電機技術科學研究反哺教學的方法與案例分析

基金項目：河南省本科高校精品在線開放課程項目；項目名稱：電機與拖動；項目編號：教〔2021〕474號。河南省研究生教育改革與質量提升工程項目（精品教學案例項目）；項目名稱：線性系統理論；項目編號：YJS2024AL132。

作者簡介：陳中顯（1984—），男，副教授，博士；研究方向：電機設計和控制。

摘要：高校科學研究與教學之間的關系是相輔相成的。為了增強應用型本科高校在科學研究與教學之間的融合度，文章以自動化等電類專業的電機技術教學為例，探討了高校科學研究反哺教學的基本原則，并通過案例分析，闡述了電機技術科學研究應用到教學的方法與成效。首先，文章基于電機技術的科學研究和教學的各自特點，分析了電機技術科學研究反哺教學的基本原則。其次，以若干具體的教學方法為案例，提出了電機技術科學研究反哺教學的方法。最后，總結了電機技術科學研究反哺教學的成效。

關鍵詞：科學研究；教學方法；電機技術；案例分析

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A

0引言

隨著越來越多的本科高校朝著應用型辦學方向的發展，其教學方法在學生培養過程中顯得空前重要［1］。但是，作為本科學校可持續發展的重要支柱之一——科學研究，并不會因為本科高校朝著應用型辦學方向的發展而削弱。

從辯證統一的角度來講，科學研究與教學是相輔相成、互相促進的。課程教學過程中，需要增加專業知識的難度、深度和廣度，這必然需要把相對應的科學研究納入教學過程，從而使學生們既能掌握教學內容的基本知識，也能理解專業知識在前沿技術之中的應用概況，最終培養學生對于專業學習的興趣和信心。

事實上，科學研究不僅僅可以推動社會進步和科技發展，也能反哺教學過程，從而豐富專業知識教學的資源、提高教學質量、完善人才培養的模式。為了提高科學研究與教學之間的融合度，諸多高等學校教育者對此做了大量的研究工作，例如以科研方式進行教學過程研究［2］、教學與科研的關系理念［3］，某些具體專業知識在教學過程中貫穿科學研究的方法等［4-6］。

本文以自動化等電類專業的電機技術教學為例，探討了電機技術科學研究融入教學的原則以及電機技術科學研究應用到教學的方法和成效。尤其是在具體的若干電機技術教學環節中（譬如電機的結構和工作原理、電機的弱磁調速、電機的運行控制等），使較為抽象、苦澀和難懂的電機電磁場知識，在經過科學研究成果的融入和表述之后，得到較為理想的教學成效和教學目標。

1電機技術科學研究融入教學的基本原則

以黃淮學院自動化專業的電機技術教學過程為例，該教學過程主要講述了直流電動機和交流電動機兩大部分，具體教學內容包括這兩種電動機的基本結構、工作原理、運行特性，以電動機為原動機拖動生產機械進行工作的基本理論和方法。針對具體的電機技術知識點，其科學研究融入教學的基本原則主要有以下幾點。

11深刻認識電機技術的教學目的

深刻認識教學目的，并從基礎、拔高、創新、實踐和素質等多維角度和逐次遞深的方式實現教學目的是十分必要的。本文從電機技術教學過程的知識目標、能力目標和素質目標3個角度，闡述了電機技術的教學目標，如圖1所示。

知識目標方面：可以通過三維結構展示、動畫視頻演示、實物結構拆解、零部件加工和整體組裝等方式，促使學生對于電機結構有一個深刻的認知。在此基礎上，培養學生具備扎實的電機理論知識，能夠完成基本的電機理論公式推導和分析，進而掌握電機的工作原理和運行過程。

能力目標方面：在上述知識目標實現的基礎上，使學生掌握電機啟動（3種啟動方法）、調速（4種調速方法）、制動（2種制動方法）的實驗實踐控制方法，進而完成電機驅動負載的穩定運行。拓展與電機技術相關的實踐活動，譬如選擇適當型號的直流電機，制作科技作品，并積極參與大學生學科競賽活動，也是一種非常有效的提高電機技術教學能力的方法。

素質目標方面：與電路原理、電子技術和單片機技術等專業知識密切結合，通過實踐和技能訓練，強化學生的電機技術應用能力，提高學生的學科綜合和解決工程實踐的基本素養，進而深入發掘電機技術知識與當前軍工前沿技術（例如用于艦載機起飛的電磁彈射器）的密切關系，增強學生對于本專業技術知識學習的自豪感和使命感。

