《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》理論、仿真、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式改革探索

朱一昕 樊啟高 盧聞州

摘要：《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，注重學(xué)生認(rèn)知、實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本文闡述了電機(jī)課程綜合素質(zhì)培養(yǎng)的教學(xué)改革方案及實(shí)施辦法，設(shè)計(jì)了包含基礎(chǔ)理論、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三位一體的綜合型教學(xué)計(jì)劃，通過(guò)改進(jìn)平時(shí)成績(jī)考核體系，進(jìn)一步提升學(xué)生的專業(yè)水平，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

關(guān)鍵詞：培養(yǎng)模式；教學(xué)改革；綜合素質(zhì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）14-0175-02

一、引言

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生提高專業(yè)技術(shù)和技能的基礎(chǔ)核心課程[1-3]。該課程注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，要求學(xué)生能夠掌握并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析機(jī)電行為。課程主要包括電機(jī)和電力拖動(dòng)兩部分內(nèi)容，電機(jī)部分重點(diǎn)講述直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)以及常見(jiàn)特種電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及運(yùn)行特性；電力拖動(dòng)部分主要講述直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的拖動(dòng)原理、調(diào)速方法、控制規(guī)律。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以獲得電機(jī)學(xué)以及拖動(dòng)技術(shù)方面的基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本分析方法以及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能[4]，能夠運(yùn)用基本電磁學(xué)知識(shí)分析各類電機(jī)的工作原理與特性，運(yùn)用力學(xué)、機(jī)械學(xué)知識(shí)掌握各類電機(jī)的拖動(dòng)及調(diào)速方法，為今后深入學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速等后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程涉及電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)等多種學(xué)科，學(xué)習(xí)對(duì)象復(fù)雜，基礎(chǔ)理論豐富，要綜合理解掌握這些知識(shí)，必須對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象也就是電機(jī)有著清晰、深入、正確的認(rèn)知。然而，當(dāng)前的教學(xué)模式仍較為傳統(tǒng)：學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)后立馬開展實(shí)驗(yàn)，盡管這一模式符合課程理論聯(lián)系實(shí)際的初衷，使學(xué)生能夠?qū)﹄姍C(jī)產(chǎn)生定性直觀的認(rèn)識(shí)，但是由于缺乏中間過(guò)渡，容易對(duì)其背后的原理理解不足。所以很多同學(xué)在學(xué)完本門課程后，往往知其然卻不知其所以然，其中很大一部分原因是缺少了從抽象理論到具體實(shí)物的中間環(huán)節(jié)，即認(rèn)知模型的建立。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解以及對(duì)實(shí)際情況的分析能力，可以增加上機(jī)環(huán)節(jié)開展虛擬實(shí)驗(yàn)，利用Matlab、Maxwell等軟件對(duì)各類電機(jī)進(jìn)行建模。學(xué)生在建模過(guò)程中，通過(guò)與理論知識(shí)的聯(lián)系和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，鞏固所學(xué)知識(shí)。

二、培養(yǎng)模式改革內(nèi)容探討

當(dāng)前，《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》綜合成績(jī)的考核方式主要為：平時(shí)作業(yè)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+期末考試，對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)尚存在如下不足：

1.電機(jī)課程考試的思路比較固定，學(xué)生通過(guò)課后作業(yè)和往屆試題的練習(xí)可以取得較好成績(jī)，而學(xué)生對(duì)于求解過(guò)程不甚關(guān)心，從而無(wú)法有效檢驗(yàn)學(xué)生掌握知識(shí)的情況；并且學(xué)生在考試結(jié)束后容易遺忘知識(shí)點(diǎn)，不利教學(xué)。

2.大部分電機(jī)實(shí)驗(yàn)面臨學(xué)員多設(shè)備少的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取多人一組的方式，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況難以從實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)與總結(jié)報(bào)告中得到準(zhǔn)確反映，因此對(duì)自身學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的不足也不能及時(shí)彌補(bǔ)。

3.作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試注重結(jié)果，輕視過(guò)程，很多課后作業(yè)、課堂練習(xí)學(xué)生做對(duì)了，但并沒(méi)有真正掌握，容易產(chǎn)生會(huì)做題就懂電機(jī)的誤判；同時(shí)很多綜合素質(zhì)如創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力以及應(yīng)變能力等無(wú)法得到培養(yǎng)。

上述問(wèn)題比較普遍，但不能涵蓋電機(jī)教學(xué)過(guò)程中的全部問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)诒究齐姎夤こ虒I(yè)電機(jī)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)加入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生自己動(dòng)手，搭建各類電機(jī)模型，并將所學(xué)電力拖動(dòng)技術(shù)作用于電機(jī)模型，驗(yàn)證拖動(dòng)方法的有效性。一方面，上機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備充足，每位學(xué)員可分配一臺(tái)電腦，實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)均等；另一方面，通過(guò)自己動(dòng)手搭建模型可以有效掌握電機(jī)學(xué)知識(shí)，通過(guò)相應(yīng)控制方法的建立可以有效掌握拖動(dòng)技術(shù)。最后，通過(guò)提交仿真報(bào)告，自己歸納總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，掌握更深層次的原理。

