電機與拖動課程思政建設(shè)案例設(shè)計

王雪潔，丁瑞昕，婁 瑩

（1.浙大城市學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，杭州 310015；2.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣州 510641；3.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

以習(xí)近平新時代中國特我社會主義思想為指導(dǎo)，深入貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述，貫徹落實全國、全省教育大會精神，圍繞立德樹人根本任務(wù)，牢固確立人才培養(yǎng)的中心地位，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，全面梳理挖掘?qū)I(yè)課程所蘊含的思政元素，充分發(fā)揮專業(yè)課程所承載的育人功能，將價值引領(lǐng)、知識傳授和能力培養(yǎng)融為一體，抓住教師隊伍“主力軍”、課程建設(shè)“主戰(zhàn)場”和課堂教學(xué)“主渠道”，實現(xiàn)各類課程與思想政治理論課程同向同行，營造全員、全程、全方位育人大格局，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展、能夠擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的社會主義建設(shè)者和接班人。電機與拖動課程作為自動化專業(yè)必修課，思政建設(shè)刻不容緩。

一、電機與拖動課程學(xué)情分析

（一）學(xué)生知識經(jīng)驗分析

（1）電機是實現(xiàn)電能傳遞和轉(zhuǎn)換的電磁裝置——有形，磁場——無形，“形”和“象”如何聯(lián)系，是課程教學(xué)難點，學(xué)習(xí)畏難情緒嚴(yán)重，學(xué)習(xí)興趣不高。

（2）學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電機與拖動課程中直流電機工作原理和機械特性，三相感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)和工作原理剛剛學(xué)習(xí)，尚未完全領(lǐng)會。

（3）三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩、功率和機械特性即將學(xué)習(xí)。

（4）需要了解三相感應(yīng)電動機在實際生活中的應(yīng)用及調(diào)節(jié)哪些參數(shù)可以改變功率和轉(zhuǎn)矩的大小。

（二）學(xué)生學(xué)習(xí)能力分析

（1）學(xué)生對于前面所學(xué)習(xí)的直流電機工作原理和機械特性掌握較好，并且已經(jīng)在實驗課中完成了直流電機起動、調(diào)速和制動等各種特性的手動調(diào)節(jié)和參數(shù)測定，具備了一定的分析問題和解決問題的能力。

（2）對于與直流電機結(jié)構(gòu)和工作原理有一定區(qū)別的三相感應(yīng)電機的工作原理領(lǐng)會有一定難度，對于三相感應(yīng)電機在實際生活中應(yīng)用和如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩及功率大小所知甚少，知識遷移、融會貫通和創(chuàng)新思維能力有待加強。

（三）學(xué)生思想狀況分析

（1）由于電機具有“形”“象”脫節(jié)的特點，知識內(nèi)容抽象難懂，普遍學(xué)習(xí)興趣不高，畏難情緒嚴(yán)重。

（2）三相感應(yīng)電機功率和轉(zhuǎn)矩學(xué)習(xí)過程中，將結(jié)合前面所學(xué)習(xí)的三相感應(yīng)電機T 型等效電路展開，學(xué)生缺乏知識遷移、融會貫通和創(chuàng)新思維的能力。

（3）缺少科學(xué)研究探索的精神。

二、電機與拖動課程課堂教學(xué)目標(biāo)

（一）知識目標(biāo)

理解掌握三相感應(yīng)電動機功率公式及各參數(shù)含義；理解掌握三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩公式及各參數(shù)含義；理解三相感應(yīng)電動機功率和轉(zhuǎn)矩的重要意義。

（二）能力目標(biāo)

能夠根據(jù)三相感應(yīng)電動機T 型等效電路推導(dǎo)出功率公式，學(xué)會融會貫通和知識遷移；能夠根據(jù)三相感應(yīng)電動機功率的平衡關(guān)系推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩的平衡關(guān)系；理解電能與機械能的轉(zhuǎn)換過程。

（三）價值目標(biāo)

通過前后知識的融合貫通，采用辯證思維和科學(xué)方法論，實現(xiàn)知識遷移；通過授課過程中布置的三級討論題，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作、創(chuàng)新思維、工匠精神和科學(xué)探索精神；通過了解三相感應(yīng)電動機在電動汽車和高鐵動力系統(tǒng)中的應(yīng)用，樹立學(xué)生科技強國、開拓創(chuàng)新和勇于奮斗的大國情懷。

（四）本次設(shè)計的課程思政目標(biāo)

本次課程的思政總體目標(biāo)是樹立科技強國、大國情懷的理想信念，為了實現(xiàn)中國制造而奮發(fā)圖強的拼搏精神。從建立節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)安全意識、辯證思維和科學(xué)方法論入手，側(cè)重于學(xué)生社會主義核心價值觀的引領(lǐng)，激發(fā)學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，塑造團(tuán)隊合作、科學(xué)探索精神、創(chuàng)新精神和工匠精神等思想政治意識。