12細化教學內容和知識點

電機技術的科學研究內容與方向，通常具有具體性、前沿性和創新性等特點。在具體性方面，包括電機的機械振動、電機的溫升或熱力學、電機的結構優化設計、電機的優化控制、電機的磁場優化等；在前沿性和創新性方面，主要是結合電機的結構設計和優化控制，研究適合于某一應用領域的高性能電機，例如應用于航空技術的高速電機、應用于電動汽車的永磁電機、應用于醫療領域的超聲電機，應用于航母艦載機電磁彈射的直線電機等。

根據筆者多年的教學經驗，若要把電機技術科學研究有機地融入教學，最優的方法是針對電機技術的某一知識點，擇取與之相對應的電機技術科學研究細節，進行針對性和高效性的教學過程實施。否則，引入過多的電機技術科學研究內容，不僅在一定程度上擠占了課堂教學時間，也增加了學生對于知識點學習的難度。更嚴重的是，假如引入過多的電機技術科研內容，勢必出現與電機技術教學知識點關聯性不強的情況，這不僅達不到科研與教學相融合的目標，反而會增加學生對于電機技術知識點學習的困惑性。

因此，在電機技術的教學過程中，針對某一具體的教學知識點，盡可能地選取電機技術科學研究的具體問題，進行知識點教學難度的提升和廣度的擴展。在電機技術科學研究和教學的混合教學模式過程中，總結得到的一些細化教學內容和知識點的教學原則如表1所示。

13把握電機技術科學研究應用于教學的深度

針對電機的某一結構特性或運行特性，其科學研究過程往往需要利用繪圖軟件、有限元計算軟件、數學解析表達式（含推導過程）、復雜控制算法等方式，進行深入研究和分析。這些學術技能、軟件和控制算法，遠遠超出了本科生的認知水平。因此，非常有必要把握電機技術科學研究應用于教學的深度，使學生們既能掌握電機技術的知識點，也能通過相對應的電機技術科學研究內容實現對知識點掌握程度的進一步深化。

例如，在“電機轉矩波動”的知識點教學過程中，可以通過硬件實驗（電機樣機）和儀器（轉速測量儀）測試，得出電機轉矩波動存在的事實。然后，通過電機電磁場仿真軟件，動畫形式地展示電機轉矩波動的理論仿真結果（無須介紹電磁場仿真軟件的算法過程等內容）。最后，根據物理硬件實驗現象和理論仿真結果綜合分析，得出降低電機轉矩波動的方法——增加電機轉子和定子的齒槽數、優化電機轉子齒槽數和定子齒槽數的匹配，增加電機定子的永磁體極數。

特別地，在優化電機轉子齒槽數和定子齒槽數匹配方面，需要一系列的數學公式推導過程，但在教學過程中，只需展示和分析最終的數學公式推導結果即可。

再如，在“電機的起動”這一知識點的教學中，可以結合自動控制理論，分析電機起動過程的速度曲線，得出電機起動的速度上升時間、穩定時間和超調量等電機的起動特性。在實驗過程中，任課教師團隊帶領學生通過觀察直流電動機在空載和負載情況下的起動速度曲線，分析電機起動時的轉速上升時間、穩定時間和超調量。特別地，通過對比得出直流電機在空載起動情況下沒有發生轉速超調的根本原因。至于如何提高電機的起動性能，這需要電機結構優化設計和運行控制算法的雙重結合，不宜在電機技術教學過程中進行深入講授。

14拓展電機技術科學研究應用于教學的寬度

拓展電機技術科學研究在教學過程中的寬度是十分有益的。首先，這種混合式教學方法可以開闊本科生的眼界，提高其動腦思考和實踐應用能力。譬如，2020—2021年，任課教師在直流電機的教學過程中，向本科生們展示了高速直流電動機（36 000 r/min）的運行控制過程。其次，在此高速直流電機的基礎上，帶領學生設計和制作了基于該高速直流電動機的便攜式智能呼吸機裝置，其間融合了單片機、自動控制、藍牙無線通信等多種知識點，并在學生學科競賽中獲得了省級最高獎。最后，利用直流電機，達到了各個專業知識點的融合，通過學科競賽獲獎提高了學生對于專業知識的應用能力。

