科研反哺教學(xué)在“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中的實(shí)踐

應(yīng)黎明

(武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

0 引言

人才培養(yǎng)與科學(xué)研究是高等學(xué)校的兩大基石，兩者既有一致性，也存在著矛盾。

一方面，教學(xué)與科研兩者相互依存，相互促進(jìn)?！敖潭谎袆t淺，研而不教則空”，教師科研成果的取得，需要長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐，需要豐富的知識(shí)積累；只有不斷進(jìn)行科學(xué)研究、總結(jié)科研成果，才能豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)教材的更新與建設(shè)，提高教師的教學(xué)水平;但研而不教，又枉為高校教師。

對(duì)于綜合性大學(xué)、研究型大學(xué)而言，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)“三創(chuàng)”人才離不開高水平的科學(xué)研究。

另一方面，教學(xué)成果難以短時(shí)間內(nèi)顯現(xiàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)偏軟，而體現(xiàn)高?；蚰骋粚W(xué)科水平高低的評(píng)價(jià)體系往往偏重于科研成果，或多或少弱化教學(xué)，雖然高校非常重視教學(xué)，但高校教師投入教學(xué)的時(shí)間相對(duì)偏少，投入精力不如科研。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要( 2010～2020年) 》提出，要提高高校教師的科研水平，鼓勵(lì)“培育跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的科研與教學(xué)相結(jié)合的團(tuán)隊(duì)。促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)、與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結(jié)合”。如何處理好科研與教學(xué)的矛盾，科研反哺教學(xué)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，同時(shí)促進(jìn)教材的建設(shè)是提高課程教學(xué)質(zhì)量、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。

科研反哺教學(xué)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，不少高校教師做了大量工作，如科研反哺教學(xué)模式的探討及科研與具體課程教學(xué)的融合[1～3]。還有大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)與科研如何做到教學(xué)相長(zhǎng)的一些思想和方法[4]。文獻(xiàn)[5～12]則具體地介紹了各方面在科研反饋教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中所做的有益的探索。

科學(xué)研究是為了認(rèn)識(shí)客觀事物的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律，對(duì)存在的問(wèn)題做深入的研究，往往具有跨學(xué)科與探索求知的特性。因此，科研成果不適宜“直接”轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，課程教學(xué)必須遵循教學(xué)規(guī)律。本文探討了哪些科研成果可以轉(zhuǎn)化為“電機(jī)學(xué)”課程的教學(xué)資源，如何轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化所應(yīng)該遵循的基本原則。

1 科研成果引入教學(xué)環(huán)節(jié)的原則

1.1 有機(jī)融合原則

教師的科研方向通常相對(duì)較為具體，比較集中于對(duì)所從事的學(xué)科的某個(gè)具體科學(xué)或工程問(wèn)題，前沿性和尖端性較強(qiáng)。而人才培養(yǎng)一般需要遵循“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、重創(chuàng)新”的原則，專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃和課程教學(xué)大綱需要遵循一般教學(xué)規(guī)律。因此，很難直接將相關(guān)的科研成果引入課程教學(xué)中來(lái)，否則一方面擠占課程教學(xué)時(shí)間，影響正常的課程教學(xué)。另一方面，由于引入的資源與課程教學(xué)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，不能與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，對(duì)課程教學(xué)不一定會(huì)產(chǎn)生正面影響。因而需要分析相關(guān)科研成果的特點(diǎn)和課程教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容以及專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，確定轉(zhuǎn)化的具體內(nèi)容和方式。引入科研成果同時(shí)考慮其實(shí)用性。相關(guān)的科研成果最好來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際或科技前沿，探索性和創(chuàng)新性強(qiáng)，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的電氣工程學(xué)科相關(guān)問(wèn)題的研究欲望。對(duì)“電機(jī)學(xué)”課程而言，例如講授變壓器勵(lì)磁涌流問(wèn)題時(shí)，結(jié)合科研成果介紹一些新的辨識(shí)方法。

