基于磁懸浮技術(shù)相關(guān)課程建設(shè)的探索

孫津濟(jì)

（1.北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院 北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院 寧波 315800）

引言

磁懸浮是利用磁力使物體處于一個(gè)無(wú)摩擦、無(wú)接觸懸浮的平衡狀態(tài)，磁懸浮技術(shù)原理是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化高新技術(shù)，磁懸浮技術(shù)不僅可應(yīng)用于衛(wèi)星、空間站、飛機(jī)、導(dǎo)彈等航空航天等國(guó)防軍事領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于機(jī)床用電主軸、藥物分離用離心機(jī)、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究的熱門方向[1]。

目前關(guān)于磁懸浮技術(shù)相關(guān)的課程非常少，大多集中在電磁學(xué)理論和可控磁懸浮轉(zhuǎn)子以及主動(dòng)磁軸承基礎(chǔ)及應(yīng)用等，而且多偏重理論方面的推導(dǎo)和介紹，缺少對(duì)磁懸浮技術(shù)的工程應(yīng)用以及如何增加課程的綜合性、可視性以及創(chuàng)新性的描述。況且目前課程通常都是通過講授的方式直接教給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生印象不深，感覺專業(yè)性太強(qiáng)，學(xué)習(xí)時(shí)沒有理解，教學(xué)效果比較差，本文則是希望通過對(duì)課程中增加磁懸浮技術(shù)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生使用磁懸浮技術(shù)中涉及的磁性材料，包括永磁材料和軟磁材料等，利用“搭積木”方式對(duì)磁懸浮技術(shù)中的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行可視化教學(xué)，從而可使學(xué)生對(duì)磁懸浮技術(shù)產(chǎn)生深刻的理解和感受[2]。

一、課程建設(shè)內(nèi)容

（一）課程教學(xué)目標(biāo)

對(duì)于磁懸浮技術(shù)相關(guān)課程中知識(shí)點(diǎn)多、教學(xué)時(shí)間緊，學(xué)生印象不深刻的問題。通過現(xiàn)有教學(xué)模式的研究，設(shè)計(jì)磁懸浮技術(shù)教具演示環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程所受知識(shí)點(diǎn)的直觀認(rèn)識(shí)和親身感受，特別是使學(xué)生要了解體會(huì)到磁懸浮技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的奧妙之處，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，并且可以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[3]。

（二）課程內(nèi)容教學(xué)探索

在基于磁懸浮技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)當(dāng)在參考現(xiàn)有磁懸浮技術(shù)相關(guān)書籍和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橐劳?，有針?duì)性的傳授內(nèi)容，比如，磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)是懸浮，而懸浮的重點(diǎn)是磁浮，因此在講授過程中首先要介紹磁學(xué)的相關(guān)基本概念和定理，以及磁路與電路之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，其次在講授完磁場(chǎng)與磁力之間的關(guān)系后，按照磁力的輸出方向不同，介紹磁懸浮軸承的基本結(jié)構(gòu)，之后按照懸浮物體是靜止還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及直線電機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)和磁路的傳授。根據(jù)具體的應(yīng)用，進(jìn)而介紹磁懸浮軸承用于航天上可以作為慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支承部分實(shí)現(xiàn)航天器的姿態(tài)控制，用在航空可以作為穩(wěn)定平臺(tái)的支承部分實(shí)現(xiàn)航空器的指向穩(wěn)定，用在地面上可以作為高速電機(jī)的支承，進(jìn)而拓展應(yīng)用到磁懸浮壓縮機(jī)、磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮分子泵、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪、磁懸浮電主軸中，除了上述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝備，還可以用于直線運(yùn)動(dòng)的磁懸浮列車，從而在整個(gè)講授內(nèi)容上由淺入深、由簡(jiǎn)入繁的介紹了磁懸浮技術(shù)及其應(yīng)用。

另外，課程應(yīng)本著理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐推動(dòng)理論的原則，將教學(xué)內(nèi)容中加入實(shí)際科研工作中遇到的實(shí)際問題及解決方法，以此不斷激發(fā)學(xué)生的求知欲，并鍛煉其思維能力，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到實(shí)際問題的討論當(dāng)中[4]。

