走出課堂的電機(jī)學(xué)教學(xué)探索

何山?張強(qiáng)?艾比布拉·阿布拉?楊健?伊力哈木·亞爾買買提

摘要：電機(jī)學(xué)課程概念復(fù)雜繁多，理論抽象，學(xué)生課下獨立學(xué)習(xí)時難度很大，很難理解和學(xué)習(xí)，除教師在課堂上認(rèn)真授課外，課程組教師結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗對教和學(xué)進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)和探索，積極開辟課外教學(xué)實踐戰(zhàn)場。采用去電機(jī)廠（變壓器廠）參觀實習(xí)、開展電動機(jī)相關(guān)實踐、電機(jī)下線實習(xí)、發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)大修學(xué)習(xí)、搜集利用課外知識、開展科技制作、科研內(nèi)容融入教學(xué)等方法，活學(xué)活用，拓展思維，多管并舉，激發(fā)學(xué)生的主動性，盡量突出教學(xué)內(nèi)容，直觀教學(xué)，簡化教學(xué)方法，幫助學(xué)生輕松學(xué)好電機(jī)學(xué)課程。

關(guān)鍵詞：走出課堂；電機(jī)學(xué)；教學(xué)探索

作者簡介：何山（1974-），男，江蘇金壇人，新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；張強(qiáng)（1976-），男，新疆和靜人，新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授。（新疆 烏魯木齊 830049）

基金項目：本文系新疆自然科學(xué)基金項目（項目編號：2012211A001）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0066-02

電機(jī)學(xué)課程是電氣工程及其自動化以及自動化兩個專業(yè)學(xué)生的骨干必修基礎(chǔ)課程，也是傳統(tǒng)的“三電”課程（電路理論、電機(jī)學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)）之一，屬于典型的“攔路虎”課程。課程中的電磁場概念繁雜，電機(jī)的類型多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁場不可見，十分抽象。同時課程理論結(jié)合實際緊密，既有豐富的理論，又有大量實驗，課后作業(yè)計算公式較多，多數(shù)學(xué)生對電機(jī)磁場的產(chǎn)生以及分析時的非線性、電機(jī)眾多部件的旋轉(zhuǎn)、電磁場的交變或者旋轉(zhuǎn)，缺乏想象思維，難以理解，而教師在課堂的講授上也存在一定的難度，[1]課后學(xué)生獨立學(xué)習(xí)時難度也較大。為克服這一困擾師生的老大難問題，教學(xué)之余，課程教學(xué)實驗團(tuán)隊富有經(jīng)驗的老教師帶領(lǐng)新同志，專門針對這一專題進(jìn)行了多次討論，教師在課堂上認(rèn)真講授的同時，總結(jié)了課堂外大家多年的教學(xué)經(jīng)驗和體會，分類得出了以下幾點做法，與大家共享。[2]

一、電機(jī)廠（變壓器廠）參觀實習(xí)

教師帶領(lǐng)學(xué)生去特變電工股份有限公司（新疆電機(jī)廠）參觀實習(xí)，現(xiàn)場觀察電機(jī)、變壓器的生產(chǎn)過程以及全套工藝流程。學(xué)生看到了套裁沖剪硅鋼片（小型電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵芯沖片可一次沖出），之后工人疊裝鐵芯，壓緊，制成定子鐵芯半成品；之后，熔融鋁水澆注籠形轉(zhuǎn)子，或者繞制繞線型電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組；最后，裝配軸承、端蓋等，完成電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的裝配。在加電測試前，還需使用兆歐表測量電機(jī)的絕緣性能，加電測試電機(jī)的電氣性能（轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩等），一臺臺電機(jī)就在工人師傅的手中誕生并旋轉(zhuǎn)起來了。變壓器繞制繞組，總裝及加電測試等系列過程和電機(jī)類似，只是高壓測試與常規(guī)的電機(jī)有所不同（一般電機(jī)的電壓較變壓器高壓側(cè)低很多）；學(xué)生參觀了體型龐大的大型電力變壓器，認(rèn)識到鐵芯和繞組是電機(jī)和變壓器的主要共同結(jié)構(gòu)，還目睹了干式變壓器、電弧爐專用變壓器、巨大的變壓器絕緣子串等，經(jīng)過現(xiàn)場參觀，學(xué)生對于電機(jī)和變壓器的結(jié)構(gòu)以及附件等知識有了現(xiàn)場的較全面的感性認(rèn)識。

