談電機學(xué)課程教學(xué)方法改進
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摘要：電機學(xué)是一門理論與實踐結(jié)合非常緊密的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對課程教學(xué)過程存在的問題，首先以實習(xí)實訓(xùn)為指導(dǎo)，強調(diào)理論與實踐結(jié)合的重要性，其次對不同教學(xué)方法的改進進行探討，最后通過典型項目案例教學(xué)，對課堂教學(xué)進一步補充和完善，為提高教學(xué)質(zhì)量提供參考。
關(guān)鍵詞：電機學(xué)；教學(xué)方法；實踐
電機學(xué)是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門關(guān)鍵的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是連接公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課的紐帶，對后續(xù)專業(yè)課如電機拖動、電力系統(tǒng)分析、電機控制等課程的學(xué)習(xí)起著重要的鋪墊作用[1]。電機學(xué)課程理論性強、涉及學(xué)科門類多，且與實際工程問題結(jié)合緊密，掌握電機學(xué)課程需要理論指導(dǎo)實踐、實踐輔助理論理解的學(xué)習(xí)過程。為了能讓學(xué)生從總體上更好地認(rèn)識和掌握這門課，達到工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[2]，提高學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力，更好地提高課程教學(xué)質(zhì)量，本文以教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)實踐為基礎(chǔ)，對本課程教學(xué)方法的改進進行了探討，對提高教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。
1現(xiàn)狀分析
電機學(xué)主要內(nèi)容包括電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、電磁關(guān)系和運行特性[3]。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能運用電機的等效電路、基本方程、相量圖、繞組連接規(guī)律等基本理論與基本分析方法，完成電機參數(shù)計算任務(wù)要求，能解決電機運行中存在的實際工程技術(shù)問題。本課程在教學(xué)中常存在以下問題：第一內(nèi)容抽象、公式繁多，課堂教學(xué)仍是以教師的講授為主，師生互動不多，學(xué)生參與度不高，未能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。第二理論與實踐教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生對電機基本結(jié)構(gòu)不夠清晰，難以將抽象理論與實踐有機地結(jié)合起來。第三僅通過電機課堂和實驗教學(xué)，學(xué)生難以具備靈活運用所學(xué)專業(yè)知識的能力，只有讓學(xué)生了解電機最新發(fā)展前沿，參與到實際項目工程中去，才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對以上問題，從以下幾個方面對教學(xué)方法的改進進行探索。
2實習(xí)實訓(xùn)與理論課的有機結(jié)合
電機學(xué)是實踐性非常強的一門課，現(xiàn)有的教學(xué)方法是從理論教學(xué)到實驗驗證的過程，采用實踐引領(lǐng)理論教學(xué)的反轉(zhuǎn)模式，培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)象探索本質(zhì)的能力[4]。學(xué)習(xí)電機首先要了解電機的主要結(jié)構(gòu)及作用，學(xué)生在剛開始上這門課時，要先進行一周的認(rèn)知實習(xí)。校內(nèi)參觀電機科研及教學(xué)實驗室，校外參觀生產(chǎn)現(xiàn)場，學(xué)生通過聽取工人師傅對電機結(jié)構(gòu)、工作原理、生產(chǎn)工藝、日常生活中的應(yīng)用領(lǐng)域及在國民經(jīng)濟中的重要作用的講解，對電機產(chǎn)生直觀的認(rèn)識，對其結(jié)構(gòu)有初步了解，克服畏懼心理，提高學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)課程講解到異步電機章節(jié)時，安排兩周的電機實訓(xùn)實踐環(huán)節(jié)，時間為每周的周六周日。由于學(xué)生人數(shù)較多，將學(xué)生進行分組，每組共同完成一臺異步電機的拆裝和組裝任務(wù)。實訓(xùn)主要內(nèi)容包括電機拆裝工具認(rèn)識、電機拆裝、繞組重繞、繞組嵌線與接線、電機安裝、電機檢測等。通過實訓(xùn)加強課堂教學(xué)與實踐教學(xué)有機結(jié)合，學(xué)生對電機結(jié)構(gòu)和原理進一步理解，由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的動手能力、運用所學(xué)電機理論解決實際問題的能力，同時也鍛煉了學(xué)生分工協(xié)調(diào)、團隊合作的能力。
3教學(xué)方法的改進
3.1引入工程問題，以學(xué)生為主體的討論式教學(xué)方法
在每章開始學(xué)習(xí)之前，首先引入工程問題，使學(xué)生帶著思考進行有針對性的學(xué)習(xí)，如電機內(nèi)部電磁關(guān)系比較復(fù)雜，為什么常將電機磁場化成簡單的磁路進行分析？三相交流電機的繞組為什么常采用雙層短距繞組？舉例分析24槽4極三相雙層疊繞組展開圖繪制步驟及規(guī)律？定子漏抗的大小對三相異步電機的性能有何影響？三相異步電機的工作性能指標(biāo)主要有哪些，如何提高其效率？讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用基本理論去分析、解決實際工程問題。在每章學(xué)習(xí)結(jié)束做總結(jié)時，學(xué)生對這些問題進行討論，說出自己的看法，在相互討論過程中發(fā)現(xiàn)自己認(rèn)識的不足，加深對某一知識點的理解，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生靈活運用知識的能力。
