“電機學(xué)”主動學(xué)習(xí)方法探討

李建文 李永剛 武玉才 董淑惠

(華北電力大學(xué)(保定) 電力工程系， 保定 071003)

“電機學(xué)”是電氣工程學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，電機是依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，實施電能生產(chǎn)、傳輸和使用的機電能量轉(zhuǎn)換的機械，該課程理論性強、概念多、內(nèi)容抽象難懂但又與工程實際聯(lián)系緊密[1]。華北電力大學(xué)“電機學(xué)”課程是國家資源共享課，2020年12月又獲評“國家級一流線下課程”，在該課程的建設(shè)中，課題組積累了豐富的教學(xué)資源，教授方式不斷地探索改進，課堂教學(xué)引入了典型工程案例，并采用形象生動的PPT、動畫、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，但學(xué)生學(xué)習(xí)效果仍不太理想，該課程仍是學(xué)生心目中的“天書”。

通過教授方法改進來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到理論知識融會貫通的目的，收效甚微。新工科教育理念下，如何在這樣一門難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程中提高學(xué)生對電氣工程學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣，主動掌握專業(yè)的知識，同時鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力呢？大連理工大學(xué)馮林教授給出的創(chuàng)造力公式“創(chuàng)造力=K×(創(chuàng)造性人格+創(chuàng)造性思維+思考方法)×知識量2”[2]，基于此，教研組挖掘、吸收、應(yīng)用“電機學(xué)”中涵蓋的思政元素，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的人格及學(xué)習(xí)的興趣；探究獲取“電機學(xué)”知識的科學(xué)方法，提高學(xué)生的知識量；歸納應(yīng)用“電機學(xué)”思考解決問題的方法，促進學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，由此鍛煉學(xué)生解決新問題，提出新設(shè)想、創(chuàng)造新事物的能力。

1 “電機學(xué)”課程思政中塑造創(chuàng)造性人格

“課程思政”是貫徹和踐行習(xí)近平總書記“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”殷切要求的重要舉措。美國心理學(xué)家特爾曼對800成才人物幾十年跟蹤調(diào)查，差別在于動機、興趣、意志、性格和自我意識不同，關(guān)鍵在于責(zé)任心、進取心、求知欲、自信心、堅持性。清華大學(xué)張慕葏教授總結(jié)創(chuàng)新性人才中非智力因素包含：熱愛祖國、造福人類的崇高理想，追求真理、剛正不屈的態(tài)度，專心致志且持之以恒，永葆好奇與求知欲，實踐檢驗真理，繼承與發(fā)展的自信心。兩位教授所提出的塑造創(chuàng)造性人格與課程思政要達(dá)到的目標(biāo)一致[3]。

“電機學(xué)”是以數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)科學(xué)為原理，結(jié)合生產(chǎn)實踐所積累的技術(shù)經(jīng)驗而發(fā)展起來的課程，它以解釋自然規(guī)律，研究工程特性為主要特點，以培養(yǎng)實際應(yīng)用能力的科技人員為目的，屬于自然科學(xué)部分?？茖W(xué)技術(shù)的研究與發(fā)現(xiàn)通常與本國國情和需求相伴而生，它的主旨是為人民服務(wù)、實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，學(xué)習(xí)內(nèi)容中含有豐富的思政元素，如圖1所示，因此從緒論部分、四種類型的電機以及實驗與仿真教學(xué)中錘煉出專業(yè)課程與思政元素的融合點，潤物細(xì)無聲地將新時代中國特色社會主義思想、社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、法制與職業(yè)道德系統(tǒng)化融入到專業(yè)內(nèi)容中。

圖1 “電機學(xué)”課程中的思政元素框架梳理圖

2 “電機學(xué)”課程課程知識技能分類

著眼于學(xué)生的能力培養(yǎng)與可持續(xù)性發(fā)展，“電機學(xué)”由單純強調(diào)知識點與技能點，轉(zhuǎn)向重視知識框架的構(gòu)建、素質(zhì)能力的培養(yǎng)、專業(yè)技能的訓(xùn)練。根據(jù)現(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)知規(guī)律將“電機學(xué)”知識分為陳述性知識，即獲得語義；程序性知識，即掌握一套關(guān)于辦事的操作步驟和過程；策略性知識，即使用陳述性與程序性知識去解決問題的一般性方法[4]。具體如圖2所示。