2電機技術科學研究應用到教學中的案例分析和成效

盡管電機技術科學研究具有較強的前瞻性，但其進行科學研究的過程和成果，還是源于基礎的電機理論。本文基于筆者多年的電機技術科學研究和教學經驗，闡述了電機技術科學研究應用到教學過程中的幾個案例及其成效。

21電機的普通結構和新型結構的比較學習法

筆者認為，只有充分掌握了電機的基本結構，才能為后續學習電機的工作原理和運行特性奠定良好的基礎。因此，在電機技術的教學過程中，教學團隊首先通過三維繪圖軟件向學生們展示了普通電機的三維結構，并帶領學生們拆解普通電機設備，從而使學生們對于電機的基本結構有一個清晰透徹的認識。此外，為了提高學生們對于電機技術的學習興趣和動力，有必要基于筆者研究的新型永磁電機，并通過三維繪圖軟件、電磁場分析軟件以及加工制作的新型永磁電機的實物樣機，向學生們展示特殊結構的新型電機，使學生們初步了解電機技術科學研究的最新前沿狀況。在掌握普通電機結構和新型電機結構的情況下，假如在以后的工作中遇到其他特殊結構的電機設備，學生們將會舉一反三，快速理解并掌握這些特殊結構的新型電機。

圖2是任課教師團隊結合電機部件的實物結構，并通過三維繪圖軟件、電磁場分析軟件等計算機軟件，向學生們闡述電機結構和工作原理的教學過程，并著重比較了普通電機和新型電機在結構方面的差異性。

22電機運行的穩定性

在電機實驗教學的過程中，通過眼睛觀察到的電機的轉速幾乎是勻速的（穩定的），但實則不然。為了深刻認識電機運動的不平穩性，筆者通過2極2槽電機實物模型，并在該模型電機轉子處于不同位置情況下（轉子繞組與定子磁極之間相互垂直、相互平行兩種狀態位置），觀察轉子起動所受到的電磁轉矩，使學生們觀察并分析得到電機運行一周的轉速不平穩性。

基于上述實物演示和分析得到的電機運行轉速不平穩性，可以引導學生們思考提高電機轉速平穩性的方法。與此同時，向學生們展示筆者在科學研究過程中，通過理論分析、仿真計算和物理實驗驗證，得出如何進一步提高電機轉速平穩性的前沿技術和方法。如此循序漸進、邊觀察邊思考的教學方法，必定能夠逐步提高學生們對于教學內容和相關拓展知識的掌握程度。

特別地，可以基于當前社會熱點——2022年6月開始服役的我國福建號航母，向學生們介紹福建號航母的艦載機電磁彈射起飛過程：該電磁彈射起飛過程的基本原理與電機轉速（轉矩）的基本原理是相同的（均是基于電磁力理論）。在這種情況下，可以以潤物細無聲的形式，達到提高學生綜合素質的目的。

23電機的空載磁場和負載磁場

電機內的磁場（空載磁場和負載磁場），是一個非常復雜和難以理解的知識點。在該知識點的教學過程中，有必要通過3個步驟，向學生們介紹電機內的各類磁場及其作用。為此，任課教師團隊分3個步驟，并利用電磁場仿真軟件，對電機的空載磁場和負載磁場進行講授、分析和討論。

首先，通過電磁場分析軟件，向學生們展示電機內的勵磁單元（永磁體或勵磁繞組）產生的磁場分布情況，這就是電機的空載磁場（理想情況下，電樞電流為零）。

其次，在電機的空載磁場存在情況下，利用電磁場分析軟件，向電機的電樞繞組添加電壓信號（或電流信號），使電樞繞組產生磁場（稱為電樞磁場）。

最后，疊加上述步驟中的電機空載磁場和電樞磁場，就是電機的負載磁場。這樣分步驟的講解形式，可以使學生們逐步理解電機內的磁場分類以及電機內各種磁場疊加后的效果。尤其是利用電磁場分析軟件，并在電機轉子運行的情況下，觀察得到電機內各種磁場動態疊加運行的狀況，這對于學生們的眼睛視覺和思維分析過程是十分有益的。