（三）課程教學(xué)方法的探索

在教學(xué)方法中應(yīng)當(dāng)減少或避免純枯燥的理論推導(dǎo)的教學(xué)，以實(shí)際工程應(yīng)用為依托，以國(guó)家重大需求為背景，探求以實(shí)物接觸加深理論推導(dǎo)的模式，對(duì)于所介紹的磁路以及磁路相關(guān)的磁軸承基本結(jié)構(gòu)，均以實(shí)物體的形式進(jìn)行，以增加學(xué)生的直觀感受和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]。

比如講到磁路磁場(chǎng)以及磁力的內(nèi)容，給學(xué)生們演示永磁體對(duì)于導(dǎo)磁材料產(chǎn)生的磁力效果，講到由多個(gè)磁路組成的磁軸承結(jié)構(gòu)時(shí)，將磁軸承結(jié)構(gòu)拆分成多個(gè)模塊，讓學(xué)生們通過“搭積木”的方式對(duì)每個(gè)模塊的磁路構(gòu)成以及整體的磁力實(shí)現(xiàn)有個(gè)直觀的了解和學(xué)習(xí)，比如講授被動(dòng)磁軸承的時(shí)候，根據(jù)永磁體的充磁方向和排列方式的不同，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生手持教具，就可以親身體會(huì)到各個(gè)永磁體環(huán)所受力的大小和方向的不同，以使學(xué)生深刻體會(huì)到永磁體之間的徑向力和軸向力的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)被動(dòng)磁懸浮產(chǎn)生深刻體會(huì)；講到主動(dòng)磁軸承的時(shí)候，讓學(xué)生根據(jù)永磁體、軟磁、電磁線圈的不同排列和組裝形式，“搭完積木”，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生手持教具，就可以親身體會(huì)到轉(zhuǎn)子徑向或軸向所受力的大小，以使學(xué)生深刻體會(huì)到徑向力和軸向力的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)主動(dòng)磁懸浮產(chǎn)生深刻體會(huì)[6]。

另外，通過目前針對(duì)全球疫情所萌發(fā)的新興的線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，可以在線上的教學(xué)模式中，將實(shí)際磁懸浮軸承的加工過程以及裝配和調(diào)試過程在線進(jìn)行演示，線下教學(xué)則結(jié)合演示的視頻進(jìn)行相關(guān)磁懸浮技術(shù)的原理和方法的介紹。

（四）課程考核方式的探索

對(duì)于磁懸浮技術(shù)相關(guān)課程的考核，盡量通過和實(shí)際工程相結(jié)合的方式進(jìn)行，而不應(yīng)完全按照試卷考試的形式進(jìn)行，通過設(shè)計(jì)合理的大作業(yè)考核方式來完成學(xué)生對(duì)于該門課程的理解和掌握，比如關(guān)于磁懸浮技術(shù)的課程的核心仍然是磁，具體的說，是磁路磁場(chǎng)和磁力，因此可以通過課程中對(duì)磁路千變?nèi)f化的形式啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，考核中通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些根據(jù)實(shí)際需求產(chǎn)生的磁路形式進(jìn)行，這樣既可以避免純開卷或閉卷方式帶來的死記硬背的考試弊端，又可以將學(xué)生的創(chuàng)新潛力發(fā)揮出來，并且可以有效達(dá)到讓學(xué)生理解體會(huì)基于磁懸浮技術(shù)課程的目的[7]。

二、結(jié)束語(yǔ)

磁懸浮技術(shù)是一門新興的技術(shù)，對(duì)于其課程內(nèi)容的傳授、教學(xué)方法的模式以及考核方式的策劃均處于探索過程中，本文力求將理論結(jié)合實(shí)際的方式融入課堂，并且將看不見摸不著的磁路磁場(chǎng)和磁力通過機(jī)械結(jié)構(gòu)件，使得學(xué)生通過“搭積木”的方式去實(shí)現(xiàn)，去體現(xiàn)，去復(fù)現(xiàn)，這種教學(xué)方法和內(nèi)容的探索有望使得學(xué)生在充分理解磁學(xué)理論的基礎(chǔ)上，摒棄傳統(tǒng)的枯燥公式的填壓，從實(shí)際國(guó)家重大需求出發(fā)，從實(shí)際工程實(shí)踐中真正理解磁懸浮技術(shù)的精髓，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，進(jìn)而發(fā)揮出學(xué)生潛在的創(chuàng)新性，促進(jìn)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。