電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)教學(xué)改革探析

郭殿林　姜志成　劉遠(yuǎn)義

摘 要：文章從電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程“教學(xué)模式單一、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣差”的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)教學(xué)改革的策略，即實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，構(gòu)建“慕課—課堂教學(xué)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐”教學(xué)平臺(tái)；完善人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化知識(shí)體系；加強(qiáng)課內(nèi)外實(shí)踐結(jié)合，注重學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)；教學(xué)改革；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2016）12-0005-02

“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”是黑龍江科技大學(xué)電氣自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)后續(xù)“自動(dòng)控制系統(tǒng)”、“現(xiàn)代交流調(diào)速”課程的教學(xué)起承上啟下的作用，但教學(xué)效果普遍較差，有學(xué)者研究認(rèn)為教學(xué)交互的信息流具有不對(duì)稱性與復(fù)雜性。在教學(xué)交互過程中，教學(xué)內(nèi)容信息基本上是流向?qū)W習(xí)者的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流向傳者教師的量[1]。這就是典型的以教師為中心的課堂中師生信息交互的現(xiàn)狀，其最終結(jié)果是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性被大大扼殺，他們對(duì)學(xué)習(xí)感到厭煩，創(chuàng)造性被泯滅，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決實(shí)際問題的能力便無(wú)從談起[2]。另外，教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際結(jié)合不緊密，學(xué)生對(duì)課程不感興趣，課下應(yīng)付考試。為了改變這一局面，我們整合黑龍江科技大學(xué)的教學(xué)資源，對(duì)該課程進(jìn)行了教學(xué)改革，取得了較好的效果。

一、創(chuàng)新教學(xué)模式 完善平臺(tái)建設(shè)

（一）實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式

“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Classroom，也譯為“顛倒課堂”、“反轉(zhuǎn)課堂”）是在信息化環(huán)境下，課程教師提供以教學(xué)視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在上課前完成對(duì)教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源的觀看和學(xué)習(xí)，師生在課堂上一起完成作業(yè)答疑、協(xié)作探究和互動(dòng)交流等活動(dòng)的一種新型的教學(xué)模式[3]。圍繞這一教學(xué)模式，我們開展了“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)設(shè)計(jì)，大力推進(jìn)精品課網(wǎng)絡(luò)視頻平臺(tái)建設(shè)，按照“慕課”的模式將每章節(jié)的重難點(diǎn)內(nèi)容以微課的形式展現(xiàn)，最終采用二微碼掃描的方式鏈接播放，學(xué)生預(yù)習(xí)章節(jié)內(nèi)容時(shí)，采用PBL教學(xué)法[2]，以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，遇到問題時(shí)觀看微課，如無(wú)法解決問題則通過課堂平臺(tái)解決和微信群發(fā)布求助信息。

美國(guó)富蘭克林學(xué)院Robert Talbert教授經(jīng)過多年反轉(zhuǎn)教學(xué)實(shí)踐總結(jié)出目前大家比較認(rèn)可的翻轉(zhuǎn)課堂模型[4]，以此流程為基礎(chǔ)，在教學(xué)實(shí)踐中根據(jù)課程性質(zhì)和教學(xué)需要摸索了一套反轉(zhuǎn)教學(xué)組織流程圖。該教學(xué)流程分為個(gè)人自主學(xué)習(xí)—平臺(tái)探究學(xué)習(xí)—課堂問題探究—學(xué)習(xí)成果匯報(bào)—總結(jié)反饋五個(gè)階段。以此課堂平臺(tái)主要是教師為組織者，學(xué)生帶著問題上課，教師收集共性問題歸納總結(jié)后給出研討內(nèi)容，總結(jié)課程的重難點(diǎn)，在課上師生討論分析，并幫助學(xué)生解決理論與實(shí)踐的問題。

