電氣新技術(shù)課程引研于教探討

楊云虎

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類生活品質(zhì)的提高，電氣技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，涌現(xiàn)了許多新技術(shù)，提出了許多新概念，比如新能源發(fā)電技術(shù)，無線電能傳輸技術(shù)，高性能的電機(jī)設(shè)計(jì)與控制、智能電網(wǎng)概念，綠色電網(wǎng)概念等。

筆者以電氣新技術(shù)課程為平臺，結(jié)合自己從事科研工作經(jīng)歷及課程講授經(jīng)驗(yàn)，嘗試將科學(xué)研究融入課堂教學(xué)，以期達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專注力、靈活掌握知識點(diǎn)、多感官學(xué)習(xí)、強(qiáng)化知識的認(rèn)知和理解，從而提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

一、以科研實(shí)例引入興趣點(diǎn)

興趣是最好的老師，能更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生對學(xué)習(xí)對象的一種積極情緒狀態(tài)，是學(xué)好一門學(xué)科的重要心理因素。因此，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，能發(fā)掘?qū)W生的自身內(nèi)在潛力，主動投入到學(xué)習(xí)中，能動地索取知識，這對教學(xué)質(zhì)量的提高有積極的意義[1]。

比如在無線電能傳輸主題講座中，選取美國麻省理工學(xué)院研究人員在2007年用半徑為3mm的銅線纏繞5.25圈、線圈半徑300mm、高度200mm的諧振線圈，采用諧振頻率9.90MHz，在距離2m傳輸時傳輸效率約為40%，距離為1m時傳輸效率可高達(dá)90%。用兩米外的一個電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡[2-3]。講授中并配以圖片和影視展現(xiàn)給學(xué)生，給學(xué)生一種神秘感，且能激發(fā)學(xué)生繼續(xù)深造的愿望或?qū)o線電能傳輸細(xì)支領(lǐng)域的興趣。

在引入科研實(shí)例時，一是選擇具有代表性，或?qū)δ骋患?xì)支領(lǐng)域發(fā)展有重要影響的人和事。二是注重主次詳略得當(dāng)?？蒲惺吕v解時要主次分明、詳略得當(dāng)。三是合理分配教學(xué)時間，不要過多占用重要知識點(diǎn)教學(xué)時間。教學(xué)實(shí)踐證明，以科研事例引入課堂教學(xué)，不僅能吸引學(xué)生的注意力，還能培養(yǎng)學(xué)生具有熱愛專業(yè)、專心科研的精神，起到強(qiáng)化教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的作用。

二、以科研器件和材料觸發(fā)多感官學(xué)習(xí)

人的感官在認(rèn)知世界和改造世界的過程中起著獨(dú)具特色的作用。在課堂教學(xué)中，如果教師能對學(xué)生的感官進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇碳?，則能有效調(diào)動學(xué)生的聽覺、觸覺、視覺等感官的學(xué)習(xí)能力，有助于學(xué)生的多感官綜合學(xué)習(xí)，從而能全方位提升和促進(jìn)學(xué)生記憶力、理解力、專注力和思考力等學(xué)習(xí)能力，能提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的輕松和快樂。因此，實(shí)物展示和過程體驗(yàn)是重要的學(xué)習(xí)手段，對于理解、分析、探究都十分重要[4]。對于電氣工程專業(yè)來說，將科研電氣材料和科研電氣元器件展示給學(xué)生觀察、觸摸和體驗(yàn)，是課堂上傳授知識的有效途徑。

比如在大功率電力電子變流器的主題講座中，筆者在課堂上向?qū)W生展示IGBT、IGCT、IEGT等大功率模塊，以及在功率器件與散熱器之間必須涂抹的導(dǎo)熱硅膠等實(shí)物。教學(xué)實(shí)踐證明，讓學(xué)生看一看、摸一摸以及聞一聞這些實(shí)物，配上通俗的語言“個頭越大，功率越大”，講解開關(guān)器件的功率和散熱之間的關(guān)系,不僅強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)知,還能幫助學(xué)生加深記憶和理解、促進(jìn)思考、提高學(xué)習(xí)效率。

