新工科背景下電氣工程專(zhuān)業(yè)課問(wèn)題探索型教學(xué)方法探究

郭凱凱 李敬兆

摘? 要：為了滿(mǎn)足新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)提出的更高需求，以工科院校培養(yǎng)高素質(zhì)人才作為研究目標(biāo)，針對(duì)電氣工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)及現(xiàn)在課程教學(xué)中的不足，以“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)為例，提出以計(jì)算思維為基礎(chǔ)的問(wèn)題探索型教學(xué)方法，此方法通過(guò)不同的調(diào)速系統(tǒng)之間的對(duì)比，尋找運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)間存在的聯(lián)系，以運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在問(wèn)題的解決為主線，開(kāi)展教學(xué)工作。該教學(xué)法既能提升基礎(chǔ)理論知識(shí)傳授質(zhì)量，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。學(xué)生不僅可以更好的掌握課程的相關(guān)知識(shí)，還可以通過(guò)學(xué)習(xí)構(gòu)建知識(shí)框架、提高解決未來(lái)發(fā)展出現(xiàn)的問(wèn)題的能力。通過(guò)此課程教學(xué)得到的體會(huì)對(duì)其他工科理論課程的教學(xué)工作也有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}探索型教學(xué)方法;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);創(chuàng)新能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）06-0102-03

Abstract： In order to meet the higher demand for talent training in the new engineering background， and improve the cultivation of high-quality talents in engineering colleges， according to the characteristics of electrical engineering and the shortcomings in the current curriculum teaching， a problem exploration teaching method is proposed， which takes computation as the basic thinking， and the solution to the problem of the motion control system as the main program. The course of "Electric Power Drag Automatic Control System" is taken as an example， to compare with different speed control systems，and the relationship between different motion control systems is analyzed. The method can not only improve the teaching quality of basic theoretical knowledge， but also cultivate students' innovative thinking and innovative ability. Students can not only master the relevant knowledge of the course better， but also learn to build a knowledge framework and improve their ability to solve problems in the future. The experience gained through the teaching of this course is also useful for the teaching of other engineering theory courses.

Keywords： problem exploration teaching method; motion control system; creativity ability

引言

隨著“中國(guó)制造2025”、“一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“人工智能”等重大國(guó)家戰(zhàn)略及“新工科”概念的提出，對(duì)工科專(zhuān)業(yè)大學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求，促使廣大教師對(duì)工科知識(shí)和課程體系及能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)有問(wèn)題、具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)人才的培養(yǎng)產(chǎn)生新的思考，以適應(yīng)新工科建設(shè)和發(fā)展的要求。

專(zhuān)業(yè)課是大學(xué)生從事科研或工作奠定專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的課程。通過(guò)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)，可以系統(tǒng)的掌握本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)體系及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)還可以提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力。如何在課堂有限的時(shí)間內(nèi)，針對(duì)不同層次的學(xué)生，構(gòu)建知識(shí)體系是需要關(guān)注的問(wèn)題，值得深入思考。根據(jù)專(zhuān)業(yè)課程特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)和安排，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而更好地完成教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量。因此課堂教學(xué)方法的創(chuàng)新引起了廣大師生的廣泛重視，應(yīng)用科學(xué)的教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)能力型、創(chuàng)新型人才的需要。

根據(jù)《國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中的要求，目前，數(shù)字化和智能化已成為前沿發(fā)展領(lǐng)域，智能制造裝備、智能服務(wù)機(jī)器人等行業(yè)的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?！半娏ν蟿?dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是本科院校電氣工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，具有知識(shí)面廣、概念多、理論性、專(zhuān)業(yè)性、應(yīng)用性和綜合性強(qiáng)、公式推導(dǎo)復(fù)雜的特點(diǎn)，且知識(shí)點(diǎn)間相互滲透銜接。為了使學(xué)生既學(xué)到有用的知識(shí)，又不至于害怕這門(mén)課程，行之有效的教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性的關(guān)鍵，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)。