實(shí)踐平臺(tái)主要依托省級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，授課教師帶領(lǐng)學(xué)生做大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備是以視頻的形式出現(xiàn)，學(xué)生要提前觀看相關(guān)儀器的使用說明，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出成績(jī)；實(shí)踐環(huán)節(jié)分為課內(nèi)和課外實(shí)踐，課內(nèi)實(shí)踐統(tǒng)一在省級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心進(jìn)行，在電機(jī)學(xué)課程上完后進(jìn)行。課外實(shí)踐則由任課教師組織利用大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)在業(yè)余時(shí)間開展科研活動(dòng)，最終在課程結(jié)束時(shí)考核。學(xué)生在實(shí)踐過程中遇到問題可以上精品課網(wǎng)絡(luò)視頻平臺(tái)查找資料，平臺(tái)提供了電機(jī)應(yīng)用的參考文獻(xiàn)、成熟的電路圖及程序代碼，學(xué)生登錄去下載并參考設(shè)計(jì)，遇到問題時(shí)可以和群內(nèi)教師交流，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間互動(dòng)的機(jī)制，圖1所示為“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的資源和平臺(tái)設(shè)計(jì)。

（二）注重多種教學(xué)手段的綜合運(yùn)用

以往課堂教學(xué)中教師上課利用一個(gè)PPT，從頭讀到尾，無(wú)法吸引學(xué)生的眼球，無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)運(yùn)用的要求，學(xué)生普遍不會(huì)運(yùn)用仿真分析，無(wú)法適應(yīng)社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才的需求；為此要求課程組教師教學(xué)中大量使用MATLAB、PSIM和虛擬等仿真軟件，通過仿真可以直觀地為學(xué)生分析特性曲線，還可以為學(xué)生展示建模的方法，例如他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)分析，可以搭建仿真模型講解起動(dòng)過程機(jī)械特性、速度和電流變化過程，這樣既能深入地探討研究又能很好地引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB工具解決問題，如搭建他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)模型，可以觀測(cè)電機(jī)起動(dòng)的機(jī)械特性曲線。

（三）改革考核手段

“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程作為本專業(yè)的專業(yè)核心課程，多年以來采用期末考試一張卷作為學(xué)生成績(jī)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)不能適應(yīng)學(xué)生能力的培養(yǎng)，我們綜合考慮理論課、實(shí)驗(yàn)課與實(shí)踐課，理論課占總分的60%，實(shí)驗(yàn)課占20%，實(shí)踐課占20%，理論課考核包括預(yù)習(xí)筆記的成績(jī)和期末考試的成績(jī)，分別為30%和70%的比例。實(shí)驗(yàn)課考核學(xué)生完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的情況，由任課教師指導(dǎo)完成；實(shí)踐課考核學(xué)生完成課外科技活動(dòng)的情況，圍繞電機(jī)方面的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，要求學(xué)生用實(shí)際作品演示，根據(jù)結(jié)果給出總成績(jī)，三人一個(gè)小組，內(nèi)部組員決定各自得到的分值。

二、完善人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化知識(shí)體系

（一）強(qiáng)化基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)

電機(jī)學(xué)的原理從磁路入手，以介紹機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)，深入地闡述了變壓器、直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)和特種電機(jī)的原理，課程的側(cè)重點(diǎn)為電機(jī)的物理本質(zhì)和分析方法。由于學(xué)生沒有開設(shè)電磁場(chǎng)課程，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)電機(jī)學(xué)及拖動(dòng)控制時(shí)，對(duì)于提到的概念和公式不理解，學(xué)習(xí)效果不好。通過在第四學(xué)期開設(shè)電磁場(chǎng)課程，在第五、六學(xué)期分兩學(xué)期開設(shè)電機(jī)學(xué)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)，13級(jí)學(xué)生的知識(shí)體系趨于完善，相對(duì)于12級(jí)的學(xué)生，13級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)扎實(shí)，成績(jī)提高，且具有了學(xué)習(xí)該課程的興趣，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本專業(yè)開設(shè)電機(jī)方面的課程，主要目的是讓學(xué)生掌握電機(jī)原理基礎(chǔ)上控制電機(jī)，為此，我們對(duì)電機(jī)學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了難易點(diǎn)、重難點(diǎn)劃分。我們主要從兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)。一是重點(diǎn)講授電機(jī)的工作原理、主要的電磁關(guān)系、工作特性及電機(jī)的等效電路等，對(duì)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)及磁動(dòng)勢(shì)等部分只做簡(jiǎn)要闡述；二是對(duì)直流電機(jī)的換向等難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講授[3]。這樣既降低了學(xué)習(xí)難度，減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，也不會(huì)影響教學(xué)效果。

