基于創(chuàng)新與工程環(huán)境的“電機學(xué)” 教學(xué)改革與實踐

張立富 呂東方

摘 要：“電機學(xué)”是電氣專業(yè)的一門主干專業(yè)課，與多門專業(yè)課程聯(lián)系緊密，由于該課程具有概念抽象、公式繁多、計算復(fù)雜、實踐性強等特點，因此該課程的教與學(xué)都存在較大難度。針對存在的問題，提出了基于創(chuàng)新與工程環(huán)境的電機學(xué)教學(xué)模式，在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及實踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行有益的嘗試，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，效果較好。

關(guān)鍵詞：電機學(xué)；校企聯(lián)合；改革與實踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）03-0048-02

“電機學(xué)”是電氣工程類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它既可以是一門獨立的專業(yè)課（針對電機專業(yè)學(xué)生），又可以作為后續(xù)各專業(yè)課的基礎(chǔ)課而設(shè)置（針對電氣類其它各專業(yè)學(xué)生）。既是電力系統(tǒng)專業(yè)的核心，也是電氣工程學(xué)科的基石?！半姍C學(xué)”的課程特點是理論性強、概念多且抽象、知識面涵蓋廣泛，涉及電磁學(xué)、熱力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、電路理論、絕緣與材料、機械學(xué)等眾多學(xué)科，與工程實際聯(lián)系密切。學(xué)生學(xué)習(xí)時常常感到頭緒繁亂、入門難，融會貫通更難。如何讓學(xué)生深入理解并靈活掌握這門課程的教學(xué)內(nèi)容就顯得尤為重要，本文主要介紹了基于工程背景與創(chuàng)新激勵的“電機學(xué)”課程教學(xué)模式改革與實踐。

一、“電機學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

（一）理論教學(xué)相對于實踐教學(xué)的比重偏高

首先，在教學(xué)過程中，基于對理論的完整性、知識的系統(tǒng)性考慮，常常要介紹大量繁瑣的理論知識及公式推導(dǎo)[1]，造成理論分析與實際工程應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，針對性不強，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，在教學(xué)方法上，常常采用以教師為主導(dǎo)的填鴨式教學(xué)，課堂氣氛不夠活躍，學(xué)生聽得昏昏欲睡，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。另外，學(xué)生實踐鍛煉的時間偏少，學(xué)生分析問題和解決問題的能力難以有效提高，造成大部分的畢業(yè)生的創(chuàng)新能力和動手能力缺乏，也難以滿足相關(guān)的工作崗位和社會需求。

（二）實踐教學(xué)手段單一，理論和實際相脫離

實踐教學(xué)手段單一是導(dǎo)致學(xué)生實踐能力不強的重要因素之一。電氣專業(yè)對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握基本理論、具備基本知識和技能并能夠勝任生產(chǎn)、科研等工作的應(yīng)用性人才，其對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)有較高要求，但在具體的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)中，往往會受到一些軟硬件條件，如師資力量、實驗經(jīng)費等的局限，很難實現(xiàn)實踐教學(xué)手段的多樣化。同時，由于實驗設(shè)施不夠完備或者實驗教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置過于簡單也會導(dǎo)致理論教學(xué)與生產(chǎn)實際相脫節(jié)的現(xiàn)象，學(xué)生根據(jù)確定的原理，按照固定的實驗步驟和實驗手段得到確定的結(jié)果。在這樣的實驗教學(xué)模式中，盡管學(xué)生也有動手實踐的機會，但留給學(xué)生獨立性的思考和想象空間并不多，上述問題僅僅通過簡單地增加實驗教學(xué)時數(shù)或者實驗的數(shù)量是無法有效解決的。因此，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，也就限制了學(xué)生實踐能力的培育和提高。

二、“電機學(xué)”課程教學(xué)模式改革與實踐

為徹底改變“電機學(xué)”理論教學(xué)和實踐教學(xué)模式中存在的上文提到的問題，有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，我們進(jìn)行了深入的分析，確立了以提高和強化實踐技能為核心的工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式。