二、使用透明教具教學(xué)

使用多媒體課件教學(xué)，一些電機(jī)的flash課件可以動態(tài)展示電機(jī)的結(jié)構(gòu)，但是畢竟不是真實的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，還是不夠逼真。所以，在電機(jī)課程建設(shè)過程中，購買了四種主要電機(jī)的透明教具模型（見圖1）。教具體積小，便于攜帶，在課堂及實驗室，教師結(jié)合課程進(jìn)行演示操作，透明教具使電機(jī)的結(jié)構(gòu)一目了然，方便深刻認(rèn)識電機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及眾多部件。教師先給學(xué)生講解電機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，而后學(xué)生觀看教具模型，對照授課內(nèi)容認(rèn)識電機(jī)的各個部件，理解運(yùn)行原理；接著教師指導(dǎo)學(xué)生給電機(jī)模型通電，電動機(jī)可以旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)可以發(fā)出電能，變壓器可以變換電壓正常運(yùn)行，點亮燈泡，這時有同學(xué)發(fā)問：這樣的電機(jī)模型為何不能夠帶動負(fù)載？教師抓住這一機(jī)會，引導(dǎo)學(xué)生思考：因為教具使用的鐵芯材料很少，外殼等很多結(jié)構(gòu)是有機(jī)玻璃材料，鐵芯用量少，磁通量低，繞組導(dǎo)線也很細(xì)（電流較小）。大家立刻意識到了電機(jī)在能量轉(zhuǎn)化過程中，電流和磁場之間的相互作用始終是最重要的內(nèi)容。相比鋼鐵制成的沉重電機(jī)和變壓器實物而言，使用透明教具學(xué)習(xí)，過程直觀明了，學(xué)習(xí)知識直接方便，印象深刻，學(xué)生反映這種方式很好。

三、開展電機(jī)相關(guān)實踐

電機(jī)課程里講授了電機(jī)降壓起動這一知識點，而課程實驗里的電動機(jī)起動是依靠變壓器變壓實現(xiàn)的，沒有實踐實際工業(yè)現(xiàn)場的情況。教師充分利用學(xué)生學(xué)期末的實踐環(huán)節(jié)，開設(shè)了異步電機(jī)低壓啟動柜的安裝實訓(xùn)，根據(jù)學(xué)生自身學(xué)習(xí)的情況選擇制作安裝Y/Δ電機(jī)低壓起動柜（見圖2），電機(jī)正反轉(zhuǎn)等電路，并連接電動機(jī)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。在這一過程中，學(xué)生還可以結(jié)合學(xué)習(xí)按鈕、斷路器、時間繼電器和互感器等具體器件的原理以及使用，熟悉檢測控制器件的原理和使用，進(jìn)行了實際操作。能夠分清主電路和控制回路，按照電工布線的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)接線，認(rèn)真布線，使用綁扎帶綁扎，基本做到布線橫平豎直，熟悉各個器件的安裝、調(diào)試和運(yùn)行。通過這一過程，學(xué)生明確了電機(jī)今后的實際使用場合和控制柜的原理以及設(shè)計制作過程，增強(qiáng)了動手能力，貼近實際，看著自己接線并調(diào)試好的起動柜帶動電動機(jī)正常運(yùn)行，學(xué)生也頗有成就感。[3]

四、進(jìn)行電機(jī)下線實習(xí)

