以學生為主的“控制電機”課程教學方法

徐金全，郭 宏，吳 靜

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

0 引言

隨著多電/全電技術的不斷引領和推動，控制電機作為自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著系統(tǒng)執(zhí)行和檢測的功能，被廣泛地應用于各種伺服系統(tǒng)和電力驅動裝置中[1]。因此，控制電機已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、科學裝置和武器裝備中必不可缺的重要部件。

目前，國內(nèi)外高校普遍將“控制電機”課程作為電氣工程專業(yè)的專業(yè)必修課程。但是這門課程綜合性強，內(nèi)容涉及電機、控制、機械、電力電子等相關理論和知識，理論復雜抽象[2]。長期以來，該課程以課堂教學為主，以電子課件的形式講解各種控制電機的基本結構、工作原理、性能特點和典型應用，同時根據(jù)教學內(nèi)容開設少量驗證性教學實驗。這種教學方式使學生難以熟練地掌握各種控制電機的特性，學習難度大，造成學生對“控制電機”課程學習的積極性下降[3]。從長遠角度出發(fā)，對我國控制電機方面的人才培養(yǎng)和技術創(chuàng)新是非常不利的。因此，開展基于以學生為主的課堂和實驗相結合的教學方法研究，采用以學生為主、教師為輔的教學形式，結合我校工科的特點，突出“控制電機”課程的教學環(huán)節(jié)，通過“基礎類-綜合類-創(chuàng)新類”三個層次的課程實驗，加強學生對各種控制電機基本原理和特性的理解，培養(yǎng)學生的動手能力、應用能力和創(chuàng)新能力，如圖1所示。

圖1 “控制電機”課程教學體系

1 以學生為主的課堂教學

人才培養(yǎng)是高等教育的基礎，而課程教學是高等教育最重要的環(huán)節(jié)，其直接影響到人才培養(yǎng)的質量。傳統(tǒng)的“控制電機”課堂教學主要采用灌輸式的教學，教師作為教學的主體，講解和傳授各種控制電機的基本結構、工作原理、性能特點和典型應用，學生作為聽眾，被動地消化吸收教師講解的內(nèi)容，缺少獨立思考的空間，使得課堂教學效果不理想，學生興趣不濃厚，主動性差。

為改變傳統(tǒng)的教學方式根據(jù)“控制電機”課程的特點，決定采用以學生為主、教師為輔的教學形式，結合我校工科的特點，在強調(diào)基礎理論教學的同時，突出各種控制電機在實際工程中的作用，增強學生對各種控制電機基本原理的理解，激發(fā)學生對學習本課程的興趣，具體改革措施如下。

1.1 啟發(fā)式教學，激發(fā)學生興趣

教學過程是一個知識傳授的過程，教師講授了知識并不等于學生獲得了相關的知識，學生只有通過自己的思維活動才能真正掌握教師傳授的知識。因此，采用啟發(fā)式的教學方法，激發(fā)學生的興趣，引導學生主動地去思考問題、解決問題，可以顯著地提高學生掌握知識的能力。在“控制電機”的課程教學中，在每章課程內(nèi)容開始講授時，結合相應的工程背景(如航空航天領域)需求，引出各種控制電機產(chǎn)生的原因，存在的問題，激發(fā)學生的興趣，引導學生自主地思考和探索各種控制電機的基本結構和工作原理。啟發(fā)式教學內(nèi)容主要是各種控制電機的應用背景、基本結構和工作原理，占每次課堂教學的30%～40%。

1.2 多媒體教學，加強對知識理解

由于控制電機結構復雜，基本工作原理抽象，傳統(tǒng)的教學方法(板書、掛圖)難以有效地將電機的整個工作過程特性等相關知識傳遞給學生，造成課程內(nèi)容理解困難。而在控制電機的課程教學中，引入多媒體教學，通過SolidWorks等三維軟件更加清晰地展示各種控制電機的內(nèi)部構造等結構特點，利用Ansoft Maxwell等電磁場有限元軟件對控制電機的工作特性、電磁場變化等進行動態(tài)的模擬，使學生對控制電機的基本結構和工作原理的理解更加深刻，如圖2所示。課程教學中，每章介紹一種控制電機，引入一個SolidWorks電機三維模型和一個Maxwell電機電磁場模型，總共12種SolidWorks電機三維模型和12種Maxwell電機電磁場模型。

圖2 雙定子無刷直流電機三維結構圖

1.3 翻轉課堂，培養(yǎng)學習自主性

翻轉課堂是美國學者于21世紀初提出的，將傳統(tǒng)的課堂教學結構進行翻轉，讓學生在課前完成相關知識的學習，在課堂上完成知識的吸收與掌握的一種新型的教學模式[4]。在“控制電機”的課堂教學中，在每次課堂教學的最后10～15 min安排翻轉課堂(學生講堂或課程討論)，講解的內(nèi)容可以是教師指定內(nèi)容(如交直流測速發(fā)電機的對比、直流與異步型交流伺服電機對比、永磁交流伺服電動機與無刷直流電動機的對比、步進電機與開關磁阻電機的對比、直線電機與旋轉電機的對比)，也可以是學生自選(學生根據(jù)自己興趣自選一種控制電機，詳細講解電機的結構、工作原理、典型應用等)。通過這種翻轉課堂，學生課下通過檢索文獻、組織素材、撰寫課件，完成課程講解及問題討論，教師充當知識的向導，負責凝練關鍵問題和引導討論、總結知識點。翻轉課堂占每次課堂教學的10%～15%。這種方式既可以增強學生的學習自主性，又可以培養(yǎng)學生獨立地發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的能力。

