陳亞愛,于蘇華,周京華,李正熙

(1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100144;2.機(jī)械工業(yè)出版社高等教育分社,北京100037)

0 引言

我校對電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)能在電氣自動(dòng)化或供用電系統(tǒng)等領(lǐng)域從事系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試的、理工結(jié)合、素質(zhì)全面、實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力強(qiáng)的應(yīng)用型高級專門人才?！半姍C(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課,該課程不僅具有系統(tǒng)的理論性,又具有工程實(shí)踐性,是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程,并在專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。由于該課程涉及科學(xué)面廣、理論較深、難點(diǎn)頗多、實(shí)踐性強(qiáng),教學(xué)上相對難度大些。學(xué)習(xí)該課程時(shí),要求學(xué)生既具有較強(qiáng)的抽象思維和空間想象力,又具有理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。然而高校的擴(kuò)招,使我國高等教育進(jìn)入了大眾化階段,學(xué)生的學(xué)習(xí)能力較之精英教育階段有一定的差距;與此同時(shí),隨著近年來高校教學(xué)改革,以及專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的調(diào)整,使《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程總學(xué)時(shí)壓縮為現(xiàn)在的64(其中包括10學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)),因此一般學(xué)生學(xué)起來比較吃力,給課程教學(xué)帶來較大的困難。如何使學(xué)生在較少課時(shí)內(nèi)對課程的內(nèi)容有一個(gè)較深刻的理解和掌握,提高教學(xué)質(zhì)量是專業(yè)教師需探討的課題。作者所在的課程組成員對此展開了研究和探索,總結(jié)多年教授該課程的實(shí)踐,從課程體系全局出發(fā),探討了“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)和實(shí)踐教學(xué)模式的設(shè)計(jì)。

1 明確教學(xué)基本要求,重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)內(nèi)容主要包括變壓器、交流電機(jī)、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行性能。通過分析它們內(nèi)部的電磁物理過程,推出表達(dá)電磁關(guān)系的基本方程式、等值電路和相量圖以及功率平衡關(guān)系式、交、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式、各功率和轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系;分析交、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,起、制動(dòng)和調(diào)速過程,同時(shí)對電動(dòng)機(jī)的容量選擇的理論和方法作簡單介紹。教學(xué)大綱對該課程的基本要求是,掌握基本理論和弄清物理概念,重點(diǎn)是電機(jī)內(nèi)部電磁耦合過程、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系以及運(yùn)行特性。

對于該課程的教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu),首先要明確課程的教學(xué)目的,應(yīng)符合培養(yǎng)計(jì)劃中對該專業(yè)學(xué)生的定位,即培養(yǎng)應(yīng)用型高級專門人才。因此,在設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容時(shí)以學(xué)會(huì)使用電機(jī)為目的安排內(nèi)容。課程授課時(shí)體現(xiàn)應(yīng)用特點(diǎn),以應(yīng)用為目的,突出課程的理論知識的應(yīng)用和實(shí)踐性;以課程知識應(yīng)用為目標(biāo),適當(dāng)降低理論難度,進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),力求深入淺出,通俗易懂。

根據(jù)教學(xué)對象和課程學(xué)時(shí)的限制,重構(gòu)該課程的教學(xué)內(nèi)容,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

①電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),尤其是抽象難理解的電機(jī)繞組,它是理解電機(jī)工作原理的基礎(chǔ),也是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐,交、直流機(jī)都有繞組的內(nèi)容,是教學(xué)中的難點(diǎn)。如果按照教材編排的順序,先給出名詞術(shù)語,然后一種種繞組展開圖介紹,學(xué)生面對一大堆名詞術(shù)語和各種圖形,易產(chǎn)生畏難情緒,盡管花了不少時(shí)間,但教學(xué)效果不理想。對于非電機(jī)制造專業(yè)的學(xué)生,學(xué)習(xí)電機(jī)繞組是為了更好地理解電機(jī)工作原理和內(nèi)部電磁耦合過程及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,為此介紹繞組時(shí)應(yīng)緊扣電機(jī)基本工作原理,引出繞組構(gòu)成原則。對于這部分內(nèi)容通過錄像片介紹,并用電機(jī)實(shí)物模型增加學(xué)生的感性認(rèn)識,在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步在理論上加以總結(jié)和提高。