圖2 “電機學(xué)”知識技能分類

“電機學(xué)”中陳述性知識：電機學(xué)物理概念、參數(shù)名詞、結(jié)構(gòu)部件。四種典型電機結(jié)構(gòu)部件可采用直觀方式通過動畫、視頻以及實物模型展示，從而使學(xué)生通過形象記憶習(xí)得；電機的物理概念比如磁動勢、磁場、磁通、磁阻等較抽象，可以通過與電路概念對比的方式，加深理解；電機學(xué)參數(shù)名詞眾多，激磁阻抗、短路阻抗、漏阻抗、互感系數(shù)、短路比、電壓調(diào)整率、傳導(dǎo)容量、效益系數(shù)、繞組系數(shù)、分布因數(shù)、節(jié)距因數(shù)、保梯電抗、功角、同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)等，可通過對其定義、所表征的意義去分析識記。

“電機學(xué)”中程序性知識：定理、定律以及所要遵守的原則繁多，對磁路定理、功率平衡、聯(lián)結(jié)組別、并聯(lián)條件、負(fù)載分配、空載特性、短路特性、零功率因素特性、電樞反應(yīng)等的分析應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用，歸納出分析步驟和方法。

“電機學(xué)”中策略性知識：實際工程問題復(fù)雜難解，需要基于基本概念、遵循基本原則，進行深入思考，比如參數(shù)的測定、磁場的波形、正常運行電磁關(guān)系、非正常運行分析、同步電機有功無功的調(diào)節(jié)等，采用知識遷移等手段，運用多種思維方式，融匯貫通達(dá)到靈活應(yīng)用知識的目的。

3 “電機學(xué)”課程知識技能學(xué)習(xí)過程

遵循學(xué)習(xí)的規(guī)律，“電機學(xué)”課程知識技能學(xué)習(xí)過程也分為習(xí)得階段、鞏固和轉(zhuǎn)化階段以及提取和應(yīng)用階段，如圖3所示。

圖3 “電機學(xué)”課程知識技能學(xué)習(xí)過程

3.1 習(xí)得階段

識記是記憶的第一環(huán)節(jié)[4]，學(xué)生通過對電機相關(guān)視頻、動畫、課件以及教材反復(fù)感知形成比較鞏固的暫時聯(lián)系的過程，感知越深刻，識記效果越好。

①課前自學(xué)：學(xué)生通過對所學(xué)電機內(nèi)容進行多重編碼和組塊化編碼，加深對概念意義的理解，識別內(nèi)容之間的聯(lián)系，鼓勵學(xué)生與自身知識結(jié)構(gòu)、過去經(jīng)驗相聯(lián)系。②課中教師教授：教學(xué)內(nèi)容根據(jù)學(xué)生反饋，重新規(guī)劃，抓住學(xué)生的“薄弱點”與“痛點”；教授以引導(dǎo)性為主，包含學(xué)習(xí)目的、框架性的邏輯關(guān)系、前備知識與后續(xù)應(yīng)用、難點問題的思維思考過程等。③課中學(xué)生自學(xué)：精讀教材，鏈接知識點、沉淀出各自難點，利用彈幕提問，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，主動汲取知識營養(yǎng)。④課末解惑：教師提煉問題，有的放矢，學(xué)生或者教師答疑解惑，給學(xué)生留白思考，教師教授內(nèi)容正是學(xué)生疑惑，想學(xué)的，這樣學(xué)生才能真正學(xué)會。

在課程學(xué)習(xí)中將新知識進入短時記憶，與長時記憶中被激活的知識建立聯(lián)系，從而出現(xiàn)新的意義的建構(gòu)，有意識地識記，明確記憶的目的和任務(wù)，提高學(xué)習(xí)的效率。

3.2 鞏固和轉(zhuǎn)化階段

遵循遺忘規(guī)律，遺忘速度為先快后慢，遺忘內(nèi)容先多后少，到一定時間遺忘不再發(fā)展，因此新建構(gòu)的知識需要儲存于長時間記憶中，通過復(fù)習(xí)等手段來鞏固與轉(zhuǎn)化，采用空間組織、系列組織、聯(lián)想組織、網(wǎng)絡(luò)組織、更替組織等保持知識規(guī)律和知識存儲組織形式，或更簡略、更概括，或更具體、更詳細(xì)地納入已有知識架構(gòu)中[4]。