2 實驗教學

“控制電機”課程是一門重要的理論和實踐相結合的綜合性課程。實驗教學是培養(yǎng)學生對控制電機基本操作技能和創(chuàng)新應用能力的重要途徑[5]。結合我校工科的特點，依托學院“電機及其控制實驗室”和“電源與電力電子實驗室”，通過科研成果向教學實驗平臺的轉化，形成“基礎類-綜合類-創(chuàng)新類”的多層次實驗教學體系，從多角度、多層次、多途徑培養(yǎng)學生的動手能力、解決實際問題的能力以及綜合創(chuàng)新能力。其中，基礎類實驗和綜合類實驗是所有學生必選的實驗，各占實驗學時的50%。創(chuàng)新類實驗是具有挑戰(zhàn)難度的實驗題目，不是所有學生必選的實驗，也不占用實驗學時。為了鼓勵對控制電機感興趣的學生勇于選擇具有挑戰(zhàn)難度的創(chuàng)新類實驗，在控制電機課程的考核時，增加了額外加分項。

在基礎類實驗方面，主要開展交直流測速發(fā)電機測速實驗、直流伺服電動機調(diào)速實驗、自整角機隨動實驗、旋轉變壓器角位移測量實驗等，占實驗學時的50%。通過基礎類實驗，加強學生對控制電機基本結構和工作原理的理解，培養(yǎng)學生的基本實驗操作能力。

在綜合類實驗方面，學生自由分組，對無刷直流電機系統(tǒng)和永磁同步電機系統(tǒng)進行建模仿真以及實物系統(tǒng)伺服控制實驗，占實驗學時的50%。通過綜合類實驗，培養(yǎng)學生的團隊合作能力，提高學生的綜合實驗能力。

在創(chuàng)新類實驗方面，實驗的題目由教師確定或者學生根據(jù)課外科技實踐活動(大學生科研訓練計劃“SRTP”、北航“馮如杯”科技競賽)自擬題目，學生通過文獻調(diào)研、理論仿真分析和實驗測試等完成創(chuàng)新類實驗的全部內(nèi)容，并撰寫完整的研究報告。每年創(chuàng)新類實驗的題目各不相同，但都是與“控制電機”課程內(nèi)容相關的題目，例如機械臂一體化關節(jié)設計與控制。通過創(chuàng)新類實驗，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和實際解決問題的能力。參加創(chuàng)新類實驗的學生通常占所有學生的30%～40%，創(chuàng)新類實驗不占用課堂時間，學生利用自己的課余時間完成，通常時間跨度為整個學期。

3 考核體系

課程的考核方式對課程的教學效果有重要的影響作用。傳統(tǒng)的課程考核普遍采用考試成績作為課程學習的唯一評定標準，使得部分學生平時課程學習不認真，知識點理解不深刻，教學效果差[6]。鑒于此，“控制電機”課程的考核方式采用“平時成績+課程作業(yè)+實驗成績+期末考試+創(chuàng)新類實驗額外加分項”的多維度綜合考核方式。其中，平時成績表現(xiàn)為學生控制電機課堂學習過程中的綜合表現(xiàn)，占總成績的10%；課程作業(yè)表現(xiàn)為學生翻轉課堂文獻總結、課堂展示、問題討論等的綜合表現(xiàn)，占總成績的10%；實驗成績表現(xiàn)為學生實驗教學過程中的綜合表現(xiàn)，占總成績的20%；期末考試為開卷考試，反映學生對課程知識點的理解與掌握程度，占總成績的55%；創(chuàng)新類實驗額外加分項反映學生完成的創(chuàng)新類實驗的難度及完成效果，占總成績的5%。創(chuàng)新類實驗額外加分項鼓勵對控制電機感興趣的學生勇于選擇具有挑戰(zhàn)難度的實驗題目。這種多維度的綜合考核評價體系，不僅要求學生在課堂中積極掌握基礎理論知識，還鼓勵學生充分利用課后時間，開展與控制電機課堂內(nèi)容相關的探討和實踐，增強學生對控制電機課程內(nèi)容的理解和應用。

4 教學改革成效

改革成效是教學方法研究的重要組成部分。經(jīng)過不斷的研究、探索與實踐，以學生為主的“控制電機”課程教學方法有效地提升了學生對課程的學習積極性、理解性，改革成效顯著。

從學生評價方面，學生對課程內(nèi)容的興趣、收獲、考核等方面的滿意度由83.5%提升到95%；從教師自評方面，學生的出勤率由89.5%提升到100%，課堂氛圍活躍，學生對課程知識的理解和自我學習能力得到顯著地增強，期末考試成績平均分由82.9分提升到90.8分；從學院督導組聽課評價方面，課程內(nèi)容充實先進、理論聯(lián)系實際，注重啟發(fā)式教學，培養(yǎng)學生的實際工程應用能力，師生互動性好，學生聽課積極性高。

5 結語

根據(jù)“控制電機”課程理論的特點，依托我校電氣工程專業(yè)的學術優(yōu)勢，開展了基于課堂和實驗相結合的教學方法研究工作。

工作結果形成了以學生為主、教師為輔的課堂教學形式，“基礎類-綜合類-創(chuàng)新類”的多層次實驗教學體系，以及基于“平時成績+課程作業(yè)+實驗成績+期末考試+創(chuàng)新類實驗額外加分項”的多維度綜合考核方式。實踐證明，該方法可以有效地調(diào)動學生學習控制電機課程的積極性，增加學生對各種控制電機工作原理的理解，提高學生分析問題、解決問題的能力以及綜合創(chuàng)新能力。