3.2對比結(jié)合推導(dǎo)式教學(xué)方法
各種類型的電機運行時的電磁關(guān)系既有聯(lián)系又有區(qū)別。該部分教學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)生很容易混淆各種電機類型之間的電磁分析過程。為此，可以采用對比式教學(xué)方法[5]，將關(guān)系屬性相近的知識點聯(lián)系起來，對電機的共性和個性問題進行總結(jié)概括，方便理解記憶。如為了更好地理解磁路的基本定律及各參數(shù)的物理意義，將磁路和電路的基爾霍夫第一、第二定律進行對比，將磁路和電路中相關(guān)參數(shù)及計算公式進行對比；分析變壓器和異步電機基本結(jié)構(gòu)、等效電路、基本方程、相量圖之間的類比關(guān)系；講解直流電機、異步電機和同步電機基本結(jié)構(gòu)、工作原理及定轉(zhuǎn)子磁勢之間的聯(lián)系與區(qū)別；將直流電機的電樞繞組與交流電機繞組的連接方法進行類比；將電動機與發(fā)電機能量傳遞過程進行類比等。采取對比的教學(xué)方法，對電機整體類似內(nèi)容進行歸納總結(jié)，讓知識點更系統(tǒng)化，加深學(xué)生對相似內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系和容易混淆問題的認(rèn)識，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。電機學(xué)中有很多理論推導(dǎo)過程，將對比與理論推導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法用于電機的等效電路、電磁參數(shù)計算能達到事半功倍的效果。如為反映變壓器的內(nèi)部空載和負(fù)載的電磁關(guān)系，將既有磁路又有電路聯(lián)系的變壓器經(jīng)過繞組歸算，推導(dǎo)出變壓器的T型等效電路，類似于變壓器電磁分析方法，異步電機因定轉(zhuǎn)子頻率不同，需經(jīng)過頻率歸算和繞組歸算推出其T型等效電路。在推導(dǎo)正弦磁場下交流繞組的感應(yīng)電動勢時，步驟為首先分析一根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢，然后推導(dǎo)一個線圈的感應(yīng)電動勢，再計算一個線圈組的感應(yīng)電動勢，最終推出單相繞組電動勢的計算公式。對比電動勢的分析方法推導(dǎo)正弦電流下單相、三相繞組的磁動勢，先分析整距線圈的磁動勢，然后依次分析整距線圈組、短距線圈組，最終推出單相、三相繞組的磁動勢。課堂教學(xué)中，學(xué)生通過對問題進行對比與公式推導(dǎo)相結(jié)合，目標(biāo)明確，概念和思路清晰，有益于分析問題的能力和學(xué)習(xí)效率的提高。
3.3引入課外興趣小組結(jié)合有限元方法研究
典型案例電機學(xué)課程中采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)合圖解法得到對稱三相繞組中通入對稱的三相電流時，在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。電機電磁場理論抽象，磁路中磁力線的走向是學(xué)生較難理解的問題。隨著科技發(fā)展，有限元方法在電機仿真應(yīng)用中起著越來越重要的作用，有效彌補了實驗教學(xué)內(nèi)容的不足，加深學(xué)生對復(fù)雜電磁理論的理解，是對當(dāng)前課堂教學(xué)的補充和完善。目前用于電機有限元分析的軟件主要有Ansys，F(xiàn)lux，JMAG和MAGNET。以24槽4極永磁電機為例，通過對電機進行前處理結(jié)構(gòu)建模、剖分，后處理仿真分析，得到電機結(jié)構(gòu)剖分圖和磁場分布如圖1所示，并進行參數(shù)計算、優(yōu)化設(shè)計。用以上有限元軟件，可將抽象的電機旋轉(zhuǎn)磁場以圖形和動畫形式直觀展示，極大方便了學(xué)生對電機電磁現(xiàn)象的理解，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)前電機新技術(shù)和新材料快速發(fā)展，知識日益更新，結(jié)合電機最新發(fā)展技術(shù)前沿，利用目前流行的有限元軟件輔助電機分析，讓學(xué)生成立課外興趣小組，以三相異步電機設(shè)計仿真與實驗為典型案例教學(xué)訓(xùn)練項目，同時引入特種電機的設(shè)計仿真與實驗課題，鼓勵學(xué)生參與教研項目活動。通過案例教學(xué)輔導(dǎo)，完成電機的資料收集、方案設(shè)計、性能分析、實驗驗證、數(shù)據(jù)處理、撰寫報告等一系列工程化訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作的意識，同時滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證提出的“運用綜合知識解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”的要求，提高學(xué)生的理論和實踐水平，為今后走上工作崗位奠定基礎(chǔ)。
4結(jié)語
電機學(xué)課程內(nèi)容涉及學(xué)科門類廣、知識多，理論性和實踐性較強。本文首先介紹了借助實習(xí)實訓(xùn)實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實訓(xùn)互補的教學(xué)方法。然后由工程問題入手，通過課堂教學(xué)方法的不斷改進，將課堂教學(xué)與實踐有機結(jié)合在一起。最后通過案例教學(xué)項目，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識解決實際問題的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。
參考文獻
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[5]石賽美,尹進田,黃肇.論“電機學(xué)”課程教學(xué)中對比式教學(xué)法的應(yīng)用[J].中國電力教育,2012(33):40,68.
作者：王明杰 劉勝 武潔 邱洪波 金楠 單位：鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院
