“電機學”課程教學手段和實踐環節的探討

章 瑋,潘再平,盧慧芬,白亞男

(浙江大學電機工程學系,浙江杭州 310027)

0 引言

“電機學”課程是電氣信息類學生的一門專業基礎課,所涵蓋的基礎內容涉及電、磁、熱、機械等基礎理論知識,具有理論性強、概念抽象的特點,同時也是學生學習電機設計、電機控制和電力系統分析等后續課程的基礎。通過該課程的學習,學生不但要掌握“電機學”課程中的基本知識和分析方法、同時能對相關的專業知識融會貫通。因此教師在有限的授課過程中需要注重教學方法,在掌握基本內容的基礎上激發學生的學習熱情。浙江大學電氣工程學院“電機學”和“電機與拖動”課程組這幾年在積極申報國家、省級精品課程過程中對課堂教學和實踐教學兩方面做了有益的探索和實踐,取得了一定的成效,本文就教學過程中的一些問題進行探討。

1 教學內容

“電機學”課程是電氣工程及其自動化專業學生的一門重要的學科基礎課,具有理論性強、概念多、與工程實際聯系密切等特點。在教學內容上首先使學生理解機電能量轉換的基本原則,掌握直流電機、變壓器、異步電機和同步電機等四大類電機的基本結構、工作原理、運行特性以及分析和試驗方法,為今后更好地學習和使用新型電機以及相關專業課程打下堅實基礎。同時順應專業知識的發展,開展實踐教學,根據教學改革的要求和課時的需要,與課程配套,2006年出版了新世紀高等院校精品教材《電機學、電機與拖動實驗教程》、2008年出版了“十一五”國家級規劃教材《電機學》、2009年編寫了《交流電機工程實踐》的教學講義,在同一門課程的教學過程中,將理論與實踐緊密地聯系起來。

2 理論教學

啟發式教學是目前推崇的教學方法和手段,要求教師在教學中注重理論聯系實際,形象教學與抽象概念相結合,融知識傳授、能力培養、素質教育于一體。

為了提高教學質量,教師首先對教學內容、教材有深刻理解。在教學過程中,以課堂教學為主,向學生介紹課程的學習方法、消除學習的畏難情緒,同時注重講課藝術,提高講課效果。在“電機學”的教學過程中,傳統教學方式和信息化技術已被有效地結合在一起,交替使用。多媒體課件采用了課堂單機版和網絡助學版課件。單機版課件結構緊湊、重點突出、內容生動、能動態演示。比如對電機繞組、電機的旋轉磁勢等內容都通過多媒體的方式以形象、直觀的方式表現出來,加深了學生的認識。網絡助學版中除了有相關課件和來源于網上資源的多媒體動畫,另外添加重要參考文獻節選,重要概念解析、習題解答、自我測試以及課堂BBS。這種課堂教學的延伸大大激發了學生學習的興趣。例如有學生課后對直流電機轉矩公式提出了懷疑。認為根據磁力線的分布,槽內的磁場密度應該為零,利用導體所受的力來計算電磁轉矩是不成立的。這個問題放到網上后引起大家熱烈地討論,最后從機電能量轉換一書中找到了完整的解答。通過學生自發地對這個問題的提問-討論-解答,大大提升了學生對課堂內容學習的熱情和對電機電磁能量轉換的理解。隨著現在課程學時的減少,課程中牽涉到很多原理性的內容,需要比較深入講解。利用課堂版和助學版的使用,使課堂教學具有豐富的教學內容,非常有利于學生的學習,提高了教學效果,收到了較好效果。

在教學過程中,充分發揮教師的主導作用,更要發揮學生的主體作用。要為學生的積極參與創造條件,教學手段是重要的一個因素。浙江大學要求任課教師在教學的同時也應成為科研的骨干。教師在邊教學,邊科研過程中,積累了最新的科技成果以及生產實際中遇到的問題,利于引導學生去思考、去探索、去發現。為了讓學生從知識的被動接收者轉變為主動參與者和積極探索者,在“電機學”課堂教學的過程中穿插了討論式教學和撰寫小論文的環節,加強學生學習的主動性。

討論式教學就是設立專題報告課,事先布置好題目,并確定部分學生作主題發言。大家再一起討論、分析和評價,加強學生之間的交流,活躍課堂氣氛,培養自學的能力。比如在直流電機一章內容結束后,分別就特種直流電機中的直流伺服電動機、永磁直流電機、直流力矩電機、直流測速發電機和單極直流電機分為幾個內容,分組進行討論,并讓學生推選代表在課堂上匯報。學生紛紛在分析原理的基礎上,旁征博引,運用AUTOCAD等現代作圖手段,畫出三維模型和動畫。這些通過學生自主學習獲得的內容給同學們留下深刻的印象,經過同學的提問和老師的點評,擴展了專業知識,學習到積極的學習態度。在課后的總結中,很多同學都提到這堂討論課給他們帶來的幫助,并要求老師能增加這樣的環節。

