電機實踐課程的改革與創(chuàng)新

孫盼　楊剛　熊義勇　吳旭升　王占

[摘 要] “電機學”是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)技術基礎課程，是一門教師難教、學生難學的課程，其理論性強、抽象概念多、涉及的基礎理論知識廣;因此，研究如何通過豐富實踐教學環(huán)節(jié)來加深學生對課程的理解變得尤為重要。為豐富電機實踐課程教學環(huán)節(jié)，彌補以往該課程實踐教學環(huán)節(jié)存在的諸多問題，對當前實踐教學現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析，從豐富完善教學內(nèi)容、設計電機拆裝與維修實訓軟件、探索與分析電機實踐課程教學規(guī)律、“電機實驗與實踐”課程教材建設等方面提出了具體的改革舉措。

[關鍵詞] 電機實踐;實踐教學;教學改革;教學創(chuàng)新

[基金項目] 2021年度校級教學成果立項培育項目“培養(yǎng)電磁能新型作戰(zhàn)人才的研究與實踐”（202191）

[作者簡介] 孫 盼（1986—），男，山東淄博人，博士，海軍工程大學電氣工程學院助理研究員，主要從事無線電能傳輸研究;楊 剛（1992—），男，江蘇南京人，碩士，海軍工程大學電氣工程學院助教（通信作者），主要從事裝備測試性設計與分析研究;熊義勇（1988—），男，湖北仙桃人，博士，海軍工程大學電氣工程學院講師，主要從事多相電機理論研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）04-0077-04 [收稿日期] 2021-05-30

一、背景和意義

教育部在《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》中指出要加強各種形式的實踐教學基地和實驗室建設。在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中強調(diào)必須切實提高大學生的實踐能力。這些意見的出臺，說明課程實踐教學的改革與創(chuàng)新已成為我國普通高等教育發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一[1，2]。電機學是電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程之一，是一門集理論性、實踐性、綜合性與應用性于一體的課程，該課程對學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)至關重要[3，4]。由于該門課程理論性強且復雜，很多教師對理論教學內(nèi)容闡述得很詳盡，而實驗教學環(huán)節(jié)跟不上，導致學生學習興趣降低，大大削弱了該門課程的教學效果。因此，研究如何通過改革電機實踐課程的教學內(nèi)容與教學方式來提高學生的學習興趣變得尤為重要。

二、當前電機實踐教學存在的問題

電機實踐課程是我校2013年新開設的一門綜合實踐類課程，是電氣工程專業(yè)學生提高工程實踐能力和綜合素質的重要課程，在培養(yǎng)學生處理工程問題的能力上起著重要作用。通過電機實踐課程的學習和實踐，學生可以掌握常見電機的使用、維護和測試，培養(yǎng)運用理論知識解決實際問題的工程實踐能力，提高綜合素質[5-7]。通過廣泛調(diào)研和深入研討發(fā)現(xiàn)，對照近年來行業(yè)對電機類人才能力的需求變化，我校當前電機實踐教學存在以下幾方面的問題。

（一）實驗內(nèi)容單薄，體系不夠完善

當前電機實踐課程內(nèi)容主要包括單相變壓器設計與制作、基礎能力訓練、異步電動機拆裝等實踐教學環(huán)節(jié)，但這些環(huán)節(jié)內(nèi)容過于單一，只注重電機的拆裝，缺乏對電機電量參數(shù)的設計及測量環(huán)節(jié)，缺少對電機整體性能的理解與應用，在實際運行過程中學生很難體會到這些實踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性。再加上配套的管理制度不夠完善，導致學生的實踐活動處在簡單的拆卸、裝配層面，不利于其綜合實踐能力的全面提升。因此，迫切需要豐富電機實踐教學內(nèi)容，完善課程體系的保障制度。

