談電機(jī)學(xué)課程教學(xué)方法改進(jìn)

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摘要：電機(jī)學(xué)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題，首先以實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合的重要性，其次對(duì)不同教學(xué)方法的改進(jìn)進(jìn)行探討，最后通過(guò)典型項(xiàng)目案例教學(xué)，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，為提高教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué)；教學(xué)方法；實(shí)踐

電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門關(guān)鍵的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是連接公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課的紐帶，對(duì)后續(xù)專業(yè)課如電機(jī)拖動(dòng)、電力系統(tǒng)分析、電機(jī)控制等課程的學(xué)習(xí)起著重要的鋪墊作用[1]。電機(jī)學(xué)課程理論性強(qiáng)、涉及學(xué)科門類多，且與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合緊密，掌握電機(jī)學(xué)課程需要理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐輔助理論理解的學(xué)習(xí)過(guò)程。為了能讓學(xué)生從總體上更好地認(rèn)識(shí)和掌握這門課，達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[2]，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，更好地提高課程教學(xué)質(zhì)量，本文以教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)本課程教學(xué)方法的改進(jìn)進(jìn)行了探討，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。

1現(xiàn)狀分析

電機(jī)學(xué)主要內(nèi)容包括電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、電磁關(guān)系和運(yùn)行特性[3]。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能運(yùn)用電機(jī)的等效電路、基本方程、相量圖、繞組連接規(guī)律等基本理論與基本分析方法，完成電機(jī)參數(shù)計(jì)算任務(wù)要求，能解決電機(jī)運(yùn)行中存在的實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題。本課程在教學(xué)中常存在以下問(wèn)題：第一內(nèi)容抽象、公式繁多，課堂教學(xué)仍是以教師的講授為主，師生互動(dòng)不多，學(xué)生參與度不高，未能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。第二理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生對(duì)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)不夠清晰，難以將抽象理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。第三僅通過(guò)電機(jī)課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生難以具備靈活運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的能力，只有讓學(xué)生了解電機(jī)最新發(fā)展前沿，參與到實(shí)際項(xiàng)目工程中去，才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)以上問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面對(duì)教學(xué)方法的改進(jìn)進(jìn)行探索。

2實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)與理論課的有機(jī)結(jié)合

電機(jī)學(xué)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的一門課，現(xiàn)有的教學(xué)方法是從理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程，采用實(shí)踐引領(lǐng)理論教學(xué)的反轉(zhuǎn)模式，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)現(xiàn)象探索本質(zhì)的能力[4]。學(xué)習(xí)電機(jī)首先要了解電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及作用，學(xué)生在剛開始上這門課時(shí)，要先進(jìn)行一周的認(rèn)知實(shí)習(xí)。校內(nèi)參觀電機(jī)科研及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，校外參觀生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生通過(guò)聽取工人師傅對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、生產(chǎn)工藝、日常生活中的應(yīng)用領(lǐng)域及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用的講解，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)有初步了解，克服畏懼心理，提高學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)課程講解到異步電機(jī)章節(jié)時(shí)，安排兩周的電機(jī)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，時(shí)間為每周的周六周日。由于學(xué)生人數(shù)較多，將學(xué)生進(jìn)行分組，每組共同完成一臺(tái)異步電機(jī)的拆裝和組裝任務(wù)。實(shí)訓(xùn)主要內(nèi)容包括電機(jī)拆裝工具認(rèn)識(shí)、電機(jī)拆裝、繞組重繞、繞組嵌線與接線、電機(jī)安裝、電機(jī)檢測(cè)等。通過(guò)實(shí)訓(xùn)加強(qiáng)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，學(xué)生對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)一步理解，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、運(yùn)用所學(xué)電機(jī)理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生分工協(xié)調(diào)、團(tuán)隊(duì)合作的能力。

3教學(xué)方法的改進(jìn)

3.1引入工程問(wèn)題，以學(xué)生為主體的討論式教學(xué)方法

在每章開始學(xué)習(xí)之前，首先引入工程問(wèn)題，使學(xué)生帶著思考進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，如電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系比較復(fù)雜，為什么常將電機(jī)磁場(chǎng)化成簡(jiǎn)單的磁路進(jìn)行分析？三相交流電機(jī)的繞組為什么常采用雙層短距繞組？舉例分析24槽4極三相雙層疊繞組展開圖繪制步驟及規(guī)律？定子漏抗的大小對(duì)三相異步電機(jī)的性能有何影響？三相異步電機(jī)的工作性能指標(biāo)主要有哪些，如何提高其效率？讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用基本理論去分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題。在每章學(xué)習(xí)結(jié)束做總結(jié)時(shí)，學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論，說(shuō)出自己的看法，在相互討論過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自己認(rèn)識(shí)的不足，加深對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)的理解，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力。

