如何在工科教學(xué)中滲透科學(xué)素質(zhì)教育

朱顯輝++師楠++蘇勛文++康紅明++胥良

摘要：為進一步提高工科學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，在工科教學(xué)中有意識地滲透科學(xué)素質(zhì)教育理念，文章以三相心式變壓器繞組識別教學(xué)為例，以科學(xué)教育為指導(dǎo)，對繞組識別中涉及到的基本概念的內(nèi)涵、前提和應(yīng)用進行深入講解剖析，以開闊思維的科學(xué)態(tài)度對教材給定方法進行批判性思考和權(quán)衡，通過嚴謹?shù)睦碚撏茢?，總結(jié)出了一套學(xué)生更易理解和掌握的教學(xué)方法，以進一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素質(zhì)教育；教學(xué)；科學(xué)方法；科學(xué)態(tài)度

一、引言

科學(xué)技術(shù)在人類生活領(lǐng)域中發(fā)揮的作用日益顯著，是評價一個國家綜合實力的重要指標(biāo)。為提高本國的綜合實力和競爭力，很多國家都把提高國民的科學(xué)素養(yǎng)作為重要的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。對于高等教育來說，在日常教學(xué)中向?qū)W生主動滲透科學(xué)教育的基本思想，有意識地培養(yǎng)學(xué)生以科學(xué)的方法和態(tài)度解決現(xiàn)實中遇到的問題，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

科學(xué)教育是一種通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識及其社會價值的教學(xué)，讓學(xué)生掌握科學(xué)概念，學(xué)會科學(xué)方法，且懂得如何面對現(xiàn)實生活中的科學(xué)以及對社會的有關(guān)問題做出明智的選擇，以培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)專業(yè)人才，提高全民科學(xué)素養(yǎng)為目的的教育活動。全國人大在1998年制定并頒布的第一部《高等教育法》中明確指出：培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才，發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化，促進社會主義現(xiàn)代化建設(shè)是我國高等教育的主要目標(biāo)。可見，科學(xué)教育不僅與高等教育法的目標(biāo)方向完全一致，也是高等教育法貫徹實行的有益補充。

本文以科學(xué)素質(zhì)教育思想為主線，以電機學(xué)教學(xué)中的難點問題三相心式變壓器繞組識別為例，利用科學(xué)教育的基本思想，從深入剖析繞組識別中涉及到同名端的基本概念入手，秉持尊重自然科學(xué)的客觀態(tài)度，通過嚴謹?shù)睦碚撏茢喾椒?，針對變壓器繞組識別方法的教學(xué)，總結(jié)出一套更易于學(xué)生理解和掌握的教學(xué)方法，以加強工科學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，進一步提高工科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

二、基本概念的深入剖析

概念是人從感性到理性，認識客觀事物過程中所形成的，通過將客觀事情共同特點進行抽象、概括從而形成的概念式表達，也被描述為對特征的獨特組合而形成的知識單元。在工科類高等教育中，基本概念是對課程中涉及的物理現(xiàn)象或規(guī)律的詳細定義或解釋，具有較強的邏輯性和針對性。因此，科學(xué)教育中不僅要重視對相關(guān)概念的詳細講解，同時，為進一步提高學(xué)生對概念嚴苛條件的限制性和具體應(yīng)用的理解，還應(yīng)對概念的成立條件、主要內(nèi)涵和相關(guān)的外延應(yīng)用進行詳細說明。

比如，在三相變壓器的繞組識別涉及到同名端的概念。定義如下：同一鐵心柱上兩套繞組中均呈現(xiàn)正（或負）電位的一端稱之為同名端，給出同名端的意義在于憑借同名端來描述每相繞組的電壓相量，進而給出三相聯(lián)接組別的確定方法。

同名端概念給出的實際前提是，三相變壓器的3個心柱均繞有低壓和高壓兩套繞組，由于高、低壓繞組套在同一個鐵心柱上，且與同一磁通交鏈，在交變磁通變化的瞬間，必將在兩套繞組里產(chǎn)生感生電勢，則兩套繞組中必有一端相對于另一端呈現(xiàn)正電位。從上述定義可知，同名端指的是兩套繞組中電位符號均為正或均為負的一端。

同名端概念的內(nèi)涵體現(xiàn)在對楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律的深入掌握上，由楞次定律可知，感生電流產(chǎn)生磁場實際上起著阻礙原磁通變化的作用，結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律可以容易地給出感生電動勢的大小，進而可以推論得到，對于與同一磁通交鏈的兩個繞組而言，若其繞制方式相同，則兩繞組中正電位的位置必然相同，反之亦然。

通過上述對同名端定義的限制條件和內(nèi)涵的深入剖析，可以引申出同名端概念的具體應(yīng)用。即在給定繞組繞制方式的前提下，可以根據(jù)繞組繞制方式的異同直接明確給出兩繞組的同名端。

以科學(xué)素質(zhì)教育的基本思想為指導(dǎo)，對同名端概念進行深入分析，并明確地對該概念的前提、內(nèi)涵和外延等方面進行了詳細闡述，可以有效地加深學(xué)生對這一概念的掌握程度，為后續(xù)問題的研究奠定基礎(chǔ)。

三、以科學(xué)的態(tài)度分析問題

分析問題的科學(xué)態(tài)度主要包括在尊重實證材料的基礎(chǔ)上，以積極開拓性思維對各種（包括對立的）材料、數(shù)據(jù)或結(jié)果進行批判性觀察、思考和權(quán)衡，并給出客觀評價，最后，以靈活的方法對結(jié)果進行驗證，并積極主動地接受已經(jīng)驗證的結(jié)論。