（一）建立“以傳統(tǒng)教學(xué)為主、多媒體動畫+模擬仿真教學(xué)+案例教學(xué)為輔”的教學(xué)新模式

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，授課教師起主導(dǎo)作用，并將對于教學(xué)內(nèi)容的理解在短時間內(nèi)傳授給學(xué)生，該教學(xué)模式很容易使學(xué)生產(chǎn)生依賴心理，直接導(dǎo)致學(xué)習(xí)的積極性和主動性不高[2]。

引入虛擬仿真教學(xué)可以發(fā)揮學(xué)生的教學(xué)主體作用，教師的作用主要體現(xiàn)在提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思路以及適當(dāng)?shù)慕忉屨f明。

在教學(xué)過程中，多媒體動畫的引入可以把抽象乏味的電磁現(xiàn)象、電機運行的基本原理以及特性以直觀具體的形式展現(xiàn)給學(xué)生。

多年的教學(xué)實踐說明，以傳統(tǒng)的教學(xué)方法為主，輔之以適當(dāng)?shù)亩嗝襟w動畫+模擬仿真+工程案例教學(xué)，能夠?qū)⒖菰锓ξ兜恼n堂教學(xué)變得生動有趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量[3]。例如，在講解三相感應(yīng)電動機工作原理時，可采用傳統(tǒng)教學(xué)方式配合多媒體動畫進(jìn)行學(xué)習(xí)，在討論電機的運行性能時則借助MATLAB仿真軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)；再比如，在學(xué)習(xí)直流他勵電動機的調(diào)速時，可借助多媒體動畫演示電動機串聯(lián)不同的電樞電阻時轉(zhuǎn)速的變化，以達(dá)到在學(xué)習(xí)調(diào)速特性之前就建立起感性認(rèn)識的目的，可以有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

另外，在理論教學(xué)中還適當(dāng)引入工程案例，實際案例多來源于工程實踐或者工作面試，例如，在學(xué)習(xí)磁路一章時，引入工作面試案例“在進(jìn)行電機或變壓器的鐵心設(shè)計時，內(nèi)部的工作磁通密度如何選??？”，通過引入與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的工程案例，對于缺乏工程實際經(jīng)驗的學(xué)生來說教學(xué)效果很好，是一種行之有效的教學(xué)模式。

（二）以學(xué)生為主體的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革

1.我們對“電機學(xué)”課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，在進(jìn)一步優(yōu)化原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增設(shè)了綜合性的、設(shè)計性的實驗，縮減了傳統(tǒng)的印證性實驗。綜合性的實驗僅僅給出實驗的目標(biāo)和要求，沒有具體的實驗步驟和實驗電路圖，這是其與印證性實驗的最大區(qū)別。另外，我們還在實驗環(huán)節(jié)增加了計算機仿真教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)個人的實際情況選擇實驗內(nèi)容，設(shè)計實驗方案，進(jìn)行系統(tǒng)的搭建和調(diào)試。另外，在實驗的過程中，學(xué)生之間還可以進(jìn)行角色互換。如，學(xué)生既可以充當(dāng)實驗的操作者，也可以充當(dāng)實驗的設(shè)計者，還可以是實驗的記錄人員，并為后期的綜合測評提供依據(jù)，整個過程在實驗教師的監(jiān)督和指導(dǎo)下完成。通過上述措施極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，鍛煉了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維。

2.為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，課題組還以作業(yè)的形式安排了小型課程設(shè)計。如“基于PWM的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計”、“基于PLC的感應(yīng)電動機起?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計”、“基于單片機的步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)制系統(tǒng)設(shè)計”等與課程教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的設(shè)計題目。在此過程中，基本以學(xué)生為主體，同時在設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容上要考慮到學(xué)生能力的個體差異，既要照顧到一般水平的同學(xué)，也要給少數(shù)優(yōu)秀的學(xué)生發(fā)揮聰明才智的機會。通過這樣目的性很強的實際設(shè)計，會使學(xué)生在方案選擇、硬件構(gòu)建、軟件開發(fā)等方面得到不同程度的鍛煉。通過課程設(shè)計這一實踐環(huán)節(jié)，既考核了學(xué)生對各門專業(yè)課程的掌握程度，也為將來的畢業(yè)設(shè)計打下了扎實基礎(chǔ)。