一、問(wèn)題分析

電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課的課程一般理論性強(qiáng)、難以理解，如果學(xué)生不能很好的理解和掌握專(zhuān)業(yè)課程的內(nèi)容，對(duì)以后的繼續(xù)深造，還是就業(yè)，均會(huì)有諸多不利影響。通過(guò)分析，一方面原因是多數(shù)學(xué)生依賴(lài)性學(xué)習(xí)強(qiáng)，但又因?yàn)閷W(xué)生存在升學(xué)或者就業(yè)壓力，上課不能集中精力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量下降;二是傳統(tǒng)教學(xué)只注重專(zhuān)業(yè)知識(shí)的傳授，很少有學(xué)生會(huì)注意到所授知識(shí)與自己以后發(fā)展的聯(lián)系，培養(yǎng)出來(lái)的工科人才視野相對(duì)狹窄。三是大多數(shù)教學(xué)方法忽略了知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系性的講解，增加了學(xué)習(xí)的難度，消弱了學(xué)習(xí)的興趣及自學(xué)的動(dòng)力。因此，在新工科背景下，如何提高專(zhuān)業(yè)課教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性，提高綜合素質(zhì)是現(xiàn)在教學(xué)面臨的首要問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文根據(jù)電氣工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以“電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，提出了一種研究性學(xué)習(xí)方法，即問(wèn)題探索型教學(xué)方法，它的核心是要改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，以計(jì)算思維為基礎(chǔ)、能力培養(yǎng)為目標(biāo)，它將問(wèn)題自主探索作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要方式，在教學(xué)過(guò)程中，充分地將教師自身的科研工作和教學(xué)工作有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，最大限度地激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，運(yùn)用各種先進(jìn)的教學(xué)手段，合理的設(shè)置教學(xué)內(nèi)容及形式，來(lái)激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)造力，以改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而讓學(xué)生更加靈活地掌握這些基礎(chǔ)知識(shí)，從而完成對(duì)學(xué)生思維方式和學(xué)科架構(gòu)形成引導(dǎo)。在教學(xué)過(guò)程中，以解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題為主線，課堂教學(xué)逐層深入，讓學(xué)生通過(guò)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題來(lái)進(jìn)行課程知識(shí)的學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才奠定基礎(chǔ)。

二、問(wèn)題探索型教學(xué)方法研究

要合理的設(shè)計(jì)每堂課的教學(xué)思路，首先備課要充分，教師要清楚學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容，要明確讓學(xué)生明白為什么要學(xué)習(xí)這門(mén)課程，需要用多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，及學(xué)習(xí)本課程后對(duì)自己以后的發(fā)展有什么用。

然后，教師需要進(jìn)一步確定在課堂上通過(guò)哪些具體的教學(xué)策略及內(nèi)容來(lái)提高學(xué)生的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法，設(shè)計(jì)適合不同層次學(xué)生的知識(shí)框架。著力引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)、思路和方法，教師豐富的科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有利于與學(xué)生產(chǎn)生共鳴，從而圍繞關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)討論，使學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)到要學(xué)些什么，怎么學(xué)。

針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊、自學(xué)能力、學(xué)習(xí)目標(biāo)不同的問(wèn)題，教師應(yīng)該深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)，課后提供必要的幫助。課堂上給予學(xué)生思考時(shí)間的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，通過(guò)建立基本知識(shí)點(diǎn)、小知識(shí)點(diǎn)以及衍生知識(shí)點(diǎn)幫助學(xué)生構(gòu)建課程的知識(shí)框架，設(shè)立自己的目標(biāo)，進(jìn)而建立自己的知識(shí)體系及思維方式。

針對(duì)學(xué)生對(duì)課上提的問(wèn)題采取消極不思考態(tài)度的問(wèn)題，教師應(yīng)多反思自己的課堂講授內(nèi)容、課堂用語(yǔ)，多關(guān)注學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，在課堂上營(yíng)造敢于質(zhì)疑老師，敢于向固有理論挑戰(zhàn)的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的批判主義精神。

最后教師需要考慮對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行綜合而全面的反思，以長(zhǎng)期培養(yǎng)人才的態(tài)度對(duì)待授課，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

三、實(shí)踐結(jié)果

問(wèn)題探索型教學(xué)方法是一種思維方式和解決問(wèn)題的思路，并不是純粹在教學(xué)過(guò)程中講述一些知識(shí)，而是不斷引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)他們養(yǎng)成不斷思考和不斷質(zhì)疑的習(xí)慣。

1. 興趣是學(xué)習(xí)的源動(dòng)力，如果對(duì)課程一點(diǎn)興趣都沒(méi)有，只是被動(dòng)地接收知識(shí)，學(xué)習(xí)效率不會(huì)高，難以取得良好的學(xué)習(xí)效果。教師應(yīng)該積極引導(dǎo)學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)《中國(guó)制造2025》提出的大力支持高檔數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展，讓學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)知識(shí)的重要性。對(duì)課程學(xué)習(xí)的理解上升到專(zhuān)業(yè)需求的高度，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)欲望，提高學(xué)習(xí)效率。

2. 學(xué)生的學(xué)習(xí)需要自己建構(gòu)，教師以提高學(xué)生的綜合能力為主，凝練教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生掌握知識(shí)的系統(tǒng)性。“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是在電路與磁路的基礎(chǔ)上，以運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論與分析方法為重點(diǎn)，根據(jù)課程特點(diǎn)，要讓學(xué)生改變接受式學(xué)習(xí)方式，就應(yīng)該讓學(xué)生積極地參與問(wèn)題的討論和解決。從學(xué)習(xí)過(guò)程的探究性入手，在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生不斷地提出新問(wèn)題，在探索中學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更多思考的空間。只有經(jīng)過(guò)學(xué)生主動(dòng)的思考，加深對(duì)問(wèn)題的理解，才能真正的理解、掌握知識(shí)、加深印象。

