎[4-5]。眾多學者對電機相關知識進行了廣泛的研究[6-9]，也為課程的講授提供了借鑒。

“電機及拖動基礎”課程的授課對象為自動化大二下學期的學生，經過大學階段一年半的前期學習，學生具備了一定的理論基礎，但尚未接觸過復雜系統的學習；此外，在這個階段，學生的學習任務重，所學課程難度大，導致教學效果比較差。在課程教學中，學生反映的問題主要包括：（1）不清楚電機內部結構，難以理解繞組布置等知識，產生畏難情緒，對后續學習造成障礙；（2）難以理解抽象的磁場概念，特別是異步電機的旋轉磁場；（3）概念和公式繁多，難以熟練掌握眾多知識點并靈活應用。因此，如何對傳統教學方法進行改進，以符合工程認證“學生中心，目標導向，持續改進”的理念，使學生更好地掌握課程知識，培養其多方面能力，是一個值得研究的課題。針對這些問題，本文在工程認證相關要求下，以該課程教學大綱為宗旨，對教學方法進行了探索，并取得了一定的成效。

1課堂教學的探索

傳統課堂教學為教師采用多媒體和板書作為手段的教學模式，教師單向傳輸，學生被動接受，不利于課程教學[3]。為改善教學效果，教學采取了以傳統方式為主，從建模角度講解各種電機，將課程理論知識歸結為一個個電路或函數模型，輔以課堂小視頻、動畫展示、比對教學等多種方式，并在實驗環節中注重目的明確化、考察細致化。具體而言，理論教學主要做到以下幾點。

1.1從建模角度講授

電機課程是學生在本科階段首次接觸到的一個較為復雜的系統，既需要熟悉多種電機的結構，還需掌握它們的運行原理和啟動、調速、制動等內容。在教學中，可以從建模的角度講解各種電機。雖然電機是一個復雜的糅合了機械、電路和磁路的復雜系統，但可以給這個系統建立較簡單的模型，掌握了模型后，通常只需要對模型進行分析，不用關心其實物結構。

1.2抽象概念的可視化

為了加深學生對電機結構的認識，在課堂上播放介紹電機結構的視頻，如直流電機部分。視頻包括模型演示視頻和電機結構視頻，通過這2個視頻，讓學生由簡單的模型過渡到實際的電機結構，掌握電機各部分結構及其作用。模型視頻展示直流電機的運行原理，可概括為“旋轉的電路切割固定的磁場，產生交流電動勢和電流，同時產生電磁力和電磁轉矩”，在這一理念的基礎上學習直流電機結構。結構視頻展示電機實物圖、加工及組裝過程，同時加以講解，能取得較好的學習效果。此外，還讓學生在課堂上傳看小型永磁直流電機的實物。

對于異步電機的學習，學生要形成定子的旋轉磁場這一概念比較困難。針對這一問題，筆者采用MATLAB設計了一款異步電機旋轉磁場運動的動畫軟件[10]，在教學中iV0kWLSDBT1DTfHE+bhASQ==加以演示，以可視化的動畫展示不可見的磁場，能夠取得較好的效果。圖1為該軟件系統的界面和部分運行瞬時圖。

該軟件以單層整距繞組為例，可設置定子繞組總槽數、磁極對數、電壓幅值和頻率等參數，用實線、虛線和細虛線3種線型展示三相繞組布置、磁動勢和磁場的波形和形狀，演示在電源頻率發生變化時磁場轉速的變化、在三相電壓幅值改變時磁動勢和磁場的運行[10]。通過動畫演示，讓學生更容易掌握旋轉磁場的概念，并產生異步電機“旋轉的磁場切割旋轉的電路，產生交流電動勢和電流，并產生電磁力和電磁轉矩”和“通過三相繞組中的電流在空間和時間上的配合，形成電流的‘旋轉效應’，從而產生旋轉磁場”等觀念。

1.3對比與類比

對比教學是一種在教學過程中著重體現教學內容之間異同關系的教學方法。對比教學法可以對多個知識點進行多方面和多角度的比較，變單向灌輸式學習為雙向互動式學習，有助于提高學生多方面能力，加深學生對知識點的印象[3]。在教學中，將學習的兩種電機和變壓器進行多方面的比較，增進學生對課程知識的理解。圖2為教學中使用的該課程中電機及變壓器相關知識的比較點。