（三）引入企業(yè)現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)，探索校企聯(lián)合培養(yǎng)人才新模式

在黑龍江大學(xué)機電工程學(xué)院電氣專業(yè)近十幾年的發(fā)展歷程中，學(xué)院與黑龍江省電力企業(yè)（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司和哈爾濱熱電廠）建立了良好的長期合作關(guān)系，“電機學(xué)”課程教學(xué)改革緊緊依托電力行業(yè)優(yōu)勢，與電力企業(yè)簽訂校外實習(xí)基地，安排學(xué)生到相關(guān)企業(yè)參加為期一周的電機組裝及發(fā)電機維修等實踐環(huán)節(jié)。深入企業(yè)生產(chǎn)一線的現(xiàn)場教學(xué)對于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是良性的補充，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先，學(xué)生可以了解到產(chǎn)品的研制過程，產(chǎn)品的研發(fā)采用了哪些新工藝和新技術(shù)；其次，通過現(xiàn)場技術(shù)工人或帶隊教師的講解，可以引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實際。在參觀過程中還可以使學(xué)生深入了解企業(yè)以及企業(yè)對于人才的需求，從而能夠幫助他們制定切實可行的學(xué)業(yè)規(guī)劃，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和企業(yè)崗位需求的無縫對接，探索出一個特色鮮明的基于工程背景的人才培養(yǎng)新模式。

（四）鼓勵學(xué)生積極參與各種科技創(chuàng)新活動，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力

黑龍江大學(xué)機電工程學(xué)院共設(shè)置了電氣工程及其自動化和機械設(shè)計制造及其自動化兩個專業(yè)方向，均屬工科性質(zhì)，對學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力有較高的要求。因此，自建院以來，學(xué)院積極創(chuàng)造各種便利條件，發(fā)動全院教職工積極進(jìn)行各種以學(xué)生為主體的項目指導(dǎo)和申報，鼓勵學(xué)生積極參加各種課內(nèi)外科技活動及項目申報，如：大學(xué)生創(chuàng)新電子設(shè)計大賽、實驗室開放基金項目、金穗杯大學(xué)生創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯大賽、3D（三維）建模大賽等，同時還建立了大學(xué)生創(chuàng)新實驗室，為相關(guān)的創(chuàng)新活動提供一個良好的研發(fā)環(huán)境，并配備不同領(lǐng)域的專業(yè)教師為學(xué)生提供應(yīng)用軟件集訓(xùn)或指導(dǎo)教學(xué)，例如，利用MATLAB或Proteus軟件進(jìn)行電子電路設(shè)計或控制系統(tǒng)的仿真研究，利用SolidWorks或UG軟件進(jìn)行各種電機的三維建模設(shè)計。在黑龍江大學(xué)機電工程學(xué)院教學(xué)的多年實踐中，課題組共完成與“電機學(xué)”課程相關(guān)項目和獎勵有：校級教改重點項目2項、校級教改一般項目1項、國家級大學(xué)創(chuàng)新項目1項、省級創(chuàng)新項目1項。2014年校級第四屆金穗杯三等獎2名；2014年彩格杯工業(yè)設(shè)計大賽省級二等獎1名；2015年黑龍江省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽一等獎1名、三等獎2名；2015全國3D大賽二等獎1名。

三、教改效果

通過上述措施既提高了學(xué)生的電機設(shè)計和應(yīng)用能力，也拓寬了將來的擇業(yè)機會。取得的主要教改成果如下：（1）豐富多樣的教學(xué)方法和手段解決了“電機學(xué)”教學(xué)中存在的“兩難”現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，教學(xué)效果較好。（2）多元化的教學(xué)模式解決了傳統(tǒng)教學(xué)體系中重理論輕實踐的問題， 能滿足高等教育對高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。（3）依托校企合作的行業(yè)優(yōu)勢，有效解決了理論教學(xué)與工程實踐相脫節(jié)的問題提高了學(xué)生工程應(yīng)用及創(chuàng)新能力。（4）以創(chuàng)新競賽為平臺的激勵機制，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，強化實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。通過各種競賽提高學(xué)生的綜合能力和動手能力，實現(xiàn)了以賽促學(xué)、以賽促改的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)：

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