（二）教學內(nèi)容不靈活

目前電機實踐課程所涉及的實驗均為固定不變的內(nèi)容，所有實驗題目都是預先設計好的，學生不能根據(jù)自己的想法去設計實驗，缺乏自由發(fā)揮的空間。課堂內(nèi)容是簡單重復使用變壓器和電機的拆裝過程，缺乏自主設計過程，不利于激發(fā)學生對該課程學習的興趣。因此，非常有必要在電機實踐課程中開發(fā)自主設計實踐環(huán)節(jié)，以激發(fā)學生動手的興趣和對課程的認同感。

（三）缺少電機虛擬軟件

當前電機實踐課程主要采用硬件設備，如實物變壓器、異步電動機等。電機是機械結構及電氣性能都非常復雜的電磁機械，其原理抽象，學生理解起來很困難。正常運行時，該類設備是封裝的成品，不利于學生對內(nèi)部結構的認識及工作原理的理解。因此，為提高學生的學習興趣，加深學生對知識的理解和運用，可借鑒軟件開展輔助教學，通過人機交互的方式，最大限度地使學生在每一個環(huán)節(jié)都參與其中，強調(diào)操作過程，在動手操作過程中學習并理解枯燥的理論知識。通過虛擬軟件清晰展示電機內(nèi)部結構直觀明了，易學易用。

（四）需進一步探索教學規(guī)律

作為一門新課程，教師教學時要豐富和完善內(nèi)容，不斷探索教學規(guī)律是提升課程質量的重中之重。通過理論創(chuàng)新與實踐教學，可進一步摸清教學過程的規(guī)律，總結其特點，為課程的不斷深化奠定基礎。

（五）課程教材不匹配

當前使用的教材內(nèi)容陳舊，與實際裝備脫節(jié)，與學校實驗室設備不匹配，導致學生和教師不能順利地開展教學。因此，為從根本上解決這個問題，結合新時代對電機人才的要求以及課程改革內(nèi)容，需要綜合實際情況對教材內(nèi)容進行更新，或編寫一本更實用的教材。

三、解決電機實踐教學現(xiàn)存問題的措施

為解決當前在電機實踐教學過程中存在的諸多問題，進一步提高教學質量，提高學生學習興趣，通過研究與探討，擬定解決措施如下：針對實驗內(nèi)容單薄，增設三相異步電動機、同步電機的參數(shù)測量實驗;針對教學內(nèi)容不靈活，建設學生DIY自主設計自由內(nèi)容;針對缺少電機虛擬軟件、設計電機拆裝軟件，建立電機拆裝的模擬操作平臺;針對需進一步探索教學規(guī)律，通過教學實踐和理論創(chuàng)新來探索與完善課程教學規(guī)律和教學模式;針對課程教材不匹配，編寫《電機實驗與實踐》教材。下面將詳細闡述各解決措施的具體實現(xiàn)方式。

（一）增設電機參數(shù)測量實驗

為豐富實驗內(nèi)容，解決實驗內(nèi)容過于單薄的問題，增設三相異步電動機及同步電機參數(shù)測量實驗。利用電機綜合試驗平臺，搭建三相異步電動機、同步電機參數(shù)測量實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)配置微機型操作臺，包括操作臺架、工業(yè)計算機（含鍵盤、鼠標）、19英寸液晶顯示器、面板顯示儀表和各類指示燈、控制開關與按鈕、計算機接口與采集模塊、自動控制模塊、相關保護模塊等。實驗過程具體要求如下。

測量方式：三相電參表、單相電參表連接微機測量。測量回路配置高精度電壓、電流傳感器，中間環(huán)節(jié)采用信號調(diào)理接口模塊，由計算機完成信號采集和測量任務。

控制方式：采用PLC直接控制。采用西門子S7-200系列PLC進行聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖程序可根據(jù)用戶要求自由編輯、修改，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，系統(tǒng)可擴展性好。

操作方式：手動操作和自動操作方式并存。為避免微機故障時影響試驗工作，采用手動控制（面板按鈕操作）和自動控制（計算機鍵盤/鼠標操作）并存的方式，不便采用自動控制或微機出現(xiàn)故障時可以采用手動操作進行試驗。

