線上電機學課程教學改革實踐

郭欣欣

（安徽工程大學<電氣工程學院>，安徽 蕪湖241000）

0 前言

延期返校，學校不停課，教師不停教，學生不停學。在突如其來的疫情面前，充分發揮“互聯網+教育”的作用，全國高校教師進行了線上教學的智慧教學方式，如何做好線上教學設計，開展課堂內容教學改革，提高教學質量與保障教學效果，是值得思考的問題。

“電機學”課程是我校電氣工程及其自動化、自動化等專業的一門重要的專業基礎課程，也是強電類專業碩士研究生入學考試課程之一。它一方面以高等數學、復變函數及電路原理等課程為基礎，是電、磁耦合的產物，同時又是后續電力系統分析、電力系統自動化裝置、繼電保護等專業課程的基礎，在教學環節中起著承上啟下的重要作用，其教學質量的好壞直接影響學生對電力系統重要概念的理解以及后續專業課程的學習。該課程無論是從教學內容還是從教學目的來看，都是一門應用性和實踐性較強、涉及面較廣的課程，其基本原理和方法廣泛應用于電氣工程應用的各個領域，概念比較多且很抽象。因此，在教師和學生互不見面的情況下，提高教學質量與保障教學效果，是一項具有重要意義的工作。

然而，由于該課程對復變函數、電路的基礎要求較高，使得該課程的教學長期處于難教難學的兩難處境，主要表現在以下三個方面：

（1）該課程理論性強、抽象概念多，例如電磁量隨時間、空間坐標的復雜變化關系，不同類型電機的平衡方程、向量圖等各不相同，同一電機中又存在折算、對稱與不對稱、基波與諧波、暫態與穩態等問題。

（2）該課程涉及的基礎理論和實際知識面廣，包括電、磁、力、熱、機械等多門學課，基礎性和專業性知識兼具。

（3）該課程的實驗及實踐綜合性強。由于重點、難點多，要求學生掌握的知識信息量大，同時要求學生會自行設計實驗方案，容易讓學生感到頭緒多、概念抽象、乏味枯燥、難以理解和掌握。甚至個別學生產生厭學、抵觸情緒。

因此，充分利用線上優質教學資源和智慧教學工具，不局限于目前戰“役”狀態，不拘泥于單一方式，以提高學習成效為核心，重構教學設計，制訂在線教學新方案，創新開展線上線下混合式教學模式探索，成為課堂教學新生態。

1 線上教學設計

按照以往教學日歷，本課程的教學內容分四大部分，分別為變壓器、直流電機、同步電機和異步電機部分。按以往的教學設計，主要是前次課程教學內容回顧、新知識的講授，第二時段下課時，可以完成所有計劃教學內容。為了順利開展線上直播授課，遵循“實時交互所需要循序漸進開展教學設計的三個要點：碎、動、減”來進行線上教學內容設計，充分利用智慧平臺，將CloudPSS云平臺引入電機學實驗教學部分，化“實”為“虛”，彌補線上電機學課程實驗部分受空間、地點約束的缺點，同時提高了學生實踐實驗水平和質量，理論與實踐雙管齊下，以達到立體化教學效果，增強學生知識保有率。具體來說，內容如下。

1.1 將原教學單元進行碎片化的拆解

本部分主要通過課前測試回顧（簡稱課前測）、課中測試學情分析（簡稱課后測）及中間休息，將連續的上課時段分割成三段。這種打“碎”的教學設計，可以給同學們提供充裕的答題、消化、思考所學知識的時間，此為“碎”。

1.2 設置比校園課堂更豐富的互動手段吸引學生注意力

本部分設計“雨課堂+QQ分享屏幕”授課模式。“QQ分享屏幕”可以完整顯示課件的實時動畫，比如在講授三相感應電機部分時，由于電機結構比較抽象，單憑簡單的課件或者課本語言描述，學生學起來就比較吃力，形象不鮮明，教師費盡口舌，學生對點就結構的印象還是云里霧里，但如果把電機結構拆分開了，以3D立體的形式展示給同學們，那效果是完全不一樣的，同學們度電機結構就一目了然。圖1為“QQ分享屏幕”分享的電機動畫分解圖。為了提高線上教學教學效果，授課過程中，還應注意與學生的互動。