同樣以變壓器繞組識別教學(xué)為例，三相繞組的聯(lián)結(jié)方法主要有星接和角接。高、低壓側(cè)的星接分別用Y、y（n為中線）表示，是將三個繞組的首端引出，末端聯(lián)接在一起作為中點的聯(lián)接方式；高、低壓側(cè)的角接分別用D、d表示，是將三個繞組首尾依次相連形成三角形，并將三個端點引出的聯(lián)接方式。三相變壓器高低壓側(cè)繞組的實際聯(lián)接方式導(dǎo)致無論采用哪種聯(lián)結(jié)法，高壓繞組和低壓繞組對應(yīng)線電壓的角度差均為30度的整數(shù)倍，因此可用“鐘點法”對其的聯(lián)結(jié)組別進行確定和區(qū)分。鐘點法的基本思想是將高壓側(cè)某一條線電壓作為時鐘的長針，并指向12點方向，將低壓側(cè)相對應(yīng)的線電壓作為時鐘的短針，然后計算高、低壓側(cè)對應(yīng)線電壓之間的角度差，并用鐘點的形式表示兩套繞組電壓相位之間的關(guān)系。

當(dāng)前教材中對三相變壓器繞組識別的方法多數(shù)采用鐘點法，但該方法在兩繞組分別采用星接和角接時，須分別分析兩套繞組相量構(gòu)成的三角形和星型連接方式，不僅比較煩瑣，也沒有給出明晰的識別規(guī)律。

通過對大量實際問題的計算，并對教材繞組識別方法的深入研究?？芍?，不論高壓側(cè)繞組采用星形還是角形接法，基于國標(biāo)規(guī)定，其相序均按A-B-C的順序排列。因此，可首先給出高壓側(cè)繞組相電壓的相量圖，然后觀測同一鐵心柱上兩套繞組所標(biāo)注的同名端是否都是一致，畫出低壓側(cè)電壓的相量圖，若同名端一致，則高低壓側(cè)電壓相量方向相同，反之則相反，最后結(jié)合實際的聯(lián)結(jié)法，找出高低壓側(cè)繞組對應(yīng)的線電壓相量，并基于實際觀測，即對三相繞組的聯(lián)結(jié)組別進行簡單判斷。

可見，通過引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)教材的大量算例進行總結(jié)和分析的同時，跳出教材給定思維框架的限制，并對教材中的方法進行批判性思考和評價，進而可給出繞組識別的簡單、靈活方法。

四、確定聯(lián)結(jié)組別的科學(xué)方法

科學(xué)方法是在認識并改造客觀世界過程中，所遵循和運用的符合一般科學(xué)規(guī)律的方法和手段，指采用符合科學(xué)規(guī)律的程序規(guī)則和技巧思路等方式對理論、應(yīng)用進行研究。簡單地說，科學(xué)方法可泛指人類在任何認識和實踐活動中所運用的全部正確方法。

給出確定三相變壓器繞組識別的科學(xué)方法及具體步驟如下：

1.給出高壓側(cè)相電壓相量圖：以同一中心，按順時針依A-B-C的次序畫出互差120度高壓側(cè)相量圖；

2.標(biāo)注低壓側(cè)相電壓相量：考察高、低壓側(cè)繞組的同名端，若高、低壓側(cè)繞組的同名端均為首端或末端，則同一鐵心柱上的低壓繞組與高壓繞組的相電壓相量方向相同，反之則相反；

3.找對應(yīng)線電壓：以高壓側(cè)A相和B相之間的線電壓UAB為例，分析高壓繞組和低壓繞組的聯(lián)結(jié)法，若為星形聯(lián)結(jié)則UAB為由B相指向A相的相量，若為角形聯(lián)接，則可以直接給出UAB與相電壓UA或UB之間的關(guān)系；

4.給出識別結(jié)果：將UAB作為時鐘的長針指向12點方向，觀測并計算UAB與Uab之間的夾角，給出識別結(jié)果。

五、結(jié)合科學(xué)素質(zhì)教育的算例成果

為對教學(xué)中滲透科學(xué)素質(zhì)教育方法的成效進行總結(jié)和驗證，以《電機及拖動》基礎(chǔ)書中76頁的兩種變壓器三相繞組連接方式為例，可以很容易地得到聯(lián)結(jié)組別結(jié)果為Yy0和Dy11。

本節(jié)分析僅給出了兩個算例，但其中包含了高壓繞組為星形和角形聯(lián)接，并與角形和星形聯(lián)結(jié)的低壓繞組相配合，同時也包括了同名端分別為首——首端和首——末端的情況，具有較好的普遍性。利用前述步驟，完全可以方便、準(zhǔn)確地推導(dǎo)出三相繞組識別的其他情況，鑒于篇幅限制，不再一一列舉和驗證。

綜上所述，工科課程本身就具有概念抽象、理論內(nèi)容難、公式推導(dǎo)復(fù)雜等特點，導(dǎo)致其難教、難學(xué)。如僅采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，很難達到預(yù)期的教學(xué)效果，因此須在教學(xué)中有意識地引入科學(xué)素質(zhì)教育方法，不僅可以改善教學(xué)效果，還能有效提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

因此，教師要將科學(xué)教育思想有意識地引入到工科教學(xué)中，并以變壓器繞組識別為例，從基本概念的深入解析入手，以科學(xué)的研究和教學(xué)態(tài)度為手段，通過科學(xué)的推斷，給出繞組識別的簡單方法，并借此探討了深化學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)其自主創(chuàng)新能力，并提高其科學(xué)素養(yǎng)的有效手段。

參考文獻：

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編輯/宋 宇