場論分析在電機類課程教學中的探討

姚舜才

（中北大學 電氣與控制工程學院，山西太原 030051）

2009 年5 月，國務院印發(fā)的《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》提出裝備制造業(yè)振興規(guī)劃、實施新能源汽車等戰(zhàn)略要求，同時要求立足自主創(chuàng)新，突破關鍵技術[1]。這對電機及運動控制系統(tǒng)提出了更高的要求，工科高等院校的相關專業(yè)在人才培養(yǎng)和科研創(chuàng)新方面需發(fā)揮特長作用。電機作為工農(nóng)業(yè)及交通等各行業(yè)的重要設備，在裝備制造、傳動控制以及交通運輸?shù)确矫嬗兄匾饔谩Ｈ绾巫龊秒姍C類課程的教學工作，使之能夠更適應國家經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)關鍵學科領域的高素質(zhì)緊缺型人才，成了工科高校面臨的重要課題和任務[2]。針對這種情況，本文對工科高校自動化學科的電機類課程教學工作進行了思考和實踐。

1 自動化學科電機類課程教學現(xiàn)狀

電機類課程是自動化學科的主干課群之一，其課程內(nèi)容主要包括：電機與拖動基礎、電力拖動自動控制系統(tǒng)以及控制電機等。作為整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)，電機及其控制具有非常重要的作用。當前，各種新型驅動的電機對系統(tǒng)控制的要求在不斷提高，這就需要不斷充實電機類課程的教學內(nèi)容，改進該類課程的教學方式和方法[3]。

1.1 理論分析重“路”輕“場”

當前，大部分高校的自動化學科的電機類課程對于電機運行的基本原理在闡述時依據(jù)的是“路”的理論，目的是與教學傳統(tǒng)和整個學科體系的課程安排相適應。

以電機與拖動基礎課程為例，該課程對于各種常用電機原理的分析基本以磁路分析方法展開。基于這樣的考慮，課程安排幾乎沒有涉及對于電機磁場的分析，對于電磁現(xiàn)象，特別是電磁變化的非線性特性涉及很少。盡管在電機運行分析時以線性磁路為主，但涉及對電機控制的解釋時，學生容易感到力不從心。

在電機類課程的教學過程中，重“路”輕“場”，甚至無“場”的思想，影響了學生對后續(xù)課程的學習和整個學科體系的構建[4]。

1.2 教學模式與當前人才培養(yǎng)要求不適應

動車、電動汽車、高速磁懸浮列車等的快速發(fā)展對電機本體設計及其電機控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了較高的要求。例如，對于軸向磁通電機，使用磁路方法很難給出電機的等效電路，同時，對于電機的端部效應及其漏電抗計算也比較困難。再如，對于直線電機，由于電機繞組的電抗不對稱，單純使用傳統(tǒng)的電機分析方法，很難取得令人滿意的效果。同時，社會對驅動電機及其控制的高級科技人才的需求也在不斷增加，因此，對電機類課程教學內(nèi)容進行改革是非常必要的。

2 電機類課程教學存在的問題

2.1 傳統(tǒng)自動化學科的定位不準確

通常認為，傳統(tǒng)自動化學科為信息類學科，因此，在人才培養(yǎng)和課程安排方面基本傾向于信息類學科，比較重視信號、信息處理方面，而對于驅動控制、電力電子技術等方面的關注較少，這與自動化學科的發(fā)展有關系。然而，近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和專業(yè)結構的調(diào)整，特別是我國在軌道交通方面的快速發(fā)展，對自動化學科的發(fā)展提出了新的要求。自動化學科不僅需要在信息領域保持較為鮮明的特色，還應該在驅動控制方面具有一定的競爭力。一方面對于電機的控制離不開信息的控制，另一方面可以為抽象的控制找到一個良好的控制對象。然而，要控制好電機，僅依靠“路”的分析還遠遠不夠，需要應用“場”的觀點來進行分析，只有運用“場”的觀點，才能對各種新型驅動設備建立良好的數(shù)學模型，才能對其進行有效的控制[5]。

2.2 課程設置存在問題

基于前述的相關分析，自動化學科相關專業(yè)的課程設置對于“場”的內(nèi)容較為欠缺。因此，在電機及其控制類課程開設時，進行基于“場”的分析就變得較為困難。在教學時，即使教師有使用“場”的理論進行分析的意愿，也因為學生基于“場”的理論基礎較差而難以展開。在課程內(nèi)容的安排銜接上，一般工科專業(yè)的數(shù)學基礎都包含多元函數(shù)微分學和梯度、散度、旋度的內(nèi)容，這些內(nèi)容也是進行場論分析的基礎。然而，結合現(xiàn)實情況來看，很多院校在自動化學科相關專業(yè)的課程安排上缺乏這些內(nèi)容的后續(xù)課程。例如，高等數(shù)學中的曲線積分、曲面積分等知識點在電磁場分析中占有很大的比例，而且其對于電機原理及運行性能的分析也是必不可少的。然而，在自動化學科的電機類課程中，由于不需要進行基于“場”理論的分析，這部分內(nèi)容沒有后續(xù)課程內(nèi)容作為銜接[6]。