試驗數(shù)據(jù)處理：試驗結果保存在工控機內(nèi)。

（二）增設學生DIY自主設計實驗

為解決教學內(nèi)容不靈活的問題，進一步激發(fā)學生興趣，特增設學生DIY自主實驗環(huán)節(jié)，給予學生更大的自由發(fā)揮空間。首先，學生根據(jù)自身興趣愛好，提出設計目標，由教師把關，并指導學生完善與優(yōu)化設計目標。然后，學生根據(jù)所學知識自主查閱資料，設計初步技術方案，形成文字材料提交教師審核。若審核不通過，學生再次修改完善技術方案;若初步技術方案審核通過，學生即可采購DIY自主設計所需的元器件、材料和其他設備，按計劃進行設計。設計完成后，由學生向教師進行展示，教師根據(jù)學生所設計的作品對其進行評定給分。

該DIY自主實驗環(huán)節(jié)的組織形式為：學生2～3人一組，可以在課堂上設計，也可以在課余時間設計，地點不限制。時間周期為：從開課第一天開始選題，整個設計周期為1個月。

（三）設計電機拆裝與維修仿真實訓軟件

為彌補硬件實驗環(huán)節(jié)的缺陷，課題組與某公司共同研發(fā)了一款電機拆裝與維修仿真實訓軟件。該軟件在計算機上無須安裝便可直接使用，根據(jù)不同選擇進入不同實訓項目。采用交互式FLASH、3D動畫等技術，進行模塊化設計，可使界面生動、美觀，便于學生理解枯燥的理論知識，以此提高學生的學習興趣，加深學生對知識的理解和運用。

實訓軟件分為三相同步電機模塊、單相異步電動機模塊、直流電機模塊、三相鼠籠式異步電動機模塊以及變壓器模塊。各模塊配有動畫對各電機可實現(xiàn)器件簡介、拆裝步驟、拆裝動畫、原理講解的演示。在模擬裝配模塊，學生可對各電機進行裝配仿真實驗，如果裝配順序正確，即可完成裝配，如果錯誤會記錄裝配錯誤的次數(shù)。如果對裝配順序不清楚，裝配指示部分會提示你下一步應當裝配的零件。圖1為三相同步電機模擬裝配界面。

（四）探索電機實踐課程教學規(guī)律

為進一步提高教學質量，通過行之有效的實踐教學，可把理論教學與實踐教學有機結合起來，培養(yǎng)學生分析與處理問題的能力、實踐能力、創(chuàng)新能力及綜合應用能力等。通過調(diào)研、學習、分析和總結，不斷凝練課程的教學特點，摸索出在電機實踐教學過程中應重視以下教學規(guī)律。

1.應重視培養(yǎng)學生工程化的觀念。

2.應進一步加強校外參觀見學。

3.發(fā)揮指導教師作用。

4.合理細分考核標準。

5.整理歸檔實踐材料。

6.考慮增設綜合設計環(huán)節(jié)。

（五）編寫電機實驗與實踐教材

依據(jù)“以應用為目的，以夠用為度，以掌握概念、強化應用為重點”的原則，編寫針對電機實踐課程的教材。新編《電機實驗與實踐》教材共五章，主要內(nèi)容分為基礎能力訓練、直流電機實踐、變壓器實踐、異步電機實踐、同步電機實踐和異步電機綜合設計實踐。新編《電機實驗與實踐》教材按照電機類別分章，每章內(nèi)容首先闡述每種電機的基本原理和運行特性，然后針對應用背景介紹每種電機的實踐內(nèi)容，在此基礎上安排變壓器與異步電機的綜合設計實踐，鍛煉學生的綜合素質。