1.2 “深度”原則

科學(xué)研究往往針對(duì)存在的問(wèn)題做深入的研究，研究?jī)?nèi)容相對(duì)教學(xué)內(nèi)容而言肯定是升華的，科研反哺教學(xué)需要教師對(duì)相關(guān)科研成果有所取舍，方能取得較好的效果。就“電機(jī)學(xué)”教學(xué)而言，例如涉及電力變壓器狀態(tài)檢修的科研課題有：研究通過(guò)哪些參量度量變壓器的健康狀態(tài)、研究電力變壓器的檢修策略、研究電力變壓器噪聲控制問(wèn)題、研究電力變壓器噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、傳播的特性等。這些研究課題有一定的深度，而且涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科。將這些科研成果轉(zhuǎn)化為“電機(jī)學(xué)”的教學(xué)資源，應(yīng)該以利于掌握基本內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為出發(fā)點(diǎn)，認(rèn)真考量哪些科研成果可以轉(zhuǎn)化，課程內(nèi)容上哪些知識(shí)點(diǎn)可以進(jìn)一步加深，切忌將科研成果直接搬到課程教學(xué)。再如有關(guān)電力變壓器油中溶解氣體產(chǎn)生機(jī)理和電力變壓器噪聲有源控制算法等與課程內(nèi)容弱關(guān)聯(lián)，就不宜在課堂上講授。

1.3 “寬度”原則

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新知識(shí)和新方法會(huì)不斷出現(xiàn)，需要在處理教材內(nèi)容時(shí)要適度擴(kuò)充，同時(shí)也要注意和其它課程的銜接。另外，需要控制科研成果轉(zhuǎn)化部分與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的比例，這便是“寬度”問(wèn)題。由于學(xué)生接受能力的差異，科研成果引入教學(xué)的尺度不同會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)和效果，所占比例過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果。因此，實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過(guò)程不適宜做很大的改變。需要根據(jù)學(xué)科、教師科研狀況特別是學(xué)生接受能力，構(gòu)建不同層次和結(jié)構(gòu)體系來(lái)逐步實(shí)施。就“電機(jī)學(xué)”而言，我院“電機(jī)學(xué)”課程的學(xué)時(shí)數(shù)相較過(guò)去有所增加，達(dá)到108學(xué)時(shí)，比較充裕，引入一些科研成果壓力較少，因此可以考慮在變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等章節(jié)引入一些相關(guān)的科研成果，這樣做有助于學(xué)生對(duì)電機(jī)運(yùn)行原理及運(yùn)行特性的理解，同時(shí)也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.4 創(chuàng)新性原則

科研成果引入教學(xué)環(huán)節(jié)要注意把握其創(chuàng)新性。隨著電氣工程學(xué)科的不斷發(fā)展，新的理論及應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，需要適時(shí)地把最新研究成果引入到課堂教學(xué)中，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新與補(bǔ)充。結(jié)合理論教學(xué)適時(shí)地引入相關(guān)的科研成果，對(duì)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新性思維習(xí)慣也具有引領(lǐng)作用。

創(chuàng)新性原則是要給學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性的空間，力促學(xué)生自己去思考、想象和設(shè)計(jì)，鍛煉創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力，這些也可以在課堂教學(xué)中體現(xiàn)。例如一般“電機(jī)學(xué)”課程沒有涉及雙饋電機(jī)，可以讓學(xué)生考慮：若繞線式異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)通入一定頻率的交流電，定轉(zhuǎn)子電磁關(guān)系會(huì)如何等等。

2 科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的實(shí)施

科研成果有具較強(qiáng)的前瞻性和尖端性，而本科教學(xué)則有系統(tǒng)性和循序漸進(jìn)的特點(diǎn)，如何處理好兩者的關(guān)系，是科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的關(guān)鍵。以筆者主持完成的科研成果為主，結(jié)合所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)和科研團(tuán)隊(duì)的研究成果，根據(jù)“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容和要求，分析共重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)科研成果進(jìn)行梳理，研究哪些研究成果可以和“電機(jī)學(xué)”課程的知識(shí)點(diǎn)相融合，把握好原則，以適當(dāng)方式將科研成果融入課堂教學(xué)。

