基于專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“電機學(xué)”教學(xué)改革探索

劉穎慧 鄧根清

摘 要 工程教育專業(yè)認(rèn)證對我國工程教育專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量提出了新的要求。為了更好地適應(yīng)人才國際化的要求， 提出了基于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“電機學(xué)”課程教學(xué)設(shè)計和改革。以重視實踐能力、面向應(yīng)用為基本教學(xué)目標(biāo)，提出以成果目標(biāo)做為主線的新的教學(xué)模式，并系統(tǒng)地、全面地給出了理論教學(xué)和實踐考核方式的實施方案。通過教學(xué)改革，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生分析 、解決問題的能力，培養(yǎng)出符合工程專業(yè)教育認(rèn)證要求的學(xué)生。

關(guān)鍵詞 工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn) 電機學(xué) 教學(xué)改革 成果驅(qū)動

中圖分類號：G642文獻標(biāo)識碼：A

0前言

我國于2013 年6月19日獲得《華盛頓協(xié)議》全會全票通過，成為《華盛頓協(xié)議》第 21 個預(yù)備成員。加入《華盛頓協(xié)議》，表示我國獲得認(rèn)證專業(yè)其工程教育水準(zhǔn)和國際工程教育水準(zhǔn)擁有等效性，同時也意味著我們能夠為工程教育類學(xué)生，提供具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“通行證”，為學(xué)生們走向世界打下堅實基礎(chǔ);目前，工程教育專業(yè)認(rèn)證已經(jīng)在我國很多高校開始實施，認(rèn)證工作對我國工程型人才走向國際舞臺具有重大意義。認(rèn)證工作的意義在于借鑒國際工程教育專業(yè)認(rèn)證的優(yōu)秀經(jīng)驗，構(gòu)建出中國工程教育認(rèn)證體系以及質(zhì)量監(jiān)控體系，從而推進中國工程教育改革，進一步提高高校的工程教育質(zhì)量。促進中國工程教育的國際互認(rèn)，提升國際競爭力。

“電機學(xué)”課程是電氣工程及自動化、自動化專業(yè)體系培養(yǎng)中的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系中占有重要地位。通過該課程的 學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生掌握交直流電動機、變壓器、同步發(fā)電機等各種電機的結(jié)構(gòu)、工作原理，在電力系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)的應(yīng)用。該課程是將所學(xué)到的電機的理論知識與工程應(yīng)用聯(lián)系起來的橋梁，是電氣大類專業(yè)學(xué)習(xí)中必不可少的課程之一。該課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，概念抽象，較難理解，計算能力要求較高。傳統(tǒng)電機學(xué)教學(xué)大多是以教師的課堂教學(xué)為主，學(xué)生缺少對電機在實際工程應(yīng)用中的了解，很難將理論與工程應(yīng)用相聯(lián)系。

因此，傳統(tǒng)的“滿堂灌”模式已經(jīng)很難適應(yīng)社會需求，為了進一步跟上當(dāng)前人才國際化的需求，傳統(tǒng)教學(xué)體系和方法的改革勢在必行。

2015 年新版工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)將畢業(yè)要求修訂完善至12條，還特別強調(diào)工程類本科專業(yè)對“解決復(fù)雜工程問題”的要求。

1依據(jù)成果導(dǎo)向，細化和實施課程改革的內(nèi)容

1.1結(jié)合《電機學(xué)》的課程性質(zhì)，對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點

電機學(xué)是電氣專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的橋梁。結(jié)合和“補充標(biāo)準(zhǔn)—電氣信息與電氣工程類專業(yè)”，按照課程性質(zhì)，形成電機學(xué)對應(yīng)畢業(yè)指標(biāo)點支撐 。

1.2結(jié)合“中國工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)”畢業(yè)指標(biāo)點，明確課程教學(xué)目標(biāo)

電機學(xué)課程的主要內(nèi)容是先介紹傳統(tǒng)電機，包括直流電機、變壓器、交流電機和同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過電機內(nèi)部電磁關(guān)系的分析，導(dǎo)出電壓、受力平衡、磁動勢等關(guān)系，從而確定電機的數(shù)學(xué)模型，然后借助數(shù)學(xué)模型來分析電機的各種運行特性。

課程目標(biāo)主要包括能力目標(biāo)和知識目標(biāo)，具體確定為以下五方面。

（1）了解電機的分類和作用，熟知電機的常用材料。掌握直流電機、變壓器、異步電機和同步電機的基本結(jié)構(gòu)、原理和基本分析方法，能正確建立電勢平衡方程式以及轉(zhuǎn)矩平衡方程式，熟知等效電路、相量圖和電壓及磁勢基本方程，對未學(xué)過的電機也具有分析的能力。

