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      關于“電機學”課程教學的改革與實踐

      摘要:電機學》是電氣工程及自動化等專業的一門主要技術基礎課,是工科大學公共基礎課與專業技術課之間的一座橋梁,具有與工程實際密切聯系的特點。本文結合多年來的電機教學實踐、教學改革以及課程系統建設所取得的初步成果,從課程特點、專業特點、教學實踐、教材建設、教學改革、課程輻射、科研拉動等方面入手,總結了電機學課程教學改革的方法和電機及電氣技術實踐經驗,使學生不僅學習理論知識,而且了解和掌握解決工程問題的一般方法,以及培養解決電機及電氣技術實訓裝置具體問題的動手能力,為此我們在《電機學》課程的教學內容、教學方法、電機及電氣技術實驗等方面進行了有益的探索與實踐.
        “電機學”課程是電氣工程專業的一門專業基礎課。課程主要內容包括:變壓器,交流電機繞組理論,異步電機和同步電機以及直流電機,共五篇。課程的特點是理論性強、概念多,與工程實際聯系密切。學生通過本課程的學習,將獲得電機的基本理論知識、基本分析方法和基本實驗技能,為進一步學習專業課和從事相關專業工作打下堅實基礎。 
      一、電氣工程專業學習特點: 
        在基于我校信息與電氣工程學院國家級重點學科“農業電氣化與自動化”的基礎上,著眼于地方電網,從控制與運行的角度進行講授。本專業培養能夠從事與電氣工程有關的系統運行、自動控制、
      電力電子技術、信息處理、實驗分析、研制開發、經濟管理、工程設計與施工以及電子與計算機應用等領域工作的寬口徑復合型高級工程技術人才。課程設置偏重于電力系統及其自動化,主要學習電力系統的運行分析、系統規劃、自動化技術應用等方面的知識。知識結構上體現了強電與弱電相結合,電工技術與電子技術相結合,軟件與硬件相結合,工程與科技開發相結合的特點。   
      二、課程特點: 
        本課程基于在電力系統中運行的各種電機進行分析與研究,因此電機的“功率”特征十分明顯;著重于穩態分析,與先期課程銜接緊密,如普通物理、電路原理等;因普遍涉及鐵磁材料,故非線性(飽和)問題是必須面對的;一方面,課程在遵循經典電工與電磁理論的基礎上,推導嚴密,教學嚴謹,邏輯性強,另一方面,許多結論是在合理的忽略次要因素后得出的,因此工程意義上的允許偏差與數學意義上的精確,在學生課程學習中面臨沖突;實驗中,學生開始接觸更加真實的電機控制、運行與測量,結合實際緊密,是鍛煉綜合動手能力的很好機會。特別是在電力系統中運行的各種電機,彼此既相對獨立又相互關聯,這些在增加了學生課程學習難度的同時,也打開了一扇幫助學生了解電機、電器以及電力系統知識的窗戶。較好的課程教學成果,不僅能夠擴大學生的知識面,而且還能培養學生掌握電機及電氣技術基礎理論知識的能力、系統的分析方法以及綜合運用所學知識解決具體問題的能力。另外,課程的實踐性教學環節對理論聯系實際、培養學生對
      電機及電氣技術動手能力、分析解決工程中的實際問題和科學研究能力的培養尤為重要,是課程教學不可缺少的重要組成部分。 
      三、教學實踐: 
        多年來的本科“電機學”課程教學實踐,基本形成了較為完整的教學思路與做法,主要體現出如下幾點: 
       。1)課程內容講授中,體現了加強基礎,重點突出,注重啟發,強調實踐,綜合評價。加強基礎就是力求使學生掌握本課程要求的基本理論和分析方法,以及發展前沿、技術焦點等問題;重點突出是指課程中的最重要的一些概念與結論,必須講好、講透,比如“T”型等效電路、磁勢平衡、電樞反應等;注重啟發包括課堂講授中的啟發互動做法,以及實驗、討論中的語言與角色把握;強調實踐是指注重實驗教學與課程講授之間互動以及相輔相成的有機聯系;綜合評價是全面評價學生課程學習的整體表現,多年來,一直堅持平時成績與期末考試成績按比例計入總評成績。 