2.1 “電機(jī)學(xué)”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)它的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)的運(yùn)行原理和運(yùn)行特性，掌握基本計(jì)算方法和一般運(yùn)行問(wèn)題的分析能力，為學(xué)習(xí)“電氣工程基礎(chǔ)”、“電力系統(tǒng)分析”、“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”等課程打下必要的理論基礎(chǔ)。這要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、電路、電磁方面的理論基礎(chǔ)知識(shí)，且具有一定的空間想象能力和邏輯分析能力。

“電機(jī)學(xué)”重點(diǎn)和難點(diǎn)在于：

(1)電磁理論在電機(jī)中的應(yīng)用——變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁路分析、三相旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)、電樞反應(yīng)理論等。這幾個(gè)難點(diǎn)性質(zhì)基本相同，都對(duì)電機(jī)的分析影響較大。對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析必須運(yùn)用電磁定律，而不同的電機(jī)其磁場(chǎng)分布取決于磁極結(jié)構(gòu)、電機(jī)結(jié)構(gòu)及繞組形式，對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，電樞產(chǎn)生的是三相旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，其分析和推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，而且很抽象，學(xué)生難以理解，電樞反應(yīng)是電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響，主磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)交疊在一起，使得學(xué)生更難理解。

(2)變壓器和電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)和特性——變壓器的運(yùn)行特性相對(duì)容易理解些，而異步電機(jī)和同步電機(jī)較為復(fù)雜。各種電機(jī)均能在電動(dòng)、制動(dòng)、發(fā)電三種狀態(tài)下運(yùn)行，表現(xiàn)出的特性各不相同，且條件不一樣，表現(xiàn)的特性也不盡相同，再如同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性往往和電機(jī)參數(shù)測(cè)量問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生掌握起來(lái)較困難。

(3)變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)非正常運(yùn)行的電磁關(guān)系及運(yùn)行特性——這是讓學(xué)生頗為棘手的問(wèn)題，不知如何去分析。例如變壓器不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)零序電流的問(wèn)題，往往和三次諧波電流混淆。同步發(fā)電機(jī)突然短路過(guò)程分析，涉及相當(dāng)多的電抗概念，學(xué)生掌握有一定的難度。

2.2 科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的若干案例

1)電力變壓器狀態(tài)檢修

筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于電力變壓器的狀態(tài)評(píng)價(jià)、檢修決策和故障診斷方面的研究，取得了較為豐碩的研究成果。電力變壓器的狀態(tài)檢修與故障診斷涉及多學(xué)科，內(nèi)容豐富。如何把相關(guān)的成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源？首先要把握“有機(jī)融合”原則，所選內(nèi)容要有利于學(xué)生理解電力變壓器的運(yùn)行特性，利于理解變壓器非正常運(yùn)行，故障運(yùn)行所表現(xiàn)出的特性。例如電力變壓器變壓器繞組變形問(wèn)題，一是變壓器繞組為什么會(huì)變形，繞組變形后對(duì)變壓器的參數(shù)有什么樣的影響；二是可以通過(guò)什么手段來(lái)檢測(cè)變壓器繞組是否變形等。同時(shí)把握“深度”和“寬度”，如：電力變壓器在短路電流沖擊下繞組受力、變形計(jì)算則不適合在課堂中詳細(xì)講授，頻響法檢測(cè)變壓器繞組變形則涉及其它學(xué)科，無(wú)需詳細(xì)討論。