（2）能夠建立電機穩(wěn)態(tài)運行時候的數(shù)學(xué)模型，能測量、計算該模型的參數(shù)。能夠利用電機的數(shù)學(xué)模型來計算電機的各變量，如電流、電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和功率等。

（3）能利用電機的數(shù)學(xué)模型進行電機的運行性能分析和計算，能夠?qū)﹄姍C的起動、制動和調(diào)速方案進行選擇和設(shè)計，并進行參數(shù)計算。

（4）具有運用仿真軟件來完成電機的磁場分析、數(shù)學(xué)模型驗證的能力。

（5）具有自主學(xué)習(xí)電機學(xué)相關(guān)知識以及理論的能力，能針對個人職業(yè)發(fā)展需求，自主深入學(xué)習(xí)電機設(shè)計、電機拖動、電機控制等相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，適應(yīng)畢業(yè)后的發(fā)展需要。

1.3結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，修訂課程教學(xué)內(nèi)容

在湖南工業(yè)大學(xué)2019版新修訂的培養(yǎng)計劃中，電機學(xué)課程共有64個學(xué)時，其中，理論教學(xué)56學(xué)時，實驗8學(xué)時。56學(xué)時理論教學(xué)主要用于對電機學(xué)內(nèi)的基本電磁學(xué)、直流電機（包括無刷直流電機）、變壓器、異步電機以及同步電機的基本結(jié)構(gòu)、電磁關(guān)系、工作原理和運行特性等理論知識的講解，課堂講解主要側(cè)重于讓學(xué)生了解和掌握電機的基本電磁關(guān)系，例如磁路的基本概念、變壓器的等效電路、三相繞組磁動勢的計算等。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，8學(xué)時的實驗課主要用來做驗證性實驗，包括直流電機的啟動與調(diào)速、變壓器空載和負載實驗、三相變壓器的組別測定、異步電動機的拖動和同步發(fā)電機的空載與負載實驗，不包含上機建模實驗。根據(jù)“中國工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)”的要求，學(xué)生要能夠具有解決復(fù)雜工程問題的能力，僅僅會啟動和停止電機是遠遠不夠的。綜合考慮，在改革中，將原來的驗證性實驗課時壓縮至4課時，共在理論課內(nèi)設(shè)置12學(xué)時的上機，主要使用有限元仿真軟件按要求構(gòu)建常見電機模型，并根據(jù)該模型觀察各類電機內(nèi)的電磁場分布;計算電機輸出性能和電機各主要參數(shù)之間的關(guān)系;研究不同運行狀態(tài)時，不同負載對電機性能的影響，讓學(xué)生更加直觀、形象地理解電機，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

1.4結(jié)合現(xiàn)代化工具，強化專業(yè)知識綜合運用能力

“綜合運用專業(yè)知識解決電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”是2015年工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的新增內(nèi)容，也是全面考查學(xué)生掌握專業(yè)知識解決實際工程問題能力的有效手段。

在原培養(yǎng)方案中，本課程開設(shè)了一周的，讓學(xué)生親自動手完成一臺電機的拆卸、繞組的繞制、電機檢測和安裝，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。針對“綜合運用專業(yè)知識解決電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”的要求，可以將原“電機結(jié)構(gòu)實訓(xùn)”進一步整合和完善，以全面契合指標(biāo)要求。設(shè)置成具體的電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題教學(xué)與實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié) “三相異步電動機性能分析、電磁設(shè)計與測試、運行”教學(xué)訓(xùn)練項目。

該訓(xùn)練項目需要運用電機學(xué)、電磁學(xué)、機械學(xué)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)等多學(xué)科的基本原理，綜合了多學(xué)科知識，涉及到機械（電機結(jié)構(gòu)、制圖）部分、電機、電磁、檢測、電力電子等多方面的技術(shù)，強調(diào)實際動手能力的訓(xùn)練，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，全方位的鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識解決電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。