圖1 三相異步電機3D動畫分解圖

“雨課堂”智慧教學平臺提供了彈幕和投票功能，適時的開啟，學生可以隨時發彈幕，表達意見，直播過程中老師可以及時解答；而在課件中插入一些投票題或選擇題，例如：“同學們有沒有去見過發電機？”“直流電是怎么產生出來的？”，“直流電能不能產生磁通”“一次繞組匝數大于二次繞組匝數的變壓器是升壓變壓器還是降壓變壓器”等，除了能將學生的注意力吸引到課堂，同時還能考察學生聽課情況，此為“動”。

1.3 適度減少課堂教學內容，采取措施保障課外有效學習

將傳統連續的教學單元帶到拆碎的教學單元，教學點沒有減少，但是因增加測試習題來鞏固對應知識點，在有效的教學時長中，使得教學內容必然需要減少。對于這部分內容，以“雨課堂”直播過程中發布測試題額方式，檢查課外自學效果，了解學生掌握知識情況。對教學內容的“減法”需要課內精講與課外有效學習的“加法”相結合，這是保證在線教學與課堂教學質量實質等效的關鍵，此為“減”。

1.4 引入CloudPSS云平臺搭建電機運行模型

CloudPSS（www.cloudpss.net），是基于WEB技術、云計算、異構并行計算的新一代電磁仿真工具，用戶只需在本地瀏覽器內構建需要仿真的算例，進行仿真時，算例將自動上傳到服務器，在云端完成計算。同時，利用CPU+GPU的異構平臺，計算過程中不僅提高了運算速度，還提高了運算精度。CloudPSS提供了基于Web界面的能源互聯網建模平臺。其Web服務器位于阿里云，用戶無需安裝，僅通過Web瀏覽器（如Chrome、IE、Edge等）進行訪問。建模平臺提供包含豐富的基礎模型庫、模塊封裝功能，使用戶可快速完成模型搭建。同時，圖形化界面結合了PSCAD與Simulink的模型搭建特點，使得相關軟件用戶可快速上手。此外，CloudPSS還是一個社交平臺，它是一個互聯網式的社交平臺。這個平臺提供了開發工具包，提供了社交運行的應用環境，讓平臺開發者、算法研究者，設備服務的供應商以及各種運營和建設者，能夠互聯互動，形成一個生態圈，共同來為整個能源互聯網發展提供新的解決方案。平臺融合了豐富的社交化元素，著力打造基于云仿真的知識分享和教育培訓生態系統。一方面，CloudPSS平臺通過分享建模知識、共性算例和學習經驗，支持能源和電力專業同學的自主學習和探索；另一方面，CloudPSS平臺可以無縫接入電工和電氣專業網絡課程和虛擬實驗室環境，成為師生互動、課程建設和演示驗證所需的教學工具。此平臺可以根據教學大綱及教學內容搭建各類電機綜合性實驗，真實再現不便于實驗室演示的惡劣運行狀況，使許多抽象的概念和原理形象化，大大改善教學效果，提高本課程的教學質量。圖2為CloudPSS平臺搭建的直流電機啟動仿真模型，圖3為轉速、轉矩結果圖。

圖2 直流電機啟動仿真模型

圖3 啟動效果圖

2 結語

在教師和學生互不見面的情況下，針對“電機學”課程教學長期存在的教學內容抽象枯燥、學生學習興趣不大等問題，充分利用線上優質教學資源和智慧教學工具，不局限于目前戰“役”狀態，不拘泥與單一方式，以提高學習成效為核心，重構教學設計，制定在線教學新方案，創新開展線上混合式教學模式探索，達到師生不見面，仍能保證實時交互，提高教學質量與保障教學效果。充分利用平臺中提供的豐富友好的可視化控件，用生動直觀的曲線、動態圖形表達課程中抽象的概念和理論，使學生在可視化的環境中掌握和理解所學知識，從而提高學生的學習興趣，并培養學生主動獲取知識和獨立解決問題的能力，最終達到提高教學質量的目標。