3. 激活思維、質(zhì)疑問(wèn)題是知識(shí)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。教師要引導(dǎo)學(xué)生將不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，使學(xué)生養(yǎng)成比較學(xué)習(xí)的習(xí)慣。通過(guò)采用此教學(xué)方法，促使學(xué)生養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣，使他們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)和工作過(guò)程中多思考、敢質(zhì)疑，使其成為國(guó)家需要的高科技人才。教學(xué)的源動(dòng)力在于教師的創(chuàng)新觀念和創(chuàng)新方法，教師必須關(guān)注課程的最新研究狀況，在教學(xué)中主動(dòng)結(jié)合科研，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重新建構(gòu)，在授課時(shí)傳授傳統(tǒng)知識(shí)的同時(shí)，教授學(xué)生書(shū)本上沒(méi)有的新知識(shí)、新理論，使教學(xué)內(nèi)容具備一定的前沿性。

4. 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，許多如精品課程、微課、MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等在線教育課程興起，PPT課件是現(xiàn)在課堂教學(xué)必不可少的工具，在課件中加入圖片、聲音和動(dòng)畫(huà)等多種媒體，教師應(yīng)該做利于教師教學(xué)的課件，輔助于“教”，利于學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)。根據(jù)學(xué)生的理解程度，安排所要講解的內(nèi)容，可以在線觀看相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的梳理，講解重點(diǎn)、難點(diǎn)，展示公式、理論的推導(dǎo)過(guò)程，把計(jì)算思維的形成發(fā)展傳授給學(xué)生，并進(jìn)行適當(dāng)拓展和延伸，提高課堂效率，加深理解和知識(shí)體系的掌握，進(jìn)而逐步培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

以電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程中第二部分交流調(diào)速系統(tǒng)為例進(jìn)行分析：（1）提出問(wèn)題：為什么要開(kāi)發(fā)交流調(diào)速系統(tǒng)？在學(xué)生展開(kāi)思考的同時(shí)，針對(duì)之前學(xué)習(xí)的直流調(diào)速系統(tǒng)的知識(shí)進(jìn)行回顧，指出直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，引出交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性;（2）交流調(diào)速系統(tǒng)如此優(yōu)越，為何最近40年才開(kāi)始發(fā)展？引出發(fā)展中所受到的限制，進(jìn)而學(xué)習(xí)交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域;（3）進(jìn)行交流調(diào)速系統(tǒng)分類(lèi)和調(diào)速方法的概述，引出本部分學(xué)習(xí)的主線：重點(diǎn)內(nèi)容是異步電動(dòng)機(jī)采用變壓變頻調(diào)速控制方法，如何構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制？以性能提高為主線：性能一般的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，性能一般的閉環(huán)系統(tǒng)，高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。（4）進(jìn)行高動(dòng)態(tài)性能交流調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)學(xué)習(xí)，包含異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換，異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，整個(gè)第二部分的學(xué)習(xí)需16學(xué)時(shí)完成。

以含異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換2課時(shí)的學(xué)習(xí)為例：（1）思考問(wèn)題：異步電動(dòng)機(jī)通電之后如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)？引出異步電機(jī)的工作原理的學(xué)習(xí);（2）從機(jī)械特性出發(fā)學(xué)習(xí)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，分三步走：異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路（在一定的轉(zhuǎn)差率下電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性）;機(jī)械特性（電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（或轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系）;兩種調(diào)速方法：調(diào)壓調(diào)速，變頻調(diào)速。其中每種調(diào)速方法的機(jī)械特性，工作效率，思考背后的物理原因。在整個(gè)過(guò)程中，以學(xué)生的自主思維為基礎(chǔ)，不斷的深入。

通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)有了顯著提高：

（1）熟練的掌握Matlab等仿真軟件，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

（2）提高了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)際問(wèn)題的能力。

（3）提高了發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。

（4）養(yǎng)成探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

（5）提高了獨(dú)立自學(xué)能力。

（6）提高了計(jì)算能力。

（7）培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

四、結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足新時(shí)期“新工科”對(duì)大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的現(xiàn)實(shí)需求，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)在課堂教學(xué)存在問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了以計(jì)算思維為基礎(chǔ)的問(wèn)題探索型教學(xué)方法。教師要本著學(xué)以致用的原則，主動(dòng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，及時(shí)更新授課理念、授課方式和內(nèi)容，注重學(xué)生全面素質(zhì)的提高，此教學(xué)方法不僅可以有效地解決教學(xué)上的問(wèn)題，還可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好的理解所學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。相信通過(guò)教學(xué)方法的不斷改革，可以為國(guó)家培養(yǎng)出適合時(shí)代發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才！

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