②對于交流機(jī)和直流機(jī)、交流機(jī)和變壓器之間存在諸多相似性的內(nèi)容,在課堂教學(xué)中強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系。雖然電機(jī)的種類繁多,各具特性,但就其內(nèi)部電磁關(guān)系耦合過程和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,仍有其內(nèi)在聯(lián)系。它們的基本工作原理都是建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律基礎(chǔ)上的;它們的能量轉(zhuǎn)換都是以磁場為媒介,其電磁關(guān)系可抽象為電路參數(shù),得出基本方程式和等值電路,這是共性方面。對于變壓器和三相異步電動(dòng)機(jī)的等值電路的推導(dǎo),以變壓器為主,但重點(diǎn)放在電機(jī)拖動(dòng)的應(yīng)用上,適當(dāng)降低了學(xué)生理解的難度。在教學(xué)中將變壓器、交流電機(jī)、直流電機(jī)的相似性有機(jī)地統(tǒng)一起來,在強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系同時(shí),形成課程鮮明的主線,學(xué)生只要學(xué)好了變壓器,對交流機(jī)和直流機(jī)的內(nèi)容就比較容易掌握了。

③目前工業(yè)界對電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況是,由于交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨成熟,變頻器的出現(xiàn),使交流傳動(dòng)逐步取代了直流調(diào)速系統(tǒng);變頻控制克服了同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的兩大障礙(即啟動(dòng)問題和突加負(fù)載產(chǎn)生振蕩或失步問題),使得同步電動(dòng)機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn),在許多場合逐步取代調(diào)速用的異步電動(dòng)機(jī)。為此,在課堂教學(xué)中采取:a)改變以前直流電機(jī)與交流電機(jī)并重的安排,課堂教學(xué)中突出交流機(jī)的應(yīng)用;b)改變以前同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)容作為自學(xué)的安排,在課堂教學(xué)中介紹同步電動(dòng)機(jī)的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用,以及與異步電動(dòng)機(jī)區(qū)別等。

④將電機(jī)理論與仿真技術(shù)相結(jié)合,利用學(xué)生對計(jì)算機(jī)仿真感興趣的特點(diǎn),將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)中,可用MATLAB仿真軟件對變壓器、交、直流電機(jī)拖動(dòng)中的各種特性進(jìn)行仿真,加深對課程知識的理解。

通過以上的重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容,將難學(xué)不易理解和抽象的部分由物理概念和通過各種圖解、多媒體動(dòng)畫演示、錄像片播放等現(xiàn)代化教學(xué)手段,轉(zhuǎn)變成學(xué)生感興趣和較易接受的知識,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使課堂教學(xué)更深動(dòng)、更豐富、更具吸引力,在一定程度上化解了課程的教學(xué)難度,而教學(xué)實(shí)踐證明,學(xué)生反映良好,取得了明顯的教學(xué)效果。

2 培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合和應(yīng)用能力

《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其重要組成部分。本課程在教學(xué)中安排了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),共有10學(xué)時(shí)。以前認(rèn)為實(shí)踐教學(xué)是依附課堂教學(xué)的,是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充,而且又由于課程的實(shí)驗(yàn)一般是實(shí)驗(yàn)室教師開設(shè),這就導(dǎo)致授課教師在不同程度上忽視了實(shí)踐教學(xué)的作用,沒有充分意識到實(shí)踐教學(xué)的目的和意義,學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)也不是很重視。然而,實(shí)踐教學(xué)是在一定理論指導(dǎo)下,通過引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐,檢驗(yàn)所學(xué)的知識,是生成知識,形成技能,發(fā)展能力,提高綜合素質(zhì)的教學(xué)形式。教學(xué)改革后,形成了整個(gè)課程組共同抓課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量的局面,課程組是從以下兩方面開展工作的。