教學(xué)改革后，《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程總評(píng)成績(jī)?nèi)杂善綍r(shí)成績(jī)和期末考試兩部分構(gòu)成，但是由于新增上機(jī)仿真環(huán)節(jié)，對(duì)各部分占比重新調(diào)整：實(shí)驗(yàn)成績(jī)15%，仿真成績(jī)15%，綜合評(píng)定20%（出勤、作業(yè)、問(wèn)答等）以及期末考試50%。新增仿真環(huán)節(jié)內(nèi)容包括：（1）直流電機(jī)建模虛擬實(shí)驗(yàn)；（2）直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速虛擬實(shí)驗(yàn)；（3）單相、三相變壓器建模虛擬實(shí)驗(yàn)；（4）三相異步電動(dòng)機(jī)建模虛擬實(shí)驗(yàn)；（5）三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速虛擬實(shí)驗(yàn)；（6）三相同步電機(jī)建模虛擬實(shí)驗(yàn)。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成各仿真任務(wù)，搭建模型后由老師檢查原理圖連接是否正確；運(yùn)行模型，檢查運(yùn)行結(jié)果是否滿足預(yù)期。

2.下機(jī)后，根據(jù)仿真任務(wù)完成相應(yīng)仿真報(bào)告。

由于電機(jī)課程涉及知識(shí)點(diǎn)多，知識(shí)面廣，故對(duì)學(xué)生在知識(shí)的融會(huì)貫通能力上要求較高，不但要掌握電磁學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)的理論知識(shí)，還要熟悉Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)仿真加深對(duì)電機(jī)學(xué)的理解。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)案例分析

以直流電機(jī)分級(jí)起動(dòng)為例，首先給出仿真任務(wù)，由學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)準(zhǔn)備：搭建一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定參數(shù)為PN=22 kW，UN=220 V，IN=120 A，nN=600 r/min，求取滿足起動(dòng)條件的起動(dòng)電阻參數(shù)后搭建仿真。該仿真案例包含學(xué)生前期搭建的電機(jī)模型，并通過(guò)自建分級(jí)起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)分級(jí)起動(dòng)，搭建過(guò)程需運(yùn)用所學(xué)電機(jī)學(xué)與電力拖動(dòng)知識(shí)，包括直流電動(dòng)機(jī)原理、直流電動(dòng)機(jī)分級(jí)起動(dòng)方法；需要觀察記錄的波形包括：直流電機(jī)輸入電壓、電流，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等。該仿真案例為直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速虛擬實(shí)驗(yàn)的前半部分，模型運(yùn)行成功后，由老師檢查并搭建下一環(huán)節(jié)的仿真。后半部分為直流電動(dòng)機(jī)降電壓、串電阻以及弱磁調(diào)速，完成仿真后由老師檢查并登記成績(jī)，下機(jī)后完成相應(yīng)仿真報(bào)告。

開展虛擬實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生對(duì)電機(jī)理論的應(yīng)用能力，其具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）因材施教，開展分層次教學(xué)，為使虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到最佳效果，需要結(jié)合電機(jī)課程的學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)合理設(shè)計(jì)虛擬仿真案例，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合。（2）考核方式靈活多樣，可以更好地鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行更多的嘗試；同時(shí)，仿真模型的搭建過(guò)程即既是學(xué)生復(fù)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，通過(guò)這種方式使學(xué)生反復(fù)鞏固所學(xué)知識(shí)。（3）學(xué)生下機(jī)后可在自己電腦上復(fù)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，不必借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備并可反復(fù)進(jìn)行，方便學(xué)生課后相互討論，同時(shí)仿真模型各部分參數(shù)可直接觀測(cè)，較物理實(shí)驗(yàn)方便?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，引入虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的專業(yè)水平。

四、結(jié)束語(yǔ)

伴隨著當(dāng)代工業(yè)化進(jìn)程，電動(dòng)機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，逐步形成了電力拖動(dòng)領(lǐng)域中的傳統(tǒng)技術(shù)；但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力拖動(dòng)技術(shù)又不斷地取得重大突破，形成了一系列速度更快、定位更準(zhǔn)、性能更優(yōu)的調(diào)速技術(shù)，因而需要學(xué)生對(duì)電機(jī)有更準(zhǔn)確、更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)模式以實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生較易掌握定性原理，而對(duì)定量模型認(rèn)識(shí)不足，本文提出的虛擬實(shí)驗(yàn)改革方案正好彌補(bǔ)了這一不足。經(jīng)過(guò)本輪改革的實(shí)踐，調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)該教學(xué)模式的積極性較高，認(rèn)為其較符合當(dāng)代大學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握方式多元化的需求。新培養(yǎng)模式更注重學(xué)生對(duì)于知識(shí)細(xì)節(jié)的領(lǐng)悟，而不是單單靠做練習(xí)題，需要學(xué)生對(duì)電機(jī)這門課程理論以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行更系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，從而提高綜合素質(zhì)，將理論學(xué)以致用。

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