張　輝， 鄧先明， 嚴(yán)正藩

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

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“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索

張輝， 鄧先明， 嚴(yán)正藩

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

摘要：在“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程教學(xué)過程中，開展了一系列改革探索：通過建立電機(jī)結(jié)構(gòu)3D模型、電機(jī)電磁場3D模型以及透明電機(jī)模型的演示等教學(xué)輔助手段，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識；通過引入對比法與啟發(fā)式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納知識的能力；探索建立教學(xué)效果的反饋方式，并根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整教學(xué)手段與教學(xué)方法；建立開放性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)以及實(shí)踐能力；探索多種方式綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，擺脫課程評價僅依賴于期末考試的評價方式。

關(guān)鍵詞：電機(jī)與拖動基礎(chǔ)；教學(xué)方法；開放性實(shí)驗(yàn)

0引言

“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”是電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)主干(必修)課程，也是后續(xù)“電力拖動與自動控制系統(tǒng)”、“電力系統(tǒng)分析”等課程的基礎(chǔ)課程。該課程以電路、電磁理論為基礎(chǔ)，其主要內(nèi)容涉及直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行特性，研究電動機(jī)的起動、調(diào)速、制動以及電動機(jī)容量的選擇[1]。

“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程具有概念多和電磁關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)，需要綜合考慮各種電機(jī)的電壓、電流、磁場、力矩的關(guān)系，具有很強(qiáng)的理論性，它又是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程[2-4]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解起來較為困難，如何使學(xué)生更好地理解該課程所涉及的理論知識，以及在學(xué)習(xí)理論的同時，結(jié)合工程實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系工程實(shí)際的能力，是一個值得探索的課題。

1教學(xué)方法的改革

1)教學(xué)輔助手段的改革

建立3D教學(xué)模型作為教學(xué)輔助手段，增強(qiáng)學(xué)生對電機(jī)系統(tǒng)的感性認(rèn)識，以此為基礎(chǔ)，將電機(jī)系統(tǒng)中物理關(guān)系進(jìn)行綜合歸納，培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納的能力，以及對電機(jī)系統(tǒng)抽象、建模、分析求解和論證的能力。

(1)電機(jī)結(jié)構(gòu)3D模型的建立—利用AutoCAD、SolidWorks等軟件，建立直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)等電機(jī)結(jié)構(gòu)的3D模型，使學(xué)生擺脫通過二維平面模型去想象3D結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)模式，不僅可以減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，而且可以增強(qiáng)學(xué)生對于電機(jī)結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，使電機(jī)的學(xué)習(xí)能夠與實(shí)踐結(jié)合起來，取得更好的教學(xué)效果。

圖1所示為鼠籠電機(jī)的3D結(jié)構(gòu)。

圖1　鼠籠電機(jī)3D結(jié)構(gòu)

(2)電機(jī)電磁場3D模型的建立—利用現(xiàn)代電磁場分析技術(shù)，以及借助ANSYS、ANSOFT等電磁場分析軟件，分別將直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)等電機(jī)的電磁場分布尤其是磁力線分布形象地展現(xiàn)出來，將抽象的電磁場具體化。利用不同顏色，標(biāo)記電機(jī)各處不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使學(xué)生對于主磁路、漏磁路、主磁通和漏磁通等概念有更好的感性認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生的理解能力。并且利用動畫效果，將交變磁場在不同時刻不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與分布模擬出來，使學(xué)生能夠更好的理解和掌握電磁場的變化趨勢，加深基本概念與基本原理的認(rèn)識。

(3)透明電機(jī)模型的演示—利用透明電機(jī)3D模型，如圖2所示，配合多媒體動畫，用于在課堂教學(xué)工程中進(jìn)行實(shí)際演示，不僅可以激發(fā)學(xué)生對于本課程的興趣，并且能進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對于基本概念、原理的理解。

圖2　三相異步電動機(jī)透明電機(jī)模型

2)對比法在教學(xué)中的應(yīng)用

對于不同的物理現(xiàn)象，所得到的物理方程具有相似性，甚至具有完全相同的數(shù)學(xué)形式。利用這一特性，將具有同一數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式的電磁概念羅列出來，可以有效提高學(xué)生對于電磁關(guān)系的感性認(rèn)識，提高教學(xué)效果。

