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關(guān)于“電機學(xué)”課程教學(xué)的改革與實踐

摘要:電機學(xué)》是電氣工程及自動化等專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課,是工科大學(xué)公共基礎(chǔ)課與專業(yè)技術(shù)課之間的一座橋梁,具有與工程實際密切聯(lián)系的特點。本文結(jié)合多年來的電機教學(xué)實踐、教學(xué)改革以及課程系統(tǒng)建設(shè)所取得的初步成果,從課程特點、專業(yè)特點、教學(xué)實踐、教材建設(shè)、教學(xué)改革、課程輻射、科研拉動等方面入手,總結(jié)了電機學(xué)課程教學(xué)改革的方法和電機及電氣技術(shù)實踐經(jīng)驗,使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)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(yǎng)解決電機及電氣技術(shù)實訓(xùn)裝置具體問題的動手能力,為此我們在《電機學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、電機及電氣技術(shù)實驗等方面進行了有益的探索與實踐.

  “電機學(xué)”課程是電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要內(nèi)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(lián)系密切。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),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(xué)習(xí)專業(yè)課和從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅實基礎(chǔ)。 
一、電氣工程專業(yè)學(xué)習(xí)特點: 
  在基于我校信息與電氣工程學(xué)院國家級重點學(xué)科“農(nóng)業(yè)電氣化與自動化”的基礎(chǔ)上,著眼于地方電網(wǎng),從控制與運行的角度進行講授。本專業(yè)培養(yǎng)能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制、
電力電子技術(shù)、信息處理、實驗分析、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理、工程設(shè)計與施工以及電子與計算機應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬口徑復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。課程設(shè)置偏重于電力系統(tǒng)及其自動化,主要學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)的運行分析、系統(tǒng)規(guī)劃、自動化技術(shù)應(yīng)用等方面的知識。知識結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)了強電與弱電相結(jié)合,電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合,軟件與硬件相結(jié)合,工程與科技開發(fā)相結(jié)合的特點。   
二、課程特點: 
  本課程基于在電力系統(tǒng)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(wěn)態(tài)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(jīng)典電工與電磁理論的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)嚴密,教學(xué)嚴謹,邏輯性強,另一方面,許多結(jié)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(shù)學(xué)意義上的精確,在學(xué)生課程學(xué)習(xí)中面臨沖突;實驗中,學(xué)生開始接觸更加真實的電機控制、運行與測量,結(jié)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(tǒng)中運行的各種電機,彼此既相對獨立又相互關(guān)聯(lián),這些在增加了學(xué)生課程學(xué)習(xí)難度的同時,也打開了一扇幫助學(xué)生了解電機、電器以及電力系統(tǒng)知識的窗戶。較好的課程教學(xué)成果,不僅能夠擴大學(xué)生的知識面,而且還能培養(yǎng)學(xué)生掌握電機及電氣技術(shù)基礎(chǔ)理論知識的能力、系統(tǒng)的分析方法以及綜合運用所學(xué)知識解決具體問題的能力。另外,課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)對理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生對
電機及電氣技術(shù)動手能力、分析解決工程中的實際問題和科學(xué)研究能力的培養(yǎng)尤為重要,是課程教學(xué)不可缺少的重要組成部分。 
三、教學(xué)實踐: 
  多年來的本科“電機學(xué)”課程教學(xué)實踐,基本形成了較為完整的教學(xué)思路與做法,主要體現(xiàn)出如下幾點: 