24電機的弱磁調速

在直流電機的調速方法講解過程中，其常規調速方法有3種，分別是調節電樞電壓、調節電樞電阻和調節勵磁磁通。其中，降低勵磁磁通，可以實現直流電動機的弱磁調速。弱磁調速不僅存在于直流電機之中，也存在于交流電機之中，且該調速方法是當前電機技術科學研究的熱點之一。因此，筆者可以基于電機技術科學研究的成果（新型永磁記憶電機的調磁技術）以及知網最新收錄的與電機弱磁調速相關的論文，向學生們展示并講授電機的最新弱磁技術。尤其是在硬件科研實驗和科研論文的雙重教學效果下，必然使學生們充分掌握電機弱磁調速的機理和最新前沿技術。基于上述電機弱磁的教學過程，學生們會發現無論是直流電機還是交流電機，均可以實現弱磁調速控制。

需要強調的是，若是引入科研論文和硬件科研實驗到教學過程中，必然會增加或占用常規的教學時間。鑒于此，可以通過微信公眾號發布與教學知識點相對應的科研論文內容和硬件科研實驗過程（含結果），并進行課外研討。

25電機的閉環控制

電機的閉環控制，尤其是交流電機的閉環控制，是電機技術知識點教學過程的難點之一。若要實現電機的閉環控制，不僅需要掌握電機的基本控制原理，更需要掌握自動控制原理之中的經典閉環控制方法以及基于該控制方法的硬件實現技術（單片機軟件編程及其硬件電路搭建）。在這些基本控制原理、閉環控制方法、軟件編程和硬件電路的系統搭建情況下，通過硬件實驗向學生們展示和講解電機控制過程中的各種參數調節方法（比例調節、積分調節等）以及參數調節對于電機運行狀態的影響，使學生們在逐步感性地認識電機閉環控制理論知識與技術的基礎上，必然在腦海中分析、總結出電機閉環控制的系統性知識，最終實現了教學的目的和效果。此外，基于電機的閉環控制，學生們也必將更加深刻認識并理解自動控制原理、單片機編程與應用等相關知識點的內涵，最終使本專業的諸多知識點之間達到相互融合、共同實踐應用的目的。

交流電機電流環的閉環控制框圖見圖3。圖3中，通過PI（比例-微分）調節器、abc至αβ的坐標變換、αβ至dq的電流變換、減法運算、數據類型轉換和顯示等功能，全面展現了交流電機電流環的閉環控制流程。基于該控制流程或框圖，可以利用計算機軟件編寫交流電機電流環的閉環控制程序，實現理論仿真計算和分析。然后，在理論仿真計算和分析的基礎上，搭建硬件設備，并把計算機程序下載到硬件設備之中，完成交流電機電流環控制的硬件實驗測試。最后，通過比較理論仿真結果與硬件試驗測試結果的相同性和差異性，得出理論仿真分析和硬件實驗測試的各自優點。特別地，也可以通過比較理論仿真結果與硬件試驗測試結果，啟發學生們認識到學習數學知識和計算機程序編程的重要性。

3結語

采用電機技術科學研究反哺教學的方法，其目的是提高電機技術的教學成效，并拓展學生們對于電機技術知識掌握程度的外延，從而引起學生們對于電機技術的學習興趣和動力，增強學生的專業技術自信。本文以自動化等電類專業的電機技術教學為例，研究了電機技術科學研究融入教學的基本原則，并通過電機技術科學研究應用到教學的幾個案例以及相關的圖片展示，闡述電機技術科學研究反哺教學的方法和成效。綜上，在電機技術科學研究和教學的雙重作用下，不僅可以提高教學的效果、深度和廣度，也可以積極推動任課教師在電機技術科學研究方面的進步。

參考文獻

［1］王佳，易麗，魯嘉華.應用型本科高校在守正創新中實現辦學水平的嬗變探究［J］.教育探索，2023（2）：74-78.

［2］朱軍，曹志剛，汪輝.以科研方式進行“課程設計”的教學探索［J］.安慶師范學院學報（自然科學版），2014（4）：149-152.

［3］劉廣明.構筑大學教學與科研積極關系的理念和方式［J］.鄭州大學學報（哲學社會科學版），2012（1）：157-160.

［4］夏益輝，張維，高嵬，等.“科研反哺教學”在電氣工程專業課程改革中的實踐探索——以“現代電機控制技術”課程為例［J］.科教導刊，2022（26）：52-54.

［5］應黎明.科研反哺教學在“電機學”教學中的實踐［J］.電氣電子教學學報，2018（5）：13-16.

［6］馮興田，馬文忠，趙仁德.突出科研素質培養的“電路分析”教學改革［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2019（12）：17-18.

（編輯編輯李春燕）