基于磁懸浮技術相關課程建設的探索

孫津濟

（1.北京航空航天大學前沿科學技術創新研究院 北京 100191；2.北京航空航天大學寧波創新研究院 寧波 315800）

引言

磁懸浮是利用磁力使物體處于一個無摩擦、無接觸懸浮的平衡狀態，磁懸浮技術原理是集電磁學、電子技術、控制工程、信號處理、機械學、動力學為一體的典型的機電一體化高新技術，磁懸浮技術不僅可應用于衛星、空間站、飛機、導彈等航空航天等國防軍事領域，還可以應用于機床用電主軸、藥物分離用離心機、電動汽車、風力發電、飛輪儲能等國民經濟建設領域，已經成為當前科學技術領域研究的熱門方向[1]。

目前關于磁懸浮技術相關的課程非常少，大多集中在電磁學理論和可控磁懸浮轉子以及主動磁軸承基礎及應用等，而且多偏重理論方面的推導和介紹，缺少對磁懸浮技術的工程應用以及如何增加課程的綜合性、可視性以及創新性的描述。況且目前課程通常都是通過講授的方式直接教給學生，導致學生印象不深，感覺專業性太強，學習時沒有理解，教學效果比較差，本文則是希望通過對課程中增加磁懸浮技術相關的演示實驗環節，讓學生使用磁懸浮技術中涉及的磁性材料，包括永磁材料和軟磁材料等，利用“搭積木”方式對磁懸浮技術中的具體實現進行可視化教學，從而可使學生對磁懸浮技術產生深刻的理解和感受[2]。

一、課程建設內容

（一）課程教學目標

對于磁懸浮技術相關課程中知識點多、教學時間緊，學生印象不深刻的問題。通過現有教學模式的研究，設計磁懸浮技術教具演示環節，增強學生對課程所受知識點的直觀認識和親身感受，特別是使學生要了解體會到磁懸浮技術在實際應用中的奧妙之處，促進學生動手能力的培養，并且可以增強學生的創新意識[3]。

（二）課程內容教學探索

在基于磁懸浮技術課程的教學內容上，應當在參考現有磁懸浮技術相關書籍和文獻的基礎上，以磁懸浮技術的應用領域為依托，有針對性的傳授內容，比如，磁懸浮技術的基礎是懸浮，而懸浮的重點是磁浮，因此在講授過程中首先要介紹磁學的相關基本概念和定理，以及磁路與電路之間的內在關聯，其次在講授完磁場與磁力之間的關系后，按照磁力的輸出方向不同，介紹磁懸浮軸承的基本結構，之后按照懸浮物體是靜止還是旋轉運動以及直線運動，進行變壓器、旋轉電機以及直線電機相關結構和磁路的傳授。根據具體的應用，進而介紹磁懸浮軸承用于航天上可以作為慣性執行機構的支承部分實現航天器的姿態控制，用在航空可以作為穩定平臺的支承部分實現航空器的指向穩定，用在地面上可以作為高速電機的支承，進而拓展應用到磁懸浮壓縮機、磁懸浮鼓風機、磁懸浮分子泵、磁懸浮儲能飛輪、磁懸浮電主軸中，除了上述旋轉運動的機械裝備，還可以用于直線運動的磁懸浮列車，從而在整個講授內容上由淺入深、由簡入繁的介紹了磁懸浮技術及其應用。

另外，課程應本著理論指導實踐，實踐推動理論的原則，將教學內容中加入實際科研工作中遇到的實際問題及解決方法，以此不斷激發學生的求知欲，并鍛煉其思維能力，鼓勵學生積極參與到實際問題的討論當中[4]。

（三）課程教學方法的探索

在教學方法中應當減少或避免純枯燥的理論推導的教學，以實際工程應用為依托，以國家重大需求為背景，探求以實物接觸加深理論推導的模式，對于所介紹的磁路以及磁路相關的磁軸承基本結構，均以實物體的形式進行，以增加學生的直觀感受和提高學生的學習興趣[5]。

比如講到磁路磁場以及磁力的內容，給學生們演示永磁體對于導磁材料產生的磁力效果，講到由多個磁路組成的磁軸承結構時，將磁軸承結構拆分成多個模塊，讓學生們通過“搭積木”的方式對每個模塊的磁路構成以及整體的磁力實現有個直觀的了解和學習，比如講授被動磁軸承的時候，根據永磁體的充磁方向和排列方式的不同，可以實現學生手持教具，就可以親身體會到各個永磁體環所受力的大小和方向的不同，以使學生深刻體會到永磁體之間的徑向力和軸向力的產生，進而對被動磁懸浮產生深刻體會；講到主動磁軸承的時候，讓學生根據永磁體、軟磁、電磁線圈的不同排列和組裝形式，“搭完積木”，可以實現學生手持教具，就可以親身體會到轉子徑向或軸向所受力的大小，以使學生深刻體會到徑向力和軸向力的產生，進而對主動磁懸浮產生深刻體會[6]。

另外，通過目前針對全球疫情所萌發的新興的線上線下相結合的教學模式，可以在線上的教學模式中，將實際磁懸浮軸承的加工過程以及裝配和調試過程在線進行演示，線下教學則結合演示的視頻進行相關磁懸浮技術的原理和方法的介紹。

（四）課程考核方式的探索

對于磁懸浮技術相關課程的考核，盡量通過和實際工程相結合的方式進行，而不應完全按照試卷考試的形式進行，通過設計合理的大作業考核方式來完成學生對于該門課程的理解和掌握，比如關于磁懸浮技術的課程的核心仍然是磁，具體的說，是磁路磁場和磁力，因此可以通過課程中對磁路千變萬化的形式啟發學生的創新性，考核中通過讓學生設計一些根據實際需求產生的磁路形式進行，這樣既可以避免純開卷或閉卷方式帶來的死記硬背的考試弊端，又可以將學生的創新潛力發揮出來，并且可以有效達到讓學生理解體會基于磁懸浮技術課程的目的[7]。

二、結束語

磁懸浮技術是一門新興的技術，對于其課程內容的傳授、教學方法的模式以及考核方式的策劃均處于探索過程中，本文力求將理論結合實際的方式融入課堂，并且將看不見摸不著的磁路磁場和磁力通過機械結構件，使得學生通過“搭積木”的方式去實現，去體現，去復現，這種教學方法和內容的探索有望使得學生在充分理解磁學理論的基礎上，摒棄傳統的枯燥公式的填壓，從實際國家重大需求出發，從實際工程實踐中真正理解磁懸浮技術的精髓，充分調動學生的積極性和主觀能動性，進而發揮出學生潛在的創新性，促進復合型人才的培養。