典型電機的結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，可與前面已學(xué)習(xí)的電機結(jié)構(gòu)進行對比，加深理解吸收；通過“電生磁、磁生電”的基本規(guī)律去系列分析四種典型電機的基本工作原理；針對電機中具有廣泛聯(lián)系的概念或參數(shù)，例如空載特性曲線、T型等效電路、短路阻抗、轉(zhuǎn)差率、電磁轉(zhuǎn)矩等將知識，通過聯(lián)想與網(wǎng)絡(luò)組織形式生成思維導(dǎo)圖，并隨新知識習(xí)得不斷更新知識圖譜，以達(dá)到鞏固并納入已有知識體系中的目的。

3.3 提取和應(yīng)用階段

提取與應(yīng)用階段，學(xué)生運用所獲得的知識解決同類或相似的問題，所學(xué)知識產(chǎn)生遷移。學(xué)習(xí)遷移指一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響，作用在于使習(xí)得的經(jīng)驗得以概括化，系統(tǒng)化，形成一種穩(wěn)定的整合的心理結(jié)構(gòu)，從而更好地調(diào)節(jié)人的行為，并能動地作用于客觀世界。學(xué)習(xí)的遷移也是促進學(xué)生心理發(fā)展的關(guān)鍵，是使習(xí)得的知識、技能與道德規(guī)范向能力與品德轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[4]。

掌握知識的同時，掌握解決問題的認(rèn)知技能和策略，以促進學(xué)習(xí)的遷移。知識的遷移離不開思考，而有序科學(xué)的思考方式促使提取與應(yīng)用知識的能力增強。思考主要是從具體到抽象，再從抽象到具體的過程，這個過程包含分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、具體化、系統(tǒng)化等操作方式。

分析與綜合：比如電機的結(jié)構(gòu)分為定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、機座等部件，對各部分結(jié)構(gòu)分別進行分析，然后再構(gòu)成一個電機整體，各部分的參數(shù)變化都會影響電機的整體性能，同時電機的整體性能又規(guī)范約束各部分的制作工藝。

比較與分類：對于同步電機與異步電機、旋轉(zhuǎn)電機與靜止電機、交流電機與直流電機，通過不同的維度對電機特點進行比較、分類，雖然電機具有相同的運行原理，但經(jīng)過比較、分類可以快速區(qū)分不同類電機的異同點，以更好地認(rèn)識電機。

抽象與概括：抽象是高級的分析，概括是高級的綜合。例如通過鐵磁材料的特性分析，獲取與鐵磁材料具有相同屬性的方法，從而抽象出磁的本質(zhì)屬性，更好概括磁場的產(chǎn)生。抽象與綜合分析方法還可以應(yīng)用在磁阻、激磁阻抗、漏阻抗等抽象概念以及磁動勢守恒、全電流定律、磁路基爾霍夫第一第二定律等抽象定律的理解中。

具體化與系統(tǒng)化：緒論涉及到的電機基本概念能夠具體化應(yīng)用到某一類型電機的工作原理、運行原理分析中，而深度理解分析具體電機的工作過程，系統(tǒng)化地驗證電機理論精髓；具體化地把電機理論與電機實驗結(jié)合起來，把抽象與具體結(jié)合起來，更好促進學(xué)生對知識理解的不斷深化。通過分析、綜合、比較和分類形成系統(tǒng)，才能真正在不同條件下靈活運用知識。

4 電機問題促進學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展

創(chuàng)新源于實踐，始于問題[4]?！半姍C學(xué)”知識邏輯性強，分析過程復(fù)雜，學(xué)習(xí)電機學(xué)過程中，要不斷主動思考與學(xué)習(xí)材料互動，不斷問問題：“為什么要提出該理論，引出這個新概念，推理過程符合邏輯嗎，論證結(jié)論是否能夠解決問題？”發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，從而使學(xué)生發(fā)現(xiàn)有意義的問題并尋找解決問題的方法。