針對民族班同學(xué)開展異步電動機(jī)下線實習(xí)，實習(xí)過程大致分為：繞組設(shè)計計算、繞組繞線、電機(jī)下線、總裝及測試等幾個步驟。首先是對于電機(jī)的繞組進(jìn)行設(shè)計計算。先據(jù)極對數(shù)、電機(jī)槽數(shù)等概念計算極相槽數(shù)、節(jié)距等數(shù)據(jù)；熟悉相帶劃分、繞組單層和雙層的概念、相繞組的連接關(guān)系。第二步制作繞線模，主要是使用繞線機(jī)繞制繞組；第三步，使用下線板、壓腳，在槽底和槽口分別放置絕緣紙，雙層繞組還需放置層間絕緣。然后后下線，槽楔塞在繞組上面，起固定作用。最后連接并檢查繞組連接順序是否正確。第四，上好端蓋以及軸承，使用兆歐表測量電機(jī)絕緣是否滿足，轉(zhuǎn)動正常與否，加電測試。若電動機(jī)下線較滿，槽滿率高，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)正常，轉(zhuǎn)矩（功率）較大，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)動緩慢，帶負(fù)載能力很低。當(dāng)電機(jī)通電轉(zhuǎn)動起來時，同學(xué)們會十分興奮，并因此留下深刻的印象。

五、發(fā)電廠現(xiàn)場學(xué)習(xí)

火電廠和風(fēng)電場每年都會有發(fā)電機(jī)需大修和小修，其他類型的電機(jī)也偶有故障發(fā)生，教師利用新疆大學(xué)距離發(fā)電廠很近（學(xué)校附近兩公里就是紅雁池發(fā)電廠）的便利條件，深入大修現(xiàn)場，帶領(lǐng)學(xué)生在往屆老校友的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)認(rèn)識拆解的大型汽輪發(fā)電機(jī)的各個部件，分清勵磁繞組、阻尼繞組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)子及其附屬部件；深刻了解勵磁（電壓）調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速（頻率）調(diào)節(jié)的重要性，同時還順便了解了發(fā)電廠的鍋爐運(yùn)行以及汽輪機(jī)運(yùn)行等相關(guān)知識，擴(kuò)展了知識面以及課程內(nèi)容，有助于學(xué)習(xí)“微機(jī)繼電保護(hù)”、“電力系統(tǒng)分析”等課程，學(xué)生感到受益匪淺。著名的達(dá)坂城風(fēng)電場距離市區(qū)四十公里，利用節(jié)假日，學(xué)生在風(fēng)電場學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電知識，教師從事科研工作，共同擴(kuò)展了電機(jī)在書本上的內(nèi)容和使用范圍，飽覽了風(fēng)電場風(fēng)光，開闊了眼界，拓展了思維。結(jié)合電廠各種電機(jī)的運(yùn)行狀況和操作崗位，一些同學(xué)深刻學(xué)習(xí)了電機(jī)及其相關(guān)知識，也熟悉和喜愛上了電廠這一工作環(huán)境，畢業(yè)后順利進(jìn)入各類型電廠 ，活躍在新疆自治區(qū)以及全國其他省區(qū)的電力行業(yè)部門。

六、教師科研融入教學(xué)

電磁場不可見，抽象難理解，教師充分利用與變壓器廠及風(fēng)電場的科研項目進(jìn)行研究，利用ANSYS、ANSOFT等軟件仿真電磁場、溫度場及部件的受力（見圖3），把結(jié)果制成PPT或動畫文件，讓學(xué)生直觀看到磁力線穿越氣隙、鐵芯等材料的路徑，電機(jī)繞組、鐵芯中的溫度場分布；通過開設(shè)專題講座，講解達(dá)坂城風(fēng)電場使用的各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。[4]列舉風(fēng)電場的大量發(fā)電機(jī)是異步發(fā)電機(jī)，結(jié)合課本，精講異步電機(jī)的回饋制動：發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行于回饋制動，發(fā)電的同時，從電網(wǎng)吸取無功電流勵磁，向電網(wǎng)輸出有功功率，因而需要增加電容器等進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。還有一些電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)，需要永磁體（釹鐵硼材料）提供勵磁磁場。我國是稀土原料的最大供應(yīng)地，開發(fā)稀土也需要珍惜資源，愛護(hù)環(huán)境等。通過講座，學(xué)生豁然開朗，明白了電機(jī)、電路等課程的相關(guān)性和重要性，今后還可使用MATLAB搭建電路，模擬仿真計算電機(jī)復(fù)雜的暫態(tài)過程，[5]了解了從事科研的基本過程，更加信心十足地學(xué)習(xí)電機(jī)知識。