2.1 設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

配合教學(xué)內(nèi)容的改革,積極開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容相配套的科學(xué)、合理的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)方法也成為《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程建設(shè)與改革的另一個(gè)重點(diǎn)。

結(jié)合對《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容的改革,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究計(jì)劃三個(gè)層次,逐步開發(fā)出一系列電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,與理論課程同步進(jìn)行,旨在幫助學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能與實(shí)驗(yàn)方法,掌握常規(guī)儀器的基本使用方法,培養(yǎng)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的分析問題、解決問題和獨(dú)立思考的能力,能將所學(xué)理論知識和實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步融為一體。這部分實(shí)驗(yàn)安排在我校的電氣傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室具備開設(shè)《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)的各種設(shè)備和測試儀器。目前設(shè)立的常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括:①直流電機(jī)實(shí)驗(yàn),②直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn),③變壓器實(shí)驗(yàn),④三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn),⑤三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)。常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)學(xué)習(xí)《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程的學(xué)生都必須完成的。

(2)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目旨在幫助學(xué)生在掌握基本知識的基礎(chǔ)上,能夠創(chuàng)造性地運(yùn)用所掌握的知識建立小型的電機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能,滿足預(yù)定的性能指標(biāo)。根據(jù)綜合性和創(chuàng)新性研究要求,我校電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心研制開發(fā)了“三電平變頻器試驗(yàn)平臺”。校綠色電源實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?。這些項(xiàng)目的研制開發(fā)為電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了實(shí)現(xiàn)的平臺。

其中在三電平變頻器試驗(yàn)平臺可以完成的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:①DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目的是使學(xué)生熟練掌握DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及編程語言。②開關(guān)器件的特性實(shí)驗(yàn)。目的是使學(xué)生深刻認(rèn)識開關(guān)器件的特性,為進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。③電機(jī)控制的基本調(diào)速方式驗(yàn)證。目的是使學(xué)生能夠熟悉電機(jī)的基本調(diào)速方式,熟練應(yīng)用所學(xué)到的基本理論知識。

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕峡梢酝ㄟ^對變頻器參數(shù)的設(shè)定,改變?nèi)嗽祜L(fēng)源的大小,從而改變風(fēng)力發(fā)電量。

上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本涵蓋了電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的各個(gè)方面,內(nèi)容覆蓋面廣,又有一定的深度。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣,結(jié)合課外科研活動(dòng)和畢業(yè)設(shè)計(jì)選做2～3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;為了保證設(shè)計(jì)方案的合理性,減小實(shí)驗(yàn)的盲目性,要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前首先借助仿真手段進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),使學(xué)生掌握以仿真為基礎(chǔ)的數(shù)值分析和設(shè)計(jì)方法。這部分實(shí)驗(yàn)是針對希望在電氣傳動(dòng)研究方向非常感興趣的,愿意在這方面多學(xué)一些相關(guān)知識的那部分學(xué)生設(shè)計(jì)的。

(3)創(chuàng)新研究計(jì)劃

創(chuàng)新研究計(jì)劃是以《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程的后續(xù)選修課、學(xué)生課外科技活動(dòng)、參加教師科研項(xiàng)目及電子競賽集訓(xùn)活動(dòng)為載體,鼓勵(lì)成績優(yōu)異的高年級學(xué)生參加面向工業(yè)、科研和生產(chǎn)實(shí)際的研究課題。

電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心研制開發(fā)的三電平變頻器實(shí)驗(yàn)平臺可以完成以下創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn):①交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目的是研究高性能變頻器的控制算法,提高系統(tǒng)的調(diào)速性能。②三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制策略的研究。目的是深入研究三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各種調(diào)制策略,并對各種調(diào)制策略在開關(guān)損耗、諧波特性等方面進(jìn)行比較。③三電平變頻器實(shí)用化技術(shù)研究。研究內(nèi)容主要包括柜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光纖通訊技術(shù)、故障檢測技術(shù)等,目的是使三電平變頻器應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。