2.3 教師專業(yè)水平有待提升

其一，一些教師認為自動化屬于信息類專業(yè)，對于場論分析不必過于重視。當前，我國在交通運輸方面發(fā)展較快，這離不開電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展和進步，而高速高效的電機驅動系統(tǒng)，特別是大功率電機的運行分析，離不開基于“場”的分析[7]。場論不僅對于電機拖動系統(tǒng)的分析有著重要意義，而且也是分析新型電機和拖動系統(tǒng)的重要依據(jù)。忽視場論這種有力的分析工具，無疑很難有效地說明電機的工作原理及其控制系統(tǒng)。其二，一些教師對于使用場論來分析工程問題的能力欠佳。眾所周知，電機類課程屬于工科專業(yè)課程，一些教師認為工科專業(yè)主要是面向生產(chǎn)部門，因此，在教學過程中主要給學生講授常用的經(jīng)驗公式，而對于稍微有些理論深度和難度的場論分析，則認為學生在將來的工作中用不到，所以未進行講授，久而久之，教師自己的理論水平也會有所下降。很多教師在電機類課程的教學過程中逐漸將場論分析的內(nèi)容邊緣化，最終將其排除在了教學內(nèi)容之外。然而，當前我國的產(chǎn)業(yè)轉型迫切需要創(chuàng)新發(fā)展，沒有場論分析這個強大的理論工具，在電機及其控制領域很難實現(xiàn)創(chuàng)新[8]。

3 改進措施

從以上分析可以看出，在自動化學科的電機類課程教學中加強電磁場理論知識的教學是迫切的[9]，這不僅關乎整個學科知識體系的完備性，也關乎人才培養(yǎng)的模式。鑒于此，筆者提出以下兩點建議。

3.1 教學內(nèi)容的改進

由于在電機類課程中缺乏電磁場理論的基礎內(nèi)容，很多富有創(chuàng)新性的知識難以展開。要改變這種狀況，首先應該在教學內(nèi)容方面進行改革[10]。然而，自動化學科類的專業(yè)畢竟與電氣學科類的專業(yè)不同，難以開設很多與電磁場分析有關的課程，這就需要對電機類課程的教學內(nèi)容進行調(diào)整。對于電磁場分析所需運用的數(shù)學和物理基礎知識，大部分工科院校在大學二年級上學期就已經(jīng)講授。因此，可以考慮在大學二年級下學期開設要求略低于電氣學科類專業(yè)的選修課程。這種選修課程的學時不宜過多，內(nèi)容不宜與電氣類的電磁場課程完全相同，而應該突出電機類課程中可能要用到的電磁場理論知識，同時還應該兼顧趣味性，以激發(fā)學生對電磁場分析理論的學習興趣，從而進一步展開電機類課程的學習。

如果由于一些原因無法開設選修課程，教師可以在開展電機類課程教學時，進行一些電磁場知識的預教學或在需要這些知識的時候進行穿插教學，然后在各種電機工作原理的教學過程中，有意識地將電磁場理論知識與磁路知識有機結合，增強學生使用電磁場理論進行電機工作分析的能力[11]。

3.2 教學方法的改進

電機類課程是理解難度較大的課程，電磁場理論課程也是有一定難度的課程。這兩類課程疊加學習，初學者可能會覺得難度太大。因此，在電機類課程中進行電磁場理論分析，有必要對傳統(tǒng)教學方法進行調(diào)整。

一方面，教師要使學生能夠準確理解所學的知識。對于電磁場理論在電機類課程中的應用，主要通過以下幾個方面來增強學生的認知：第一，運用動畫和PPT進行演示[12]。在上課時，教師可運用PPT 和相關動畫來演示電磁場理論和電機運行的基本原理，同時配合主講教師的講授，這種方法目前已經(jīng)較為常見。第二，在實驗課時，著重講述電磁場理論在電機類課程中的應用。在進行實驗課教學時，教師需要在實驗過程中向學生講授實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，將電磁場理論的教學有機融入實驗過程，將理論與實踐結合，同時豐富學生的知識體系。第三，積極開展對虛擬實驗的探索。電磁場的變化難以用肉眼直接觀測，電機在運行時的電磁變化也是難以直接觀測的。欲使學生更加直觀地獲取知識，積極推進和開展虛擬實驗是非常有效的途徑。目前，關于電磁場及電機運行方面的虛擬實驗素材還不多，教師需要在這方面不斷努力，構建較為完備的虛擬實驗素材庫，以便能夠為學生提供更加豐富的知識素材。

另一方面，在電機類課程中電磁場分析內(nèi)容的教學中，教師還應該加強對相關軟件的使用[13]，這些軟件主要是關于電磁場仿真方面的。電磁場仿真軟件可以幫助學生直觀且準確地理解電機中電磁場的變化規(guī)律和情況。教師可以在課堂教學中穿插進行電磁場仿真方面的教學，同時在課后作業(yè)中也可以布置一些電機中電磁場仿真作業(yè)的練習，以便鞏固課堂教學的成果。

4 結語

電機類課程是自動化學科的核心課群之一，既關系到人才培養(yǎng)問題，同時也和我國的社會經(jīng)濟發(fā)展以及制造業(yè)的升級有密切關系[14]。只有將此類課程的教學改革工作理順，才能促進自動化學科學生的知識結構體系不斷完善，進而更好地為國家和社會的發(fā)展貢獻力量。