三、電機與拖動課程教學(xué)過程設(shè)計

（一）視頻資料1（課前已經(jīng)安排觀看并分小組準(zhǔn)備討論題目參考答案）

觀看視頻資料：電動汽車是如何工作的？了解為什么電動汽車選擇了感應(yīng)電機而不是內(nèi)燃機，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引出思考。

課堂討論1：為什么電動汽車選擇了感應(yīng)電機而不是內(nèi)燃機？

課堂討論2：我國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀是怎樣的？

引起思考，激發(fā)同學(xué)學(xué)習(xí)三相交流感應(yīng)電動機功率和轉(zhuǎn)矩相關(guān)知識的興趣。

（二）視頻資料2

觀看視頻資料：中國永磁動力高鐵。

課堂討論3：在高鐵和電動汽車中為什么趨向于采用永磁同步電動機？

介紹中國高鐵動力系統(tǒng)組成、時速400 千米TQ-800 永磁同步牽引電機、牽引電機剖面圖，通過介紹我國于2019 年研發(fā)的時速高達(dá)400 千米TQ-800 永磁同步牽引電機，向同學(xué)們傳遞節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)安全的理念和意識，同時樹立科技強國、大國情懷的理想信念。

（三）立體化了解三相感應(yīng)電動機能量傳輸過程

三相感應(yīng)電動機通過電磁感應(yīng)作用，把電能從定子傳送到轉(zhuǎn)子，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)化為機械能，去掉機械損耗和附加損耗后，剩余的機械能從電動機軸上輸出。具體過程如圖1 所示。

圖1 三相感應(yīng)電動機能量傳輸示意圖

三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時等效電路中，定子側(cè)參數(shù)有：r1為定子側(cè)繞組電阻；x1為定子側(cè)漏電抗；U1為定子側(cè)繞組外加的交流電壓；I1為定子側(cè)繞組中的電流；E1為主磁通在定子側(cè)感應(yīng)的電動勢。

轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)有：r2′為轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)的電阻折算值；x2′為轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)的漏電抗折算值（1-S）r2′/S 為轉(zhuǎn)子側(cè)負(fù)載阻抗折算到定子側(cè)的值；U2′為轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)的負(fù)載電壓折算值；I2′為轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)繞組電流折算值；E2′為主磁通在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)的電動勢折算到定子側(cè)的折算值；rm為鐵心的電阻；xm為鐵心的電抗。

建立起三相交流感應(yīng)電動機形象化立體結(jié)構(gòu)，體會能量傳輸過程—定子吸收電能—轉(zhuǎn)子輸出機械能。

將三相感應(yīng)電動機比喻為學(xué)生目前喜歡玩的大型游戲，發(fā)揮立體化空間想象能力，將自己“穿越”進(jìn)電機內(nèi)部，從而形象化地記憶三相感應(yīng)電動機能量傳輸過程，讓學(xué)習(xí)變得生動有趣起來。

（四）功率關(guān)系的數(shù)學(xué)描述

三相感應(yīng)電動機功率平衡方程式與三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時等效電路中元件所消耗功率其實是一一對應(yīng)的，所以學(xué)習(xí)三相感應(yīng)電動機功率關(guān)系的時候只要按照三相感應(yīng)電動機等效電路相關(guān)元件所消耗功率記憶，就會取得事半功倍的效果。

分析過程中請注意：電阻消耗的都是有功功率，電感消耗的都是無功功率。

對三相電機而言

從等效電路可以看出，輸入電機的電功功率主要消耗在r1、rm和三個等效電阻上了，它們分別為

定子一側(cè)的銅損耗

鐵芯中的鐵損耗

說明：此處需要注意推導(dǎo)公式的嚴(yán)謹(jǐn)性，向?qū)W生傳達(dá)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓そ尘瘛?/p>

值得注意的是，根據(jù)功率傳輸關(guān)系，輸入電機的電功功率P1去掉定子一側(cè)的銅損耗和鐵芯中的鐵損耗，就得到了電磁功率Pem，接著該電磁功率Pem通過氣隙間的磁場傳遞給轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的電磁功率都消耗在r2′/S上了。