科技論文的閱讀和撰寫是一個工科學生基本的技能。在課程教學過程中,有意識地指導學生通過期刊、網絡、著作等途徑查找并閱讀相關的中英文文獻,使學生更主動地去了解電機發展的前沿,充分認識到學習本課程的重要性。同時向學生介紹科技論文的格式及寫作方法,結合教學內容鼓勵有潛力的學生撰寫有關電機技術方面的論文作為作業的重要部分。例如講到變壓器問題時,學生在學習Matlab時以變壓器為例進行仿真,發現變壓器合閘時間對變壓器的電流波形有較大影響。在老師鼓勵下,查閱了文獻,結合電路分析方法,對波形進行深入的理論分析,后來完成分析變壓器鐵心飽和與不飽和地情況下合閘時間對原邊電流波形影響的小論文,既解答了學習中的疑問,又充實了專業理論知識。

3 實踐教學

實踐教學環節在人才創新能力培養的過程中具有非常重要的地位。很多課堂傳授的概念和方法通過實踐環節才能較好地領會和掌握。實踐環節促進學生自覺主動地去思考、去探索。“電機學”課程通過對實踐教學的內容、環節和手段的改革和更新,以理論教學與實踐教學相結合、實驗教學與科研相結合、觀察性、驗證性實驗與綜合性、設計性實驗相結合、課內教學與課外教學相結合的四結合原則使學生在鞏固課堂內容和基礎理論同時,激發他們的學習熱情和創新能力,培養學生的實際動手能力和工程應用能力。

實驗作為一項與工程實際緊密結合的教學活動,課程安排了課程實驗、設計性實驗和工程實訓三部分。

課程實驗是結合大小電機機組對直流電機、異步電機、變壓器和同步電機各設計了兩個專題內容,一個為對課堂知識進行驗證性,通過實驗使學生掌握這四類常用電機的實驗方法以及對測試數據的分析處理。另一個課堂中沒有具體講解,但通過實驗來分析現象、加深理解,激發學生的創造力。最后都以實驗報告的形式對實驗進行總結,完成現象的分析和對理論的提升。

設計性實驗要求學生有針對性的解決某一個具體問題。浙江大學電氣學院的學生在本科階段就確定了導師制,優秀本科生可提前進入導師的課題組,直接參加教師和研究生的科學研究活動,感受科研氛圍。因此設計性實驗基本都是配合國創、省創、大學生科研訓練計劃(SRT P)、全國電子設計競賽等進行。成果可計入課程的得分。近年來,設計性實驗帶來的成果使學生順利進入Ffreescale杯全國智能車大賽等國家競賽,SRTP包括了異步電機輔助設計軟件、發電機恒壓供電系統、智能馬達控制器系統分析、無刷直流電機數字控制系統等一批學生科技成果。

工程實訓是近年在課程進行過程中開展的讓學生理論與實踐更緊密結合的一個環節。在學習“電機學”課程之前,學生到電機廠進行過企業認識實習,但走馬觀花式的參觀很難使學生建立電機結構的認識。當課程講到繞組、旋轉磁場等問題時,學生普遍反映出抽象、難懂的情緒。為了增強學生對電機結構和原理的感性認識,課程專門在講授交流電機繞組和磁場后增設了交流電機工程實踐環節。該環節在簡單介紹電機的結構、制造工藝、電機檢驗基本要求以及三相異步電動機的拆卸和裝配基礎上,著重對中小型交流電動機的繞組如何分布、嵌線、檢查等問題進行講解。以71#機座分馬力電機為例,讓學生完成電動機的拆卸、定子繞線模設計、繞線、嵌線、接線、裝配、測試的全過程。當看到自己設計繞制的電機通電后旋轉起來,學生對繞組、磁場等相關內容的理解也得到了加強。由于條件限制,該環節目前作為學生的選做內容,但實踐過程中不斷有學生要求增加開設批次的要求。

4 結語

《電機學》是一門專業基礎課程,但迅速發展的技術又賦予其許多新的內容。通過這幾年對課程教學內容、教學方法和教學手段等方面的改革,突出理論教學和實踐環節的結合。不僅使學生加深了對《電機學》課程的認識,而且在創新和摸索中擴展了知識面,培養了實際分析問題、解決問題的能力。

[1]潘再平、章瑋等.“電機學系列課程建設研究”,2009年全國高校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會

[2]李潁峰.《電機學》教學改革的探索,中國電力教育,2008年 4月

[3]劉慧娟、張威等.探究式教學法在“電機學”教學中的應用,電氣電子教學學報,2008年6月