  (1)課程內(nèi)容講授中,體現(xiàn)了加強基礎(chǔ),重點突出,注重啟發(fā),強調(diào)實踐,綜合評價。加強基礎(chǔ)就是力求使學(xué)生掌握本課程要求的基本理論和分析方法,以及發(fā)展前沿、技術(shù)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(jié)論,必須講好、講透,比如“T”型等效電路、磁勢平衡、電樞反應(yīng)等;注重啟發(fā)包括課堂講授中的啟發(fā)互動做法,以及實驗、討論中的語言與角色把握;強調(diào)實踐是指注重實驗教學(xué)與課程講授之間互動以及相輔相成的有機聯(lián)系;綜合評價是全面評價學(xué)生課程學(xué)習(xí)的整體表現(xiàn),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(nèi)容組織上,注意結(jié)合本專業(yè)需求,在“基礎(chǔ)與精髓不漏”的前提下,對一些涉及設(shè)計、制造及在少學(xué)時情況下較難理解的內(nèi)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(dǎo),注重結(jié)論的理解與應(yīng)用。在每一篇的最后,講授一些典型應(yīng)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(qū)動;同步電機之后,介紹永磁同步風(fēng)力發(fā)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(xué)生對本篇主要結(jié)論的印象,又避免了“通篇學(xué)完電機學(xué),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(yīng)用。課堂上,介紹概念需要表達準確,推導(dǎo)過程需要嚴謹,但好的課堂講授效果,與表達方式有很大關(guān)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(zhì)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(chǎn)生平頂形態(tài)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(nèi)容,學(xué)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(zhuǎn)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(xué)生理解和記憶。再比如,在用電磁轉(zhuǎn)矩物理公式,解釋異步電動機起動電流大的現(xiàn)象時,需說明主磁通大幅減小,且轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)很低,從而造成轉(zhuǎn)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(shè)計上,著重兩個思路:循序漸進層層深入的思維過程的啟發(fā)式引導(dǎo),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(xiàn)場推導(dǎo)與演繹。多年的教學(xué)過程證明,良好的授課表達方式可有效地提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
(4)努力使
電機及電氣技術(shù)實驗教學(xué)與課堂教學(xué)相得益彰。主要做法包括:以驗證性實驗,作為“規(guī)定動作”,用以強化對課堂中對應(yīng)重要結(jié)論與概念的印證;以自選性實驗,提高學(xué)生實驗的主動性與興趣,其中的內(nèi)容,既有教師引導(dǎo)形成的,也有學(xué)生自己思考提出的。為此,我們進行了實驗課程的單獨設(shè)課,增加實踐教學(xué)的設(shè)計性、綜合性、趣味性;放手讓學(xué)生自己去準備、設(shè)計、接線、調(diào)試、排除故障等。當學(xué)生在實驗中的主動性被激發(fā)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(nèi)容學(xué)習(xí)理解,還會激發(fā)出一些學(xué)生因動手能力強,而產(chǎn)生的自信心,一些學(xué)生就是因此而產(chǎn)生出許多創(chuàng)新性的想法與做法,我們所教的學(xué)生中就有許多這樣的實例。 
 。5)著力培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)?茖W(xué)作風(fēng)的培養(yǎng),是可以也應(yīng)該貫穿于課程教學(xué)始終的。課堂上,講課的邏輯性,推導(dǎo)的縝密性,批改作業(yè)的嚴謹性,是一種基本體現(xiàn),實驗中的科學(xué)作風(fēng)更應(yīng)注重。實際上,一次電機學(xué)實驗,就是一次微型的、科學(xué)的、有工程意義的科學(xué)訓(xùn)練。學(xué)生們需課前認真設(shè)計實驗內(nèi)容,在實驗中,正常、合理使用儀器設(shè)備操作,發(fā)現(xiàn)和解決問題;實驗后,對實驗數(shù)據(jù)的分析整理,撰寫實驗報告。在這其中,學(xué)生得到的訓(xùn)練是較為全面的,其中任何一個環(huán)節(jié)出問題,都可能導(dǎo)致結(jié)論的不準確,這樣系統(tǒng)的科學(xué)訓(xùn)練,是課堂教學(xué)中不易找到的。 
 。6)堅持培養(yǎng)良好的學(xué)風(fēng)。對學(xué)生要求嚴格,是“
電機學(xué)”課程多年的傳統(tǒng)。課上,我們堅持要求學(xué)生不遲到,不無故缺席,不抄襲作業(yè),保持良好的課堂秩序,并屆屆相傳。多年來的教學(xué)實踐表明,對學(xué)生的嚴格要求,并沒有使我們失去學(xué)生的尊重,我們以嚴以律己、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度及對學(xué)生嚴與愛的統(tǒng)一之中,贏得了歷年的好評。事實證明,我們的絕大部分學(xué)生是好學(xué)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(yè)務(wù)、全面了解本學(xué)科狀況與動向、提高教學(xué)質(zhì)量和水平上,把身段放在去了解學(xué)生,關(guān)心和幫助學(xué)生,嚴格要求學(xué)生,使學(xué)生在學(xué)習(xí)中健康成長方面,學(xué)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(xué)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(yīng)該有以下一些特點:
第一 能自成體系,能系統(tǒng)、全面地介紹實驗原理、實驗方法。當學(xué)生遇到有關(guān)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(yīng)與實驗設(shè)備緊密結(jié)合。 第三 能給出較多思考題,學(xué)生實驗前能根據(jù)問題進行預(yù)習(xí);實驗中帶著問題進行操作;實驗后能在實驗結(jié)果中找問題的答案。
我們以“MY-D2電機及電氣技術(shù)實驗裝置”為主線,與工科大學(xué)一起編寫了《電機及拖動基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書》相應(yīng)的實驗指導(dǎo),該教材系統(tǒng)介紹了電機學(xué)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(jié)合的內(nèi)容方面留給學(xué)生充分的思考余度,以利培養(yǎng)和提高學(xué)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(xué)中取得了良好的效果。
五、加強實驗室建設(shè):
為全面提高教學(xué)質(zhì)量,深化學(xué)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(yǎng)打下基礎(chǔ),在電機學(xué)課程實驗教學(xué)改革中,我們注重加強實驗室的建設(shè)。
近年來我校
電機實驗室在原有設(shè)備基礎(chǔ)上,大幅度改善了實驗教學(xué)條件,投資百余萬購進多臺上海茂育科教設(shè)備有限公司研制的“MY-D2電機及電氣技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、體積小而適應(yīng)面廣、且有擴展能力等特點,能開設(shè)出20多個電機類的教學(xué)實驗。
實驗條件為電機學(xué)實驗教學(xué)改革提供了有力的物質(zhì)保證。因設(shè)備臺數(shù)增加,實驗小組人數(shù)減少,一般以2人一組比較合適,合理的分組使得每個學(xué)生都能認真進行實驗,避免了以往實驗時出現(xiàn)的有人操作,有人旁觀的現(xiàn)象,增加了學(xué)生的動手機會,有利于學(xué)生能力培養(yǎng),取得了明顯的教學(xué)效
五、電機學(xué)課程輻射: 
  課程主講教師曾經(jīng)的一個
電機專業(yè)教學(xué)“一條龍”不間斷培養(yǎng)的設(shè)想,在一些學(xué)生身上實現(xiàn)了。例如,一個電機課代表,對電機產(chǎn)生了濃厚的興趣,在課程學(xué)習(xí)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(guān)的科研項目是小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電,于是,學(xué)生從擰螺絲釘固定機組開始,到學(xué)習(xí)變頻電動機控制、異步發(fā)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(nèi)一流大學(xué)失之交臂,但隨后,被另一所首批國家 “985工程”的大學(xué)很快錄取了,理由就是科研能力好(當然學(xué)習(xí)成績也不差);在之后自然選擇主講教師作為指導(dǎo)教師的畢業(yè)設(shè)計中,由于題目的前期積累,也獲得了學(xué)校百篇優(yōu)秀本科畢業(yè)論文的獎勵。一門專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容,能夠延續(xù)到畢業(yè)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(xué)與科研相得益彰。比如,結(jié)合與企業(yè)合作設(shè)計生產(chǎn)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(shè)計,以及樣機試制、實驗,到批量生產(chǎn)的全過程。這些一手電機設(shè)計與生產(chǎn)經(jīng)驗,不僅加深了對課程相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握,同時很大程度的豐富了教學(xué)內(nèi)容,課堂以及實驗教學(xué)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(guān)農(nóng)村新能源發(fā)電的國家“十一五”科技支撐項目子課題中,所涉及的內(nèi)容較為繁多,但多年來電機學(xué)課程教學(xué)所積累的較為扎實的基本概念和學(xué)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(wù)答卷,取得了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果、技術(shù)與裝備。 
七、結(jié)束語: 
  “
電機學(xué)”課程是一門自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)等專業(yè)的傳統(tǒng)課程,在新形勢下,需要教師實際投入。從電機及電氣技術(shù)實驗課程教學(xué)內(nèi)涵而言,應(yīng)該多思考,勤實踐,不斷豐富和完善課程教學(xué)體系;從課程教學(xué)外延來看,應(yīng)該從電機及電氣技術(shù)實驗專業(yè)系統(tǒng)培養(yǎng),工程應(yīng)用需求,動手能力培養(yǎng),后續(xù)課程拉動等多方面、多角度,去思考課程教學(xué)的改革與內(nèi)容的更新。

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