三、科研項(xiàng)目作為主題講座，開拓創(chuàng)新意識

通常企業(yè)技術(shù)開發(fā)、項(xiàng)目開發(fā)是利用已有成熟的技術(shù)和知識、或者從外部引進(jìn)技術(shù)和知識，為生產(chǎn)新產(chǎn)品、新設(shè)備、新裝置而建立新的工藝和系統(tǒng)。科研項(xiàng)目特別是縱向基金項(xiàng)目不同于技術(shù)開發(fā)，而是一種具有探索性、前瞻性、創(chuàng)新性的研究工作。因此，將科研項(xiàng)目作為課程主題講座不僅是與教育部推薦的新工科目標(biāo)一致，更是一種教學(xué)思維方式的變革和創(chuàng)新?？蒲许?xiàng)目是開展科學(xué)技術(shù)研究的一系列獨(dú)特的、復(fù)雜的并相互關(guān)聯(lián)的活動。一個科研項(xiàng)目從選題到結(jié)題要經(jīng)歷文獻(xiàn)查閱、課題確定、項(xiàng)目開展、理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)整理和分析、成果發(fā)表和總結(jié)等一系列過程[5]。這些活動有著一個明確的研究目標(biāo)和預(yù)期成果，必須在一定的時間周期內(nèi)按照科研項(xiàng)目進(jìn)度，依據(jù)研究內(nèi)容完成。

因此，將科研項(xiàng)目細(xì)化和分解的每個過程以及過程實(shí)施中都要求研究人員具有唯一性、獨(dú)特性、能動性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。對科研工作實(shí)施過程中遇到的每個問題都要仔細(xì)分析、研討、實(shí)驗(yàn)，保證下一個過程能順利進(jìn)行。因此將教師的科研工作過程、方法、思維引入到教學(xué)中，可以開拓和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在課堂教學(xué)中，筆者將自己主持的科研項(xiàng)目“電力電子變流器的相位補(bǔ)償控制技術(shù)”以及“高效率無線電能傳輸技術(shù)”等作為電氣新技術(shù)課程的主題講座。比如在講解三線圈能提高無線電能傳輸效率的創(chuàng)新內(nèi)容時，筆者先以“創(chuàng)新來源于細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn)”作為引語。然后講解在對兩線圈建模和理論分析中發(fā)現(xiàn)，如果傳輸距離拉長，無線傳輸效率顯著下降。對于這個問題，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次研討。最終選定在發(fā)射線圈和接收線圈之間加入一個中繼線圈的方案。確定方案之后，研究團(tuán)隊(duì)將工作分解細(xì)化到個人。通過理論分析和與仿真分析得出結(jié)論，三線圈能顯著提高傳輸效率。最后，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了理論的正確。2018年，研究團(tuán)隊(duì)將取得的研究成果以中英文形式發(fā)表了幾篇論文。在論證“創(chuàng)新來源于反復(fù)實(shí)踐”時，筆者例舉了諧振電容的選擇案例。研究團(tuán)隊(duì)剛開始采用一般普通交流電容，可是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，諧振電壓嚴(yán)重畸變，輸出波形和理論分析出入太大。課題組經(jīng)過分析和判斷，普通交流電容寄生電感太大，是造成波形嚴(yán)重畸變的主要原因。課題組購買了不同廠家和不同類型的電容，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，歷時3個月才確定法國蘇倫聚丙烯無極電容作為諧振電容。

教學(xué)實(shí)踐證明,將親身經(jīng)歷的科研項(xiàng)目作為主題講座不僅有說服力和信服力，還能培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、激發(fā)探索新知的意識，同時有助于解決工程應(yīng)用的難題、增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識。

四、科研設(shè)備和實(shí)驗(yàn)平臺服務(wù)教學(xué)

實(shí)踐是人類認(rèn)識世界的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段。教科書的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能滿足電氣新技術(shù)發(fā)展的需要，更會限制創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量[5]。以科研目的建設(shè)的科研設(shè)備和實(shí)驗(yàn)平臺用于教學(xué)是一種創(chuàng)新模式的嘗試。其實(shí)踐內(nèi)容具有科學(xué)性、創(chuàng)新性和先進(jìn)性，符合電氣新技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，能夠提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力。比如在無線電能傳輸課題講座中，筆者利用一個課時帶領(lǐng)學(xué)生參觀了無線能量傳輸實(shí)驗(yàn)平臺、演示了無線能量傳輸過程、介紹了實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和儀器、講解了平臺工作原理。學(xué)生們非常感興趣，很珍惜進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和研究人員一起交流學(xué)習(xí)的機(jī)會。有學(xué)生私下里找老師希望能參與科研活動。