(1)電路與磁路概念—在學(xué)習(xí)“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“電路”課程，對于電路的基本概念已不再陌生。而磁路的基本物理方程與電路具有幾乎完全相同的表現(xiàn)形式。電路中的電動勢、電壓、電流、電阻、電導(dǎo)率以及歐姆定律、基爾霍夫定律與磁路中的磁動勢、磁壓降、磁通、磁阻、磁導(dǎo)率以及磁路的歐姆定律、基爾霍夫定律具有對應(yīng)的相似性。因此，在講解磁路概念時，將其與電路的概念相對比，有助于提高學(xué)生磁路概念的掌握程度。

(2)變壓器與異步電機(jī)的相似性—變壓器可以看成一種靜止的電機(jī)，其工作原理與異步電機(jī)具有相似性。兩種電機(jī)的勵磁方式相同、空載時電磁關(guān)系相似，主磁通大小取決于電源電壓值，而與負(fù)載無關(guān)，并且都是基于電磁感應(yīng)定律傳遞能量。兩者的等效電路圖結(jié)構(gòu)、參數(shù)也相似。

變壓器與異步電機(jī)的差異主要表現(xiàn)在磁路結(jié)構(gòu)、磁場性質(zhì)、繞組和空載電流大小等方面。

在講授完變壓器與異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理之后，及時地進(jìn)行對比總結(jié)，列舉出兩者的相似性，不僅可以加深對異步電機(jī)的理解，也可以鞏固加深對變壓器的認(rèn)識。

(3)功率流程的對比—直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，而直流電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，兩者的功率流向不同。此外，兩者的電磁功率所包含內(nèi)容也不同。直流發(fā)電機(jī)的電磁功率包括銅損耗與輸出功率；直流電動機(jī)的電磁功率包括輸出負(fù)載功率與空載損耗。

直流電動機(jī)、變壓器、異步電動機(jī)和同步電動機(jī)四種電機(jī)的損耗既具有相似性，也存在著差異，容易使學(xué)生混淆。并勵直流電動機(jī)損耗包括勵磁損耗、銅損耗和空載損耗(摩擦損耗、鐵損、附加損耗)；變壓器損耗包括原邊銅損耗、副邊銅損耗和鐵損耗；異步電機(jī)損耗包括定子銅損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵損耗和附加損耗(摩擦損耗，附加損耗)；同步電機(jī)損耗包括定子銅損耗和空載損耗(摩擦損耗、鐵損和附加損耗)。

“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”教學(xué)過程中，類似具有上述相同或者相似的物理概念較多，本文不一一列舉。通過對比教學(xué)方法，可以使學(xué)生對于課程概念有更深刻的認(rèn)識和理解，同時在潛移默化中，培養(yǎng)了學(xué)生總結(jié)歸納知識的能力。

3)啟發(fā)式教學(xué)方法的應(yīng)用

在“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”教學(xué)中，通過提出一些問題，引起學(xué)生的思考，使學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性。

例如，在講解并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵條件時，先用透明電機(jī)3D模型進(jìn)行演示，然后提出問題：“為什么并勵直流發(fā)電機(jī)在沒有任何外部電源的情況下，可以發(fā)出電能？”從而引起學(xué)生思考。再引導(dǎo)學(xué)生，從直流發(fā)電機(jī)的工作原理入手，解決這個問題。根據(jù)直流發(fā)電機(jī)的工作原理，一定要有磁場的存在，才能夠產(chǎn)生電樞電勢，所以要有剩磁。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)電樞電勢產(chǎn)生后，勵磁部分會有電流，而這個電流有可能會增強(qiáng)磁場，也有可能會減弱磁場，因此要求勵磁繞組的接線端要正確。若勵磁回路的總電阻太大，致使勵磁電流較小，勵磁磁通也較小，從而導(dǎo)致電樞電勢較小，仍然達(dá)不到一個滿意的電壓，進(jìn)而引出了勵磁回路的總電阻必須小于相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的臨界電阻的概念。這種啟發(fā)式教學(xué)方便教師給學(xué)生講解清楚并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件，學(xué)生易于理解，可以避免死記硬背。