創(chuàng)新研究計(jì)劃的開展,能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力,開闊知識面。我們鼓勵(lì)學(xué)生將自己的研究成果以科研論文的形式發(fā)表出來,鼓勵(lì)學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽,并取得了顯著的成果。

校的電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心和綠色電源實(shí)驗(yàn)室具備開設(shè)《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程綜合性和創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)的各種設(shè)備和相關(guān)的測試儀器,為該課程的實(shí)踐教學(xué)改革,提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)平臺。

(4)實(shí)驗(yàn)教材

實(shí)驗(yàn)教材方面,根據(jù)現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件,實(shí)驗(yàn)教材一直選用自編教材,并不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以期達(dá)到理想的教學(xué)效果。

2.2 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)過程的指導(dǎo)和管理

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件的限制以及實(shí)際操作的需要,本課程的實(shí)驗(yàn)一般2～3名學(xué)生為一組進(jìn)行,其中不乏有實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)不充分、實(shí)驗(yàn)過程中不動(dòng)手的學(xué)生,針對這種情況,采取的方法是:①嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)習(xí)制度,學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前,檢查實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,無預(yù)習(xí)報(bào)告的學(xué)生暫緩實(shí)驗(yàn)。②上電實(shí)驗(yàn)操作前,教師查線的同時(shí),指定該組一名學(xué)生,講解如何接線和實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)如何操作以及相關(guān)的注意事項(xiàng),促使學(xué)生實(shí)驗(yàn)前充分預(yù)習(xí)。③將實(shí)驗(yàn)操作能力作為評定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的重要依據(jù),實(shí)驗(yàn)成績又是平時(shí)成績的主要部分,而平時(shí)成績要折入期末總評成績中,加大了實(shí)驗(yàn)操作在總評成績的權(quán)重系數(shù),該課程新教學(xué)大綱規(guī)定,平時(shí)成績占總平成績的50%,而其中實(shí)驗(yàn)成績占平時(shí)成績的80%。④考試時(shí)適當(dāng)出一些如何解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題以及解釋一些現(xiàn)象的試題,使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。上述措施的實(shí)行,從制度上有力的保證了學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

教師對實(shí)驗(yàn)的重視與對學(xué)生的嚴(yán)格要求,將有利于促進(jìn)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果的提高,培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合和應(yīng)用能力。

通過加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)過程的管理,使實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量有了明顯的提高,學(xué)生反映,通過課程的實(shí)驗(yàn),不僅加深和鞏固了課堂所學(xué)的指示,也從中體會(huì)到學(xué)習(xí)該課程的樂趣。

3 結(jié)束語

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程是一門電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和電類專業(yè)的傳統(tǒng)課,面對新形勢下的新的教育對象和壓縮的學(xué)時(shí),要提高教學(xué)質(zhì)量并不是易事,需專業(yè)教師在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索和總結(jié)。以上的探討已逐步付之于教學(xué)中,取得了良好的教學(xué)效果,教學(xué)質(zhì)量明顯提高。

總之,教學(xué)法的研究是長期的,且需要不斷地實(shí)踐、探索和總結(jié),才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

[1] 陳亞愛.優(yōu)化電機(jī)學(xué)教學(xué),注重學(xué)生能力培養(yǎng).北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998(2)

[2] 張英彥.更新知識觀念,改革高校教學(xué).中國高教研究,2006(2)

[3] 吳疆,陳瑛等編著.現(xiàn)代教育技術(shù)教程(二級).北京:人民郵電出版社,2003

[4] 陳亞愛,丁寶利,周京華,楊立永,趙仁濤.高等教育大眾化階段的《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)研究與實(shí)踐.中國教育科研雜志,2007,19(141):57-59

[5] 陳亞愛,周京華,李穎宏,趙仁套,曹靖.工程技術(shù)性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究——三電平實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā).2007年中國自動(dòng)化教育學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2007:520-522

[6] 顧春雷,何堅(jiān)強(qiáng),胡國文.“電機(jī)與拖動(dòng)”課程教學(xué)改革的探索.2007年中國自動(dòng)化教育學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2007:421-422