教學(xué)實(shí)踐證明,采用具有創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)既能培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、敢于探索新知的精神，也能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和分析問題的能力、增強(qiáng)協(xié)作意識和獻(xiàn)身科學(xué)研究的意識。

五、科研成果轉(zhuǎn)化教學(xué)素材

如果一本教材或者講義用了幾年甚至十幾年都不更新, 這樣的素材顯然跟不上時代的發(fā)展，這也與教育部提出新工科的目標(biāo)相悖。科研成果應(yīng)用于教學(xué)可以將實(shí)際問題搬上講臺，不僅能引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識解決實(shí)際問題，還能培養(yǎng)學(xué)生增強(qiáng)科研興趣，激發(fā)課內(nèi)學(xué)習(xí)和課外探索興趣，拓展科學(xué)視野等。

因此，筆者結(jié)合自身科研工作，歸納和總結(jié)了近10年主持和參與的科研項(xiàng)目，將取得的科研成果、參加的學(xué)術(shù)會議、課題小組科研討論、團(tuán)隊(duì)課外活動等內(nèi)容，編入教學(xué)大綱以及電氣課程建設(shè)和教改建設(shè)中。將科研成果轉(zhuǎn)化為畢業(yè)論文、課程設(shè)計(jì)、學(xué)術(shù)講座、科技創(chuàng)新等素材。

例如，筆者將自己的科研項(xiàng)目“高效率無線電能傳輸技術(shù)”取得的科研成果轉(zhuǎn)化為畢業(yè)設(shè)計(jì)素材。筆者將成果細(xì)化以下幾個部分：(1)電路拓?fù)溲芯颗c建模，仿真和理論分析；(2)高效率諧振線圈本體設(shè)計(jì)以及空間結(jié)構(gòu)對效率和功率的影響；(3)無線電能傳輸系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)；(4)無線電能傳輸系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。通過細(xì)化和分解科研成果，讓四個學(xué)生完成不同側(cè)重點(diǎn)但又相互關(guān)聯(lián)的論文。學(xué)生不僅能和教師討論論文的著重點(diǎn)，又可以和同學(xué)討論論文的相關(guān)聯(lián)部分。具體實(shí)施時，筆者將已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文作為文獻(xiàn)發(fā)給學(xué)生參考；又將正在研究此課題的研究生推薦給學(xué)生，幫助學(xué)生盡快進(jìn)入課程。

在電氣新技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)中，通過多媒體引入大量科研圖片，如研究生在做實(shí)驗(yàn)，老師在指導(dǎo)的照片，展現(xiàn)師生融洽和合作的場景；又如研究生一邊看著示波器，一邊拿著筆記本在認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)，展現(xiàn)研究人員對科研一絲不茍的場景。在參加學(xué)術(shù)會議的照片展示中，不僅展示了與學(xué)術(shù)大牛和業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的交流照片，還展示在主辦城市游玩的照片，既強(qiáng)化了參加學(xué)術(shù)會議交流的重要性，展現(xiàn)了科研的輕松性，也增強(qiáng)了學(xué)生從事科研工作的興趣。

六、結(jié)語

科研是新知識的來源，是教學(xué)質(zhì)量的潤滑劑和推進(jìn)器。將科研引入教學(xué)的集成教學(xué)模式帶來了教學(xué)方式、手段、內(nèi)容以及思維方式的全方位變革，是解決目前教學(xué)手段單調(diào)、學(xué)生整體學(xué)術(shù)氛圍欠佳、專業(yè)認(rèn)知度不足等問題的有效手段之一。高校教師長期堅(jiān)持做科研，不僅能拓寬眼界、增長學(xué)科知識，而且能有效地變革教學(xué)，找到教學(xué)的信心和動力，提升教學(xué)水平。學(xué)生走進(jìn)科研、接觸科研、參與科研，在科研氛圍中不斷熏陶，能增加學(xué)習(xí)興趣、提高創(chuàng)新能力、塑造獨(dú)立思考能力的品質(zhì)。這種集成教學(xué)模式能夠明顯提高教師的授課水平、豐富教學(xué)手段;學(xué)生也能更好地掌握電氣工程專業(yè)涌現(xiàn)的新知識和新概念，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，意識到專業(yè)知識學(xué)習(xí)的重要性。