       。2)課程內容組織上,注意結合本專業需求,在“基礎與精髓不漏”的前提下,對一些涉及設計、制造及在少學時情況下較難理解的內容,如交、直流電機繞組、時-空向量分析等,進行刪減,適當精簡或簡化
      電機電磁理論的闡述及推導,注重結論的理解與應用。在每一篇的最后,講授一些典型應用,比如變壓器之后,介紹互感器;異步電機之后,介紹單相異步電動機以及變頻驅動;同步電機之后,介紹永磁同步風力發電機;直流電機之后,介紹無刷直流電動機等。這樣,既鞏固了學生對本篇主要結論的印象,又避免了“通篇學完電機學,只知四種電機”的尷尬局面。 
      (3)注重語言表達和多媒體的合理應用。課堂上,介紹概念需要表達準確,推導過程需要嚴謹,但好的課堂講授效果,與表達方式有很大關系,這里不僅有語言表達和口齒的問題,更有良好的語言運用、知識積累和直觀形象展示的問題。如,介紹到變壓器勵磁電流性質時,會涉及到在鐵芯磁路飽和時,正弦分布的基波勵磁電流,會產生平頂形態的磁通波形,反之,欲獲得正弦分布的磁通波形,則需配合適當非正弦分布的勵磁電流供給。這樣的內容,學生第一次接觸,難理解,不易記憶,用一句成語,“魚翅與熊掌不可兼得”去概括,收效很好;在講授交流電機三相合成旋轉磁勢時,自制的Flash動畫,直觀、形象地演示出了駐波、行波以及合成等曲線圖形,有助于學生理解和記憶。再比如,在用電磁轉矩物理公式,解釋異步電動機起動電流大的現象時,需說明主磁通大幅減小,且轉子回路功率因數很低,從而造成轉子電流幅值很大的局面,用一句成語,“屋漏偏逢連陰雨”去描述,就很形象。在多媒體課件設計上,著重兩個思路:循序漸進層層深入的思維過程的啟發式引導,形象直觀的物理過程可視化展示。顯然在課件中,大量的文字堆砌,無助于脫稿講授,大量公式的粘貼,替代不了連貫的現場推導與演繹。多年的教學過程證明,良好的授課表達方式可有效地提高教學效果和學生的學習興趣。
      (4)努力使
      電機及電氣技術實驗教學與課堂教學相得益彰。主要做法包括:以驗證性實驗,作為“規定動作”,用以強化對課堂中對應重要結論與概念的印證;以自選性實驗,提高學生實驗的主動性與興趣,其中的內容,既有教師引導形成的,也有學生自己思考提出的。為此,我們進行了實驗課程的單獨設課,增加實踐教學的設計性、綜合性、趣味性;放手讓學生自己去準備、設計、接線、調試、排除故障等。當學生在實驗中的主動性被激發出來后,思考、興趣、想法等會接踵而來,不僅會有效地促進課程內容學習理解,還會激發出一些學生因動手能力強,而產生的自信心,一些學生就是因此而產生出許多創新性的想法與做法,我們所教的學生中就有許多這樣的實例。 
       。5)著力培養嚴謹的科學作風?茖W作風的培養,是可以也應該貫穿于課程教學始終的。課堂上,講課的邏輯性,推導的縝密性,批改作業的嚴謹性,是一種基本體現,實驗中的科學作風更應注重。實際上,一次電機學實驗,就是一次微型的、科學的、有工程意義的科學訓練。學生們需課前認真設計實驗內容,在實驗中,正常、合理使用儀器設備操作,發現和解決問題;實驗后,對實驗數據的分析整理,撰寫實驗報告。在這其中,學生得到的訓練是較為全面的,其中任何一個環節出問題,都可能導致結論的不準確,這樣系統的科學訓練,是課堂教學中不易找到的。 
       。6)堅持培養良好的學風。對學生要求嚴格,是“
      電機學”課程多年的傳統。課上,我們堅持要求學生不遲到,不無故缺席,不抄襲作業,保持良好的課堂秩序,并屆屆相傳。多年來的教學實踐表明,對學生的嚴格要求,并沒有使我們失去學生的尊重,我們以嚴以律己、一絲不茍的治學態度及對學生嚴與愛的統一之中,贏得了歷年的好評。事實證明,我們的絕大部分學生是好學的、理智的、明辨是非的。我們認為,只要教師的投入放在精通業務、全面了解本學科狀況與動向、提高教學質量和水平上,把身段放在去了解學生,關心和幫助學生,嚴格要求學生,使學生在學習中健康成長方面,學生心里的那桿稱,是公平的。
      四、改編實驗教材:
      實驗教材在實驗教學中起重要的作用。除了對教材的基本要求外,一本好的實驗教材應該有以下一些特點:
      第一 能自成體系,能系統、全面地介紹實驗原理、實驗方法。當學生遇到有關實際問題時,能從實驗教材上找到分析問題、解決問題的方法。
      第二 應與實驗設備緊密結合。 第三 能給出較多思考題,學生實驗前能根據問題進行預習;實驗中帶著問題進行操作;實驗后能在實驗結果中找問題的答案。
      我們以“MY-D2電機及電氣技術實驗裝置”為主線,與工科大學一起編寫了《電機及拖動基礎實驗指導書》相應的實驗指導,該教材系統介紹了電機學課程中的實驗原理、實驗方法。教材自成體系,在理論和實際結合的內容方面留給學生充分的思考余度,以利培養和提高學生的實驗動手能力和獨立分析、解決問題的能力。該實驗教材在實驗教學中取得了良好的效果。
      五、加強實驗室建設:
      為全面提高教學質量,深化學生對理論知識的理解和認識,為今后工程能力的進一步培養打下基礎,在電機學課程實驗教學改革中,我們注重加強實驗室的建設。
      近年來我校
      電機實驗室在原有設備基礎上,大幅度改善了實驗教學條件,投資百余萬購進多臺上海茂育科教設備有限公司研制的“MY-D2電機及電氣技術實驗裝置”。該裝置是一種功能齊全的新型綜合性實驗裝置,具有配置齊全、功能齊全、結構緊湊、使用方便、體積小而適應面廣、且有擴展能力等特點,能開設出20多個電機類的教學實驗。
      實驗條件為電機學實驗教學改革提供了有力的物質保證。因設備臺數增加,實驗小組人數減少,一般以2人一組比較合適,合理的分組使得每個學生都能認真進行實驗,避免了以往實驗時出現的有人操作,有人旁觀的現象,增加了學生的動手機會,有利于學生能力培養,取得了明顯的教學效
      五、電機學課程輻射: 
        課程主講教師曾經的一個
      電機專業教學“一條龍”不間斷培養的設想,在一些學生身上實現了。例如,一個電機課代表,對電機產生了濃厚的興趣,在課程學習后期主動找到主講教師,要求參加科研項目,當時一個與電機相關的科研項目是小型離網風力發電,于是,學生從擰螺絲釘固定機組開始,到學習變頻電動機控制、異步發電機的并接電容器自勵,到完整的進行科研實驗測試、撰寫文章,不到一年的時間,全面進入科研角色;在大四免試推薦研究生階段,僅在最后一刻,與一所國內一流大學失之交臂,但隨后,被另一所首批國家 “985工程”的大學很快錄取了,理由就是科研能力好(當然學習成績也不差);在之后自然選擇主講教師作為指導教師的畢業設計中,由于題目的前期積累,也獲得了學校百篇優秀本科畢業論文的獎勵。一門專業基礎課的內容,能夠延續到畢業論文階段,作為課程教師,我們深感欣慰。 
      六、科研拉動: 
        對于高校工科教師而言,教學與科研相得益彰。比如,結合與企業合作設計生產雙速自制動三相異步電動機的項目,直接參與了雙速繞組、鐵芯、磁場與性能校驗等電磁設計,以及樣機試制、實驗,到批量生產的全過程。這些一手電機設計與生產經驗,不僅加深了對課程相關內容的理解和掌握,同時很大程度的豐富了教學內容,課堂以及實驗教學實踐中,自然心中有底,言之有物。又例如,在我們所承擔的有關農村新能源發電的國家“十一五”科技支撐項目子課題中,所涉及的內容較為繁多,但多年來電機學課程教學所積累的較為扎實的基本概念和學科知識,使我們能夠與團隊成員一起,交出了較為圓滿的課題任務答卷,取得了多項具有自主知識產權的成果、技術與裝備。 
      七、結束語: 
        “
      電機學”課程是一門自動化、電氣工程及其自動化專業等專業的傳統課程,在新形勢下,需要教師實際投入。從電機及電氣技術實驗課程教學內涵而言,應該多思考,勤實踐,不斷豐富和完善課程教學體系;從課程教學外延來看,應該從電機及電氣技術實驗專業系統培養,工程應用需求,動手能力培養,后續課程拉動等多方面、多角度,去思考課程教學的改革與內容的更新。

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