問題是創(chuàng)新思維的源泉，需求產(chǎn)生問題，鍛煉學(xué)生解決問題的能力，要不斷加強學(xué)生歸納、演繹、抽象邏輯推理的訓(xùn)練[5]。推理是由已知推出新知的思考方法。“電機學(xué)”中涵蓋大量的思考題，調(diào)動學(xué)生的積極性與求知欲，通過基礎(chǔ)知識積累，發(fā)現(xiàn)問題，明確問題，認(rèn)清問題的關(guān)鍵，提出假設(shè)，利用已有經(jīng)驗，找到解決問題的途徑，并檢驗假設(shè)。通過這個過程不斷強化解決問題的能力，在新型電機的設(shè)計、電機新的應(yīng)用等一些實際工程中的問題，也通過發(fā)問能夠獲得啟發(fā)，從而促進學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展，如圖4所示。

圖4 解決“電機學(xué)”問題的各類分析方法

解決問題的方法1，要培養(yǎng)學(xué)生多角度觀察問題，嘗試提出不同的假設(shè)，擁有發(fā)散思維。例如同步電機無功有功的調(diào)節(jié)問題，可以采用幾何法也可以采用復(fù)數(shù)計算法進行有效的分析，磁場的合成可以采用解析法、時域波形、矢量分析等手段進行剖析，殊途同歸，在分析過程中不斷歸納總結(jié)，尋找問題的本質(zhì)，從而達(dá)到舉一反三的效果。

解決問題的方法2，培養(yǎng)學(xué)生收斂思維，從已知知識經(jīng)驗出發(fā)，圍繞既定核心進行全方位的思考，運用比較、排除、綜合、概括等方法最終確定一個解決問題的最佳方案的思考方式。有利于從各路思考中選取精華，使問題的解決取得突破性進展。例如同步電機并網(wǎng)運行的方案的設(shè)計，要充分分析比較各種方案的利弊，從而根據(jù)具體工況合理選擇并網(wǎng)方案。

解決問題方法3，要培養(yǎng)學(xué)生橫向與縱向思考的能力，例如分析異步電機的氣隙設(shè)計大小的問題，可以通過縱向思考，從磁路到磁阻，再到磁通與磁動勢的角度去分析，也可以與變壓器橫向?qū)Ρ瓤蛰d電流的大小去分析。橫向與縱向的思維使得學(xué)生能夠更全面地認(rèn)識到問題的本質(zhì)，從而面對工程問題也能通過該思維方式，橫向移入、移出以及對比的思維方法獲得創(chuàng)新的解決方法。

解決問題方法4，形象思維與抽象思維，采用解析法與矢量分析磁場的合成，方法簡便，但得出地結(jié)論不能直觀地看到磁場變化的曲線，而通過時域波形分析可以形象地感知磁場的變化規(guī)律，但該方法計算量卻很大，因此可以對比形象思維與抽象思維，使得問題化繁為簡，歸納出其規(guī)律，同時應(yīng)用兩種思維更好地感知“電機學(xué)”的魅力。

5 結(jié)語

通過挖掘課程中思政元素，遵循科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生獲取“電機學(xué)”陳述性、程序性與策略性知識；通過學(xué)生全面掌握思維的方法，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新性思維；探尋提高學(xué)生主動性、鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力的“電機學(xué)”教學(xué)方法，從而不斷提升學(xué)生的創(chuàng)造力。

通過近兩個學(xué)期的教學(xué)應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣顯著提高，自主繪制了大量解決電機學(xué)問題的思維導(dǎo)圖，參與了多項與電機有關(guān)的大創(chuàng)項目，后續(xù)任課教師對這兩屆學(xué)生的電機學(xué)基礎(chǔ)給予了肯定。實踐表明：鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力的“電機學(xué)”學(xué)習(xí)方法的有效應(yīng)用，使得學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、解決問題的創(chuàng)新能力得到了有效提高。

“電機學(xué)”作為國家級精品資源共享課與省級精品開放慕課資源已作為輔助手段應(yīng)用于教學(xué)，亦服務(wù)于廣大師生和電力行業(yè)從業(yè)者，網(wǎng)上學(xué)習(xí)累計已超5.4萬人，在同類課程中具有一定的影響力和較強的示范性，課程社會服務(wù)成效卓著。