電磁功率表達(dá)式為

說明：此處可以使用辯證思維論來看待電磁功率的表達(dá)問題。

通過氣隙間的磁場傳遞給轉(zhuǎn)子的有功功率，稱電磁功率。

若從三相感應(yīng)電動機的輸入端看，電磁功率Pem等于輸入功率減去定子一側(cè)銅損Pcu1和鐵芯中的鐵損耗PFe。

若從三相感應(yīng)電動機的輸出端看，電磁功率Pem等于轉(zhuǎn)子銅損Pcu2與輸出機械功率PmecΣ之和。

結(jié)論：由上述兩個表達(dá)式可知，電磁功率是電機輸入的電功率轉(zhuǎn)換為機械功率的中間功率，換句話說，電機輸入的電功率是通過電磁功率轉(zhuǎn)換為機械功率的，而電動機軸頭輸出的機械功率為總的機械功率減去機械損耗pmec和少量的附加損耗pad。

三相感應(yīng)電動機中的總損耗為

三相感應(yīng)電動機總的有功功率之和為

通過完成小組討論題目，完成初級知識遷移，通過團(tuán)隊合作訓(xùn)練，培養(yǎng)同學(xué)們的職業(yè)素養(yǎng)。

課堂討論4：電磁功率∶轉(zhuǎn)子銅耗∶總機械功率等于多少？（初級）

說明：分析和解決問題的方法很多，如何選擇最有利于理解的方法即為重要，所以需要關(guān)注科學(xué)方法論。本節(jié)課內(nèi)容我們就很好地利用了圖示分析方法。

本節(jié)課中，三相感應(yīng)電動機各種功率之間的關(guān)系通過數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式描述得非常清楚，但略顯公式較多，不便記憶，不妨將各個功率之間的關(guān)系用三相異步電動機能量流程圖形象地表示出來。

通過能量流程圖，三相感應(yīng)電動機的輸入電功率P1、定子回路損耗pcu1、磁路損耗pFe、由定子通過氣隙磁場傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem，以及轉(zhuǎn)子回路的銅損pcu2、機械損耗pmec+pad和輸出機械功率P2之間的關(guān)系，一目了然，非常直觀、形象。同時，由表達(dá)式（4）還可以看出，轉(zhuǎn)子銅損耗pcu2與電磁功率Pem、輸出總的機械功率PmecΣ與電磁功率Pem存在如下關(guān)系

（五）轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系的數(shù)學(xué)描述

根據(jù)電路理論可知，只有電流的有功分量才能做功，由動力學(xué)的知識得

電動機的軸頭輸出轉(zhuǎn)矩為

說明：充分利用圖示分析方法幫助我們理解和記憶大量繁復(fù)公式。

結(jié)論：三相感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與氣隙磁通Фm和轉(zhuǎn)子電流I2′的有功分量成正比，或者說，三相感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與氣隙磁通Фm和轉(zhuǎn)子電流有功分量I2′cosФ2的乘積成正比。

通過完成小組討論題目，完成中級知識遷移，通過團(tuán)隊合作訓(xùn)練，培養(yǎng)同學(xué)們的職業(yè)素養(yǎng)。

課堂討論5：你認(rèn)為本節(jié)課得到的三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩表達(dá)式有何實際意義？（中級）

通過完成小組討論題目，完成高級知識遷移，通過團(tuán)隊合作訓(xùn)練，培養(yǎng)同學(xué)們的職業(yè)素養(yǎng)。

（六）分享我們身邊的科學(xué)家小故事

曹鳳山教授（1901—1991），江蘇揚州人，二級教授。中國電機工程學(xué)元老，專長計算尺設(shè)計。畢業(yè)于交通大學(xué)，曾獲美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)碩士學(xué)位。曾任浙江大學(xué)電機系主任，暨南大學(xué)教授。建國后歷任上海交通大學(xué)教授，中國紡織大學(xué)電機教授、數(shù)理系主任。

通過分享科學(xué)家故事，學(xué)習(xí)他們無私奉獻(xiàn)、忠心愛國、精益求精和嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)家精神，對學(xué)生形成潛移默化的影響。

課后作業(yè)（高級）。

小組討論1：本節(jié)課推導(dǎo)出來的三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩表達(dá)式對于分析三相感應(yīng)電動機機械特性有幫助嗎？為什么？

小組討論2：搜集三相感應(yīng)電動機在現(xiàn)實生活中的實際應(yīng)用場景，下節(jié)課課上分享。

四、總結(jié)反思

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進(jìn)中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)。怎樣做好立德樹人，在專業(yè)課的授課過程中，怎樣把思政元素融入課堂，是我們每一個教師應(yīng)該思考的事情。電機與拖動課程作為自動化專業(yè)核心必修課，理論性強，“形”“象”脫節(jié)，如果可以恰當(dāng)?shù)匾胨颊兀饶軌蚧钴S課堂氣氛，增強教學(xué)趣味性，又可以達(dá)到育人的目的，解決“形”“象”脫節(jié)等教學(xué)問題，實現(xiàn)實踐育人。