（二）加強(qiáng)理論與實(shí)際的緊密聯(lián)系

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和新型材料的問世，一批新型電機(jī)相繼出現(xiàn)并應(yīng)用于實(shí)際，學(xué)生在科研活動(dòng)中圍繞步進(jìn)電機(jī)、直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等開展科技活動(dòng)，但我們教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)在直流有刷勵(lì)磁電機(jī)、交流異步繞線電機(jī)等方面。由于資金等原因，學(xué)生在課外無(wú)法進(jìn)行相關(guān)的綜合實(shí)踐活動(dòng)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為此，我們合理安排教學(xué)時(shí)數(shù)，在講授傳統(tǒng)電機(jī)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加特種電機(jī)理論，指導(dǎo)學(xué)生在課外開展相關(guān)的科技活動(dòng)，使課上與課下的學(xué)習(xí)有機(jī)銜接，學(xué)生帶著問題上課，感覺學(xué)習(xí)不再枯燥。

在電力拖動(dòng)內(nèi)容教學(xué)中將重點(diǎn)放在電機(jī)的機(jī)械特性、電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速過程分析，物理量的變化情況及動(dòng)態(tài)特性的分析上。理論聯(lián)系實(shí)際，采用案例教學(xué)與實(shí)際接軌，分析大功率直流提升系統(tǒng)（2800KW）應(yīng)用于煤礦主井提升系統(tǒng)，分別對(duì)電樞串電阻起動(dòng)和調(diào)壓起動(dòng)進(jìn)行分析；大功率交流變頻系統(tǒng)（540KW）應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，結(jié)合電力電子技術(shù)說明能耗制動(dòng)時(shí)，變頻器通過電阻消耗能量的實(shí)現(xiàn)方式，回饋制動(dòng)采用前級(jí)PWM變換器將直流電變換為交流電的方式；圍繞恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，說明變頻器基頻以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上恒功率調(diào)速；使學(xué)生對(duì)課程前后知識(shí)點(diǎn)的銜接以及體系內(nèi)課程知識(shí)的融會(huì)貫通起到了催化劑的作用，為后續(xù)“自動(dòng)控制系統(tǒng)”等課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

三、加強(qiáng)課內(nèi)外實(shí)踐結(jié)合，注重創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

（一）創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，在第五學(xué)期學(xué)完電機(jī)學(xué)課程后，依托省級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心，安排了電機(jī)制作實(shí)踐課程。在設(shè)定好異步電機(jī)設(shè)計(jì)要求后，給學(xué)生提供機(jī)械構(gòu)件和相關(guān)材料后，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)電機(jī)的參數(shù)，并動(dòng)手制作繞組，完成繞組下線、絕緣鋪設(shè)、電機(jī)安裝、絕緣測(cè)試、空載試驗(yàn)、滿載試驗(yàn)等測(cè)試。通過這樣的實(shí)踐，學(xué)生一方面提高了對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的認(rèn)識(shí)；另一方面，學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合設(shè)計(jì)能力得到了鍛煉。這一實(shí)踐活動(dòng)，體現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

（二）提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力

在綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)過程中，以基本的電力拖動(dòng)控制理論和電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，注重學(xué)生對(duì)實(shí)際的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用能力方面的培養(yǎng)[5]。以

BUCK降壓變換器為主電路，采用STM32單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的定子串電阻起動(dòng)控制系統(tǒng)；單片機(jī)控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器；鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速控制器；鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的Y-△起動(dòng)控制器；設(shè)計(jì)了以DSP為控制器的異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)以及開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)、直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)等特種電機(jī)控制系統(tǒng)。

信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”教學(xué)模式的改革和實(shí)踐，使本課程的教學(xué)水平有了很大的提高，學(xué)生們受益匪淺，理論課成績(jī)提高12%，省級(jí)科研立項(xiàng)比例比前幾年提高35%，電子設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)率比前幾年提高32%。該模式不但培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)的能力，而且提升了學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際應(yīng)用能力，符合應(yīng)用型本科大學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)。同時(shí)該教學(xué)模式也促進(jìn)了教師對(duì)“慕課”本土化的研究和實(shí)踐，促進(jìn)了教師內(nèi)在自我教學(xué)水平的提升和對(duì)教學(xué)的反思，真正實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)，提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)。

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