“三相異步電動機性能分析、電磁設(shè)計與測試、運行”項目由異步電機的電磁設(shè)計、異步電機的制作及變頻調(diào)速系統(tǒng)三大模塊構(gòu)成，這三模塊分階段進行，時間上相連，便于連續(xù)實施訓(xùn)練。指導(dǎo)教師將學(xué)生進行分組，每小組4～5 人，布置和講解訓(xùn)練任務(wù)、進度安排，小組實行組長負責(zé)制，任務(wù)分工到每個人。該訓(xùn)練的前兩個階段比較簡單，主要訓(xùn)練解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)環(huán)節(jié)，繼承了原“電機學(xué)”課程設(shè)計內(nèi)容，參照國標(biāo) Y 系列異步電動機的設(shè)計要求，針對給定功率、轉(zhuǎn)速（極對數(shù)），對一臺380 V/50 Hz 的中小型三相異步電動機的進行電磁參數(shù)設(shè)計。通過電磁設(shè)計，使學(xué)生熟悉電機的電磁設(shè)計過程、資料的收集和檢索、手冊的查閱環(huán)節(jié)，從而獲得一次較為系統(tǒng)的關(guān)于電機的電磁設(shè)計基本技能訓(xùn)練。為了滿足設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生必須在一周的時間內(nèi)反復(fù)核算，調(diào)整參數(shù)，有一定的難度，但是因為有對應(yīng)的參考資料或參照方案，因此仍屬于比較簡單的工程問題，還沒有完全達到新版專業(yè)認(rèn)證對于“復(fù)雜工程問題”的要求。

為提升項目的復(fù)雜性，引入第三階段。在前兩階段，學(xué)生完成了普通三相異步電動機的電磁設(shè)計、繞制制作與裝配、參數(shù)測試運行的訓(xùn)練。在第三階段，進一步考慮變頻運行條件，使電機設(shè)計過程要解決的問題增加了復(fù)雜性。首先，各小組需要分工查找變頻調(diào)速異步電動機相關(guān)資料，分析變頻電機的設(shè)計步驟與特點，再提出變頻調(diào)速用三相異步電動機的設(shè)計思路。還需要進行變頻調(diào)速的相關(guān)實驗，結(jié)合變頻運行實驗結(jié)果分析，加深對變頻電機設(shè)計與運行的認(rèn)識。學(xué)生經(jīng)過此面向復(fù)雜工程問題的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，經(jīng)過 了 “分析—設(shè)計—核算—改進—測試—運行”等解決工程問題的模擬環(huán)節(jié)，得到了解決復(fù)雜工程問題能力的訓(xùn)練。

在電氣工程及自動化專業(yè)不同方向的學(xué)生中，可以設(shè)置不同的綜合訓(xùn)練項目，例如對電機方向的同學(xué)可以采用上述的“三相異步電動機性能分析、電磁設(shè)計與測試、運行”項目，對電力系統(tǒng)方向的同學(xué)可以采用“同步發(fā)電機電磁設(shè)計、性能分析與測試運行”項目，力求個向的同學(xué)們都能獲得解決本專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力，為今后的再學(xué)習(xí)和就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

2結(jié)語

本文對新版工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的“復(fù)雜工程問題”進行了思考，結(jié)合電氣工程及自動化專業(yè)的培養(yǎng)方案，對原有的“電機學(xué)”課程教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容，進行了一些針對性的調(diào)整，凸顯了出學(xué)生綜合運用專業(yè)知識解決電氣專業(yè)復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。隨著專業(yè)認(rèn)證工作的不斷推進，必將推動專業(yè)教育不斷深化發(fā)展，也將逐漸加深對復(fù)雜工程問題的理解，從而在教學(xué)環(huán)節(jié)中更好的融入對復(fù)雜工程問題的思索，開發(fā)更多、更合理的訓(xùn)練項目，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，增強學(xué)生對行業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。

參考文獻

[1] 陳平.專業(yè)認(rèn)證理念推進工科專業(yè)建設(shè)內(nèi)涵式發(fā)展[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014（01）：42-47.

[2] 蔣宗禮.工程專業(yè)認(rèn)證引導(dǎo)高校工程教育改革之路[J].工業(yè)和信息化教育，2014（01）：1-P+12.

[3] 曲建光，楊金玲，李秀海，曹先革，張為成.對中國高等工程教育專業(yè)認(rèn)證的認(rèn)識與思考[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2015，29（S2）：59-61+76.

[4] 支希哲，韓阿偉.高等工程教育專業(yè)認(rèn)證的問題及對策[J].中國高?？萍迹?015（04）：44-47.

[5] 萬林林，伍俏平，鄧朝暉.工程教育專業(yè)認(rèn)證下機械制造裝備設(shè)計課程改革[J].當(dāng)代教育理論與實踐，2015，7（S4）：40-42.

[6] 陳耿彪，杜榮華.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的機械類專業(yè)課程實踐教學(xué)[J].教學(xué)研究，2015（01）：108-109.