七、搜集利用課外知識

教師要做教學(xué)的有心人，對工作細(xì)心加耐心也是不可少的。比如教師注意從網(wǎng)上下載收集最新的關(guān)于電機(jī)的小知識，例如三峽電廠的大型發(fā)電機(jī)，“嫦娥三號”上使用的特殊電機(jī)等，大家了解到三峽電廠使用的發(fā)電機(jī)還不是完全獨立設(shè)計生產(chǎn)的，而是與其他國家聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)，就認(rèn)識到我國大型發(fā)電機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)還有一些不足，電機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)含量較高，有一定的困難，需要向他國學(xué)習(xí)，開拓創(chuàng)新。最近新聞報道了東莞一家玩具廠生產(chǎn)出了世界上最小的直升機(jī)玩具，教師就啟發(fā)學(xué)生搜集玩具飛機(jī)所用電機(jī)的相關(guān)知識，還有軍事用途的其他電機(jī)等，學(xué)生很感興趣，反應(yīng)積極、踴躍，有的還專門就此內(nèi)容撰寫了調(diào)查報告；教師還帶領(lǐng)學(xué)生使用攝像機(jī)拍攝電機(jī)的拆裝過程，自制成錄像，上傳課程網(wǎng)站，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的同時，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

八、開展科技制作

大學(xué)生課外科技制作的很多內(nèi)容涉及到電機(jī)的控制應(yīng)用。為活躍學(xué)生課外生活，拓展思維，提高動手能力，課程組教師帶領(lǐng)學(xué)生開展了循跡電動小車制作，DSP電機(jī)控制實驗，PLC對生產(chǎn)線的控制實驗及其他電機(jī)相關(guān)的科技制作，并開發(fā)了本課程的變頻器調(diào)速實驗。部分學(xué)生參加了“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽，獲得了西北賽區(qū)第二名的成績。

九、結(jié)語

以上幾方面，課程組教師在教學(xué)中靈活使用，出發(fā)點在于盡可能減小同學(xué)的學(xué)習(xí)難度和強(qiáng)度，力求深刻全面理解掌握課程的知識點。經(jīng)過長期實踐，同學(xué)們反映：以上做法十分有利于幫助大家理解和體會難點，能明顯縮短學(xué)習(xí)時間，改善學(xué)習(xí)效果?？傊?，只要教師多用心開拓思路，多付出，把工作做細(xì)，從學(xué)生處著眼，俯下身子，踏實做事，就一定能夠想出許多實用的方法，幫助學(xué)生，真正發(fā)揮良師益友的角色作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 章瑋，潘再平.電機(jī)學(xué)課程教學(xué)手段和實踐環(huán)節(jié)的探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報， 2011， 33（4）：78-80.

[2] 王振華，張金霞.電機(jī)學(xué)課程教學(xué)改革探討[J]. 中國電力教育， 2013， （13）：60-61.

[3] 何山，王雪飛.緊缺專業(yè)電機(jī)學(xué)課程教學(xué)建設(shè)探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報， 2010， 32（6）：17-18.

[4] 何山，李勇偉，黃嵩.有限元軟件在電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)， 2008， （3）：45-46.

[5] 杜懌，肖鳳.“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)方法改革探討[J]. 中國電力教育，2012，（21）：52-53.

（責(zé)任編輯：王意琴）