四、電機實踐課程創(chuàng)新綜合實踐改革成果

（一）完善并豐富了課程教學內(nèi)容

通過增設DIY自主設計和異步電機參數(shù)測量、同步電機參數(shù)測量，遵循理論結合實踐、學生為主導的理念，整合和規(guī)范相關課程實踐環(huán)節(jié)，重新修訂課程實施方案，規(guī)范課程教學和考核方法，為學生提供可施展才華的平臺和空間，進一步提升學生的實踐能力。例如，通過在班級內(nèi)嘗試增設DIY自主設計實驗，有五組學生大膽選擇了自己的設計內(nèi)容，并用一個月時間較好地完成了設計目標。學生設計的電機往往會結合物理創(chuàng)新競賽、水下機器人大賽、航模比賽等大學生競賽活動，可見課程的開展為學生提供了良好的平臺和專業(yè)的輔導。試點結束后，學生紛紛表示對該環(huán)節(jié)有極大興趣，取得了良好的教學效果。

（二）設計出電機仿真實訓軟件

電機拆裝和維修仿真軟件可服務于多門電機類課程。該軟件不僅適用于電機實踐課程，同樣可服務于電機學、電機學與電力拖動，以及MOOC課程等多門電機類課程，幫助學生從抽象的結構中解脫出來，建立形象、具體的機械認識。通過設計實訓軟件環(huán)節(jié)，學生反映電機結構和工作原理不再像以前那么抽象難理解，通過每個電機器件的簡介、拆裝工具、拆裝步驟、拆裝動畫、原理講解、模擬裝配等模塊的訓練，電機的構成和原理形象具體地展示在仿真界面，極大地增強了學生的學習興趣，加深了學生對電機工作原理的理解。

（三）編寫完成專業(yè)教材《電機實驗與實踐》

編寫完成《電機實驗與實踐》教材。該教材是一本與電機學、電機與電力拖動課程相匹配的實踐教材，針對性強，實踐色彩濃，貼近實戰(zhàn)化教學，是培養(yǎng)高素質復合型機電人才的重要課程，對電機類課程建設有巨大的推動作用，是適應新形勢下實戰(zhàn)化教學改革的新成果。

五、總結與展望

本文探討研究了電機實踐課程的創(chuàng)新綜合實踐改革，在完善課程內(nèi)容、探索課程教學規(guī)律、教材建設等方面進行了深入研究。通過將以上研究成果運用于實踐教學環(huán)節(jié)，在提高教學效率、激發(fā)學生學習興趣、增強學生自主設計能力等方面取得了明顯的成效。但是教學改革不是一蹴而就、一勞永逸的，需要不斷完善、探索。例如雖然經(jīng)過前期建設，DIY自主設計已經(jīng)進行了嘗試，但是自主設計存在經(jīng)費來源不確定、指導教師精力有限、設計周期過長等問題，仍有大量的工作需要繼續(xù)開展下去。創(chuàng)新綜合實踐改革將是一個長期的系統(tǒng)性工程，需要持之以恒的不懈努力。對于如何細化DIY自主設計環(huán)節(jié)及增設課程綜合設計方面，還有待進一步探索，以期提高本課程專業(yè)實踐教學的軟硬件水平，推動各方面協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻

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The Reform and Innovation of the Motor Practice Course

SUN Pan， YANG Gang， XIONG Yi-yong， WU Xu-sheng， WANG Zhan

（School of Electrical Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Motor Practice is an important professional and technical basic course for electrical engineering. It is difficult for teachers and students to learn. It has deep theory， many abstract concepts and involves a wide range of basic theoretical knowledge. Therefore， it is particularly important to study how to enrich practical teaching links to deepen students’ understanding of the curriculum. In order to enrich the teaching links of Motor Practice and solve the problems existing in the previous practical teaching links of this course， this paper analyzes the current situation and existing problems of practical teaching， enriches and improves the teaching content， designs the practical training software of motor disassembly and maintenance， explores and analyzes the teaching law of Motor Practice. In the end， specific reform measures are put forward in the construction of teaching materials for the course of Motor Practice.

Key words： Motor Practice; practical teaching; teaching reform; teaching innovation

3107501908221