除此之外，在教學中，還對日常生活的例子和課程知識做類比，用學生熟悉的知識類比新學的內容。例如：直流電機的理想空載轉速可用騎自行車下坡進行類比，直流發電機外特性可和有內阻直流電源做比對，這樣可以讓學生更容易明白所學知識。

1.4適當拓寬學習內容

本課程實踐性非常強，因此，在學習電機基本理論外，引入一些具體應用對學習非常有幫助，讓學生了解學習該課程能做什么、怎么做。例如：在學完直流電機調速原理后，簡單講述H橋電路，介紹如何通過PWM方式實現直流電機的正反轉和降壓調速；在異步電機學習中，講述三相逆變電路，以及通過SPWM算法實現異步電機的調頻調壓原理，并介紹異步電機在電動汽車上的應用，開闊學生的眼界。

除了采用上述措施之外，課程組還將所有的學習資料及時上傳到學習通網上平臺，包括課程PPT、課堂視頻和實驗視頻，學生在課后可以通過這些資料進行自學。

1.5多種技術的應用

在教學中，還運用多種技術以提高教學效果，例如，MATLAB編程技術的應用將抽象的磁場具象化，展現異步電機的繞組布置、磁動勢和磁場各種形態和運動。在實驗中，要求學生運用MATLAB編程實現實驗數據的擬合并繪制圖形。此外，借助網絡技術，將線上、線下教學結合起來。在線下上課時，錄制講課視頻并保存在學習通中，讓學生課后觀看。平時測試在學習通上進行，任課老師批改后，可方便地由計算機統計每道題目的得分情況，及時反饋學生的學習狀況，便于老師采取相應措施。圖3為某次課堂測試選擇題的得分統計圖。

2實驗環節的改進

除了理論課之外，課程還包括一定課時的實驗。除了對理論課進行研究外，對實驗也做了一定程度的改進。

2.1目的更明確

在實驗中，任課老師提供實驗報告電子檔以讓學生打印，讓學生免于抄寫實驗目的和步驟等內容，按要求專注于實驗和數據的處理。在實驗中，做到逐步提高難度，要求學生從按實驗指導書提供的線路進行實驗到獨立完成線路的設計和連接。每次實驗中，除記錄實驗數據，還需記錄電機的參數。例如，在直流電機特性實驗中，不僅要求對實驗數據進行擬合，得到電機的特性表達式，還需根據電機額定值等數據，由理論知識計算出電機的特性表達式，并進行比較。通過實驗和數據處理，不僅讓學生更深刻地理解相關理論，也能鍛煉學生的動手能力和數據處理能力，訓練其獨立從事科研活動的思維。

2.2考察更細致

在實驗環節中，做到考察細致化，所有考核都有明確的考察點。例如，實驗前要預習，完成線路的連接圖、實驗步驟和參數記錄表格的設計，并給出相應得分；在實驗中，要求學生每完成一個項目都要找老師檢查實驗效果；完成實驗后，還需處理數據，得出明確的結論，并回答實驗指導書上的思考題。通過細致的考察，讓學生更加認真地完成實驗前的準備、實驗過程和后期的數據處理，達到實驗預期的目的。

3課程的教學評價

根據教學大綱要求，本課程由平時測驗、平時作業、課內實驗和期末考試4部分成績組成，其所占比例分別為10%、20%、20%和50%，且期末考試卷面分高于一定分數才能通過課程考核。在大綱中，給出了4個目標達成度1～4及其組成。為了統計學生對各目標達成度對應知識點的掌握程度，對參與考試的學生卷面分值和4個目標達成度分別進行了統計和分析。表2給出了最近兩年的統計情況。其中，2020級和2021級（大二下學期課程）參與統計的學生分別為157人和161人，期末考試題型相同，兩次統計值分別為教學改進前后的值。由表2可見，在統計的4個目標中，目標1和3的達成度結果均有一定程度的改善，目標2和4則基本保存不變，說明本文采取的教學改進是有一定效果的。

4結論

為改善“電機及拖動基礎”課程的教學效果，在傳統教學方式基礎上進行了研究和探索。在理論教學中，采用建立模型的方式講授各種電機，并引入小視頻和動畫；通過對比和類比，適當拓寬學習內容。在實驗環節中，明確實驗目的，進行考察細致化，并在工程認證的背景下對該課程進行了考察。通過最近兩年的課程目標統計，表明教學上的改進是有效的，并希望能夠持續改進該課程的教學效果。

參考文獻

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