2建立教學(xué)效果反饋方式

探索建立教學(xué)效果的反饋方式，并根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整教學(xué)手段與教學(xué)方法，是一項(xiàng)有效的教學(xué)方法。

(1)來自學(xué)生的反饋：“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”教學(xué)期間，經(jīng)常出現(xiàn)部分學(xué)生因?yàn)槟骋徊糠种R點(diǎn)沒有掌握，而影響后面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致問題的積累，嚴(yán)重挫傷了這部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與自信心。筆者認(rèn)為，通過與學(xué)生座談、答疑和利用教學(xué)QQ群互動等方式，加強(qiáng)學(xué)生和教師之間的交流，教師可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)與思想動態(tài)，解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題與困難。并且通過要求學(xué)生寫課程總結(jié)的方式，了解學(xué)生對于本課程的反饋意見，以利于改進(jìn)教學(xué)方式與教學(xué)方法。

(2)來自用人單位的反饋：根據(jù)學(xué)生在電機(jī)制造企業(yè)實(shí)習(xí)的情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，了解實(shí)習(xí)企業(yè)對學(xué)生能力的要求，使得教師有針對性地改變教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

3建立開放性實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力，不僅要求學(xué)生完成教學(xué)大綱所要求必做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，同時建立開放性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之后，對于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備已有所了解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生以3～4人為一組，自由組合、自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，再集體完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告，交給指導(dǎo)教師審閱。對于實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案以及實(shí)驗(yàn)線路中的錯誤之處，教師指出并讓學(xué)生進(jìn)行修改。之后再與指導(dǎo)教師預(yù)約實(shí)驗(yàn)時間，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，各小組撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

以測試直流串勵電機(jī)的工作特性和機(jī)械特性的開放性實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生首先要確立實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。根?jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。有的小組的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：在保持進(jìn)線電壓為額定值時，即U=UN的條件下，測取轉(zhuǎn)速n與輸出轉(zhuǎn)矩T2的關(guān)系n=f(T2)，以及效率η與電樞電流Ia的關(guān)系η=f(Ia)。有的小組并不滿足于此，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加了機(jī)械特性的測量：在保持進(jìn)線電壓為額定值時，即U=UN，以及電樞回路串入電阻為常數(shù)的條件下，測取轉(zhuǎn)速n與輸出轉(zhuǎn)矩T2的關(guān)系n=f(T2)。還有小組甚至測量了其調(diào)速特性：①電樞回路串電阻調(diào)速。保持U=UN和T2為常數(shù)的條件下，測取n=f(Uo)(Uo為電樞電壓)；②磁場繞組并聯(lián)電阻調(diào)速。保持U=UN和T2為常數(shù)的條件下，測取n=f(If)(If為勵磁電流)。

學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)線路圖時，往往會有所紕漏。所以，要求學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前，其實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)線路圖要通過教師的檢查審核。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，提醒學(xué)生應(yīng)當(dāng)注意問題，如：直流串勵電動機(jī)不能夠空載起動；實(shí)驗(yàn)線路圖中，各個開關(guān)的開通關(guān)斷次序等。

學(xué)生通過自由組合分組進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)，可以有效培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力。通過實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的能力。通過對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行思考和處理，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，培養(yǎng)學(xué)生語言文字表達(dá)的能力。

4考核方法的改革

考試是檢驗(yàn)學(xué)生對于“電理論機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的掌握程度的重要手段，但不是其唯一的方法。部分學(xué)生追求考試的高分，而不重視對于實(shí)際教學(xué)內(nèi)容的充分掌握，往往傾向于希望教師能夠給其劃重點(diǎn)，考試前突擊復(fù)習(xí)臨時抱佛腳，甚至在考試過程中弄虛作假。對于課堂上未曾涉及到的內(nèi)容，由于不會出現(xiàn)在期末考試試卷中，則一概不看，學(xué)生只關(guān)注教師所講過的內(nèi)容，限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，弱化了教學(xué)效果。實(shí)際教學(xué)過程中，部分學(xué)生對于平時的學(xué)習(xí)重視程度也不夠，認(rèn)為只要最后能夠考個較好成績就萬事大吉了。也有部分學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)課的重視程度不夠，認(rèn)為只要記錄完數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告就可以交差了。