3.2對(duì)比結(jié)合推導(dǎo)式教學(xué)方法

各種類型的電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系既有聯(lián)系又有區(qū)別。該部分教學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)生很容易混淆各種電機(jī)類型之間的電磁分析過(guò)程。為此，可以采用對(duì)比式教學(xué)方法[5]，將關(guān)系屬性相近的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)電機(jī)的共性和個(gè)性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)概括，方便理解記憶。如為了更好地理解磁路的基本定律及各參數(shù)的物理意義，將磁路和電路的基爾霍夫第一、第二定律進(jìn)行對(duì)比，將磁路和電路中相關(guān)參數(shù)及計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比；分析變壓器和異步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)、等效電路、基本方程、相量圖之間的類比關(guān)系；講解直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)、工作原理及定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的聯(lián)系與區(qū)別；將直流電機(jī)的電樞繞組與交流電機(jī)繞組的連接方法進(jìn)行類比；將電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)能量傳遞過(guò)程進(jìn)行類比等。采取對(duì)比的教學(xué)方法，對(duì)電機(jī)整體類似內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，讓知識(shí)點(diǎn)更系統(tǒng)化，加深學(xué)生對(duì)相似內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系和容易混淆問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。電機(jī)學(xué)中有很多理論推導(dǎo)過(guò)程，將對(duì)比與理論推導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法用于電機(jī)的等效電路、電磁參數(shù)計(jì)算能達(dá)到事半功倍的效果。如為反映變壓器的內(nèi)部空載和負(fù)載的電磁關(guān)系，將既有磁路又有電路聯(lián)系的變壓器經(jīng)過(guò)繞組歸算，推導(dǎo)出變壓器的T型等效電路，類似于變壓器電磁分析方法，異步電機(jī)因定轉(zhuǎn)子頻率不同，需經(jīng)過(guò)頻率歸算和繞組歸算推出其T型等效電路。在推導(dǎo)正弦磁場(chǎng)下交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，步驟為首先分析一根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后推導(dǎo)一個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再計(jì)算一個(gè)線圈組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，最終推出單相繞組電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式。對(duì)比電動(dòng)勢(shì)的分析方法推導(dǎo)正弦電流下單相、三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)，先分析整距線圈的磁動(dòng)勢(shì)，然后依次分析整距線圈組、短距線圈組，最終推出單相、三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)。課堂教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比與公式推導(dǎo)相結(jié)合，目標(biāo)明確，概念和思路清晰，有益于分析問(wèn)題的能力和學(xué)習(xí)效率的提高。

3.3引入課外興趣小組結(jié)合有限元方法研究

典型案例電機(jī)學(xué)課程中采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)合圖解法得到對(duì)稱三相繞組中通入對(duì)稱的三相電流時(shí)，在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電機(jī)電磁場(chǎng)理論抽象，磁路中磁力線的走向是學(xué)生較難理解的問(wèn)題。隨著科技發(fā)展，有限元方法在電機(jī)仿真應(yīng)用中起著越來(lái)越重要的作用，有效彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足，加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜電磁理論的理解，是對(duì)當(dāng)前課堂教學(xué)的補(bǔ)充和完善。目前用于電機(jī)有限元分析的軟件主要有Ansys，F(xiàn)lux，JMAG和MAGNET。以24槽4極永磁電機(jī)為例，通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行前處理結(jié)構(gòu)建模、剖分，后處理仿真分析，得到電機(jī)結(jié)構(gòu)剖分圖和磁場(chǎng)分布如圖1所示，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)。用以上有限元軟件，可將抽象的電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以圖形和動(dòng)畫形式直觀展示，極大方便了學(xué)生對(duì)電機(jī)電磁現(xiàn)象的理解，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)前電機(jī)新技術(shù)和新材料快速發(fā)展，知識(shí)日益更新，結(jié)合電機(jī)最新發(fā)展技術(shù)前沿，利用目前流行的有限元軟件輔助電機(jī)分析，讓學(xué)生成立課外興趣小組，以三相異步電機(jī)設(shè)計(jì)仿真與實(shí)驗(yàn)為典型案例教學(xué)訓(xùn)練項(xiàng)目，同時(shí)引入特種電機(jī)的設(shè)計(jì)仿真與實(shí)驗(yàn)課題，鼓勵(lì)學(xué)生參與教研項(xiàng)目活動(dòng)。通過(guò)案例教學(xué)輔導(dǎo)，完成電機(jī)的資料收集、方案設(shè)計(jì)、性能分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理、撰寫報(bào)告等一系列工程化訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)，同時(shí)滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證提出的“運(yùn)用綜合知識(shí)解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求，提高學(xué)生的理論和實(shí)踐水平，為今后走上工作崗位奠定基礎(chǔ)。

4結(jié)語(yǔ)

電機(jī)學(xué)課程內(nèi)容涉及學(xué)科門類廣、知識(shí)多，理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)。本文首先介紹了借助實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)互補(bǔ)的教學(xué)方法。然后由工程問(wèn)題入手，通過(guò)課堂教學(xué)方法的不斷改進(jìn)，將課堂教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起。最后通過(guò)案例教學(xué)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

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作者：王明杰 劉勝 武潔 邱洪波 金楠 單位：鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院