2)變壓器勵(lì)磁涌流問(wèn)題

”電機(jī)學(xué)“教材中關(guān)于變壓器空載合閘時(shí)的瞬變過(guò)程中勵(lì)磁涌流的特征介紹得較少，這部分內(nèi)容也和后續(xù)”繼電保護(hù)“課程相關(guān)。電力變壓器工作在線性區(qū)域，變壓器鐵芯沒有飽和，其勵(lì)磁電流非常小，差動(dòng)保護(hù)不容易誤動(dòng)，但在一些過(guò)渡過(guò)程中，如正常的空載合閘，外部故障恢復(fù)，變壓器鐵芯容易在暫態(tài)過(guò)程中飽和，產(chǎn)生幾倍甚至十幾倍額定電流的勵(lì)磁涌流，引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。如何讓學(xué)生直觀了解勵(lì)磁涌流的特征，筆者先通過(guò)實(shí)測(cè)的變壓器空載電流展現(xiàn)，對(duì)實(shí)測(cè)電流的頻譜分析，幫助學(xué)生理解勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因、勵(lì)磁涌流的特征。其次，通過(guò)電感參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，展現(xiàn)了電抗參數(shù)和磁通，即磁路飽和程度的關(guān)系，利于學(xué)生理解電抗的概念。同時(shí)結(jié)合相關(guān)的科研，介紹勵(lì)磁涌流的抑制措施。

3)雙饋電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分，異步電動(dòng)機(jī)主要有兩類：鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和繞線型異步電動(dòng)機(jī)。若將繞線式異步電動(dòng)機(jī)的定子直接聯(lián)接到三相對(duì)稱工頻電網(wǎng)上，而轉(zhuǎn)子側(cè)也施加三相對(duì)稱交變電流，就演變?yōu)殡p饋電機(jī)。作為發(fā)電機(jī)，雙饋電機(jī)主要應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流頻率，改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有深入的研究，取得豐碩成果。作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，同樣的，若改變轉(zhuǎn)子電源的頻率可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)只是改變轉(zhuǎn)子側(cè)電源頻率，轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻電源只調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差能量，在調(diào)速范圍比較小的情況下，變頻裝置的容量大為減少，一般為電機(jī)容量的25%～35%，降低了調(diào)速系統(tǒng)的制造成本。

在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的內(nèi)容中，引入雙饋電動(dòng)機(jī)科研成果的內(nèi)容，一方面，介紹雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，會(huì)拓展學(xué)生的知識(shí)面，另一方面，拓展了異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的思路，對(duì)學(xué)生理解交流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系有所幫助。

3 科研成果引入課堂教學(xué)的成效

將相關(guān)的科研成果融入“電機(jī)學(xué)”課堂教學(xué)，最終目的是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容的理解。我們適時(shí)組織了和學(xué)生代表座談交流，收集學(xué)生的意見，同時(shí)對(duì)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)測(cè)評(píng)，了解學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的程度，更好地做好“深度”和“寬度”的把握。在與學(xué)生座談交流時(shí)，確有學(xué)生毫不客氣地提出課堂教學(xué)中“有些拓展的內(nèi)容是不合適的”，有些學(xué)生不感興趣，也理解不了。這就需要我們反思，引入的內(nèi)容是否合適，占用的時(shí)間是否過(guò)多，是否超出學(xué)生接受能力范圍，從而逐步完善。

相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源在“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中總的說(shuō)來(lái)，取得了較好的效果。一方面有助于學(xué)生對(duì)課程重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容的理解，另外有助于提高學(xué)生科研素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新理念。同時(shí)科研成果的多學(xué)科相融合，也有助于提升學(xué)生綜合能力。

4 結(jié)語(yǔ)

科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源需要堅(jiān)持有機(jī)融合原則，適當(dāng)把握其“深度”和“寬度”，同時(shí)兼顧創(chuàng)新性原則。在具體實(shí)踐中，及時(shí)收集學(xué)生反饋的理解和接受情況，不斷總結(jié)完善，使課堂教學(xué)獲得更好的成效。

科研反哺教學(xué)，能夠提高學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，能夠優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容，在提高教師的科研水平和教學(xué)水平等方面也有積極的推動(dòng)作用。