考慮到學(xué)生能力的形成是一個發(fā)展的過程，對于能力的評價不能僅依賴考試等終極性評價手段，故對學(xué)生學(xué)習(xí)“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的考核評價，除了最終考試成績外，探索多種方式綜合評價是必要的；

(1)理論學(xué)習(xí)的考核—通過課程的期中、期末考試，以及平時的小測驗(yàn)，督促學(xué)生平時就要認(rèn)真學(xué)習(xí)?？荚嚪椒ú⒉痪窒抻陂]卷筆試，可以增加口試等辦法?？谠嚰礊榻處熍c學(xué)生進(jìn)行一對一的面試。教師隨機(jī)詢問學(xué)生一些問題，根據(jù)學(xué)生的回答情況，綜合判斷其對知識的掌握程度。由于學(xué)生人數(shù)較多，不能夠做到對每一位學(xué)生進(jìn)行口試，所以采取學(xué)生自愿報(bào)名的方式，其閉卷考試成績所占總評成績的比例適當(dāng)減小。

在平時教學(xué)過程中，通過課堂提問，隨機(jī)指定學(xué)生回答的方式，可以有效檢驗(yàn)學(xué)生的平時學(xué)習(xí)狀況，學(xué)生對于問題回答的狀況，計(jì)入平時成績。同時，該方法又起到點(diǎn)名的效果。

作業(yè)完成情況也是檢驗(yàn)學(xué)生平時學(xué)習(xí)狀況的一個重要手段。

(2)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的考核—由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與理論教學(xué)教師共同根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的具體表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力、與人合作的能力進(jìn)行評估。

(3)開放性綜合實(shí)驗(yàn)的考核—通過對學(xué)生分組，要求各組制定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)方法等，促使學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，通過報(bào)告研討、實(shí)驗(yàn)效果的評估、總結(jié)匯報(bào)等評估學(xué)生的思考問題、解決問題、分析問題以及團(tuán)隊(duì)合作能力。

多種考核方式的引入可以有效避免學(xué)生單純應(yīng)付期末考試，考完全忘的狀況。根據(jù)學(xué)生平時的表現(xiàn)，可以適當(dāng)督促學(xué)習(xí)較差的學(xué)生。同時，也可以檢驗(yàn)教學(xué)效果，以及時進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。

5結(jié)語

通過對“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程教學(xué)的初步改革與探索，使學(xué)生對于電機(jī)的感性認(rèn)識有所增強(qiáng)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以及對于知識的掌握程度。同時，學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)課程的重視程度也有所增加。通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)與開放性綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撍鶎W(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相聯(lián)系，做到融會貫通。

參考文獻(xiàn):

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Exploring of Teaching Methods for Motor and Drag Foundation Course

ZHANG Hui, DENG Xian-ming， YAN Zheng-fan

(SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Abstract:In the teaching process for Motor and Drag Foundation course, We have carried out a series of reforms: the 3D model of motor structure and electromagnetic field are designed to strengthen the students′ perceptual knowledge. Contrast method and heuristic teaching method are adopted to enhance the students′ capability and arouse the students′ enthusiasm of study. By reflect of teaching effect, the teaching method is improved. Open experiment is implemented to strengthen the students′ practical ability. The course grade is given based on the assessment of multiple evaluation modes. And it can avoid the disadvantages of paper examination.

Keywords:motor and drag foundation; teaching method; open experiment

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0032-00

中圖分類號：G642

收稿日期:2015-04-07;修回日期:2015-10- 06基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目(2014QN10)

第一作者：張輝(1983-)，男，博士，講師，主要從事電機(jī)與拖動基礎(chǔ)教學(xué)、電機(jī)控制及電能質(zhì)量治理研究工作，E-mail：huizhang@cumt.edu.cn