場(chǎng)論分析在電機(jī)類課程教學(xué)中的探討

姚舜才

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西太原 030051）

2009 年5 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》提出裝備制造業(yè)振興規(guī)劃、實(shí)施新能源汽車等戰(zhàn)略要求，同時(shí)要求立足自主創(chuàng)新，突破關(guān)鍵技術(shù)[1]。這對(duì)電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，工科高等院校的相關(guān)專業(yè)在人才培養(yǎng)和科研創(chuàng)新方面需發(fā)揮特長(zhǎng)作用。電機(jī)作為工農(nóng)業(yè)及交通等各行業(yè)的重要設(shè)備，在裝備制造、傳動(dòng)控制以及交通運(yùn)輸?shù)确矫嬗兄匾饔?。如何做好電機(jī)類課程的教學(xué)工作，使之能夠更適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需要，培養(yǎng)關(guān)鍵學(xué)科領(lǐng)域的高素質(zhì)緊缺型人才，成了工科高校面臨的重要課題和任務(wù)[2]。針對(duì)這種情況，本文對(duì)工科高校自動(dòng)化學(xué)科的電機(jī)類課程教學(xué)工作進(jìn)行了思考和實(shí)踐。

1 自動(dòng)化學(xué)科電機(jī)類課程教學(xué)現(xiàn)狀

電機(jī)類課程是自動(dòng)化學(xué)科的主干課群之一，其課程內(nèi)容主要包括：電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)以及控制電機(jī)等。作為整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)，電機(jī)及其控制具有非常重要的作用。當(dāng)前，各種新型驅(qū)動(dòng)的電機(jī)對(duì)系統(tǒng)控制的要求在不斷提高，這就需要不斷充實(shí)電機(jī)類課程的教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)該類課程的教學(xué)方式和方法[3]。

1.1 理論分析重“路”輕“場(chǎng)”

當(dāng)前，大部分高校的自動(dòng)化學(xué)科的電機(jī)類課程對(duì)于電機(jī)運(yùn)行的基本原理在闡述時(shí)依據(jù)的是“路”的理論，目的是與教學(xué)傳統(tǒng)和整個(gè)學(xué)科體系的課程安排相適應(yīng)。

以電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程為例，該課程對(duì)于各種常用電機(jī)原理的分析基本以磁路分析方法展開(kāi)。基于這樣的考慮，課程安排幾乎沒(méi)有涉及對(duì)于電機(jī)磁場(chǎng)的分析，對(duì)于電磁現(xiàn)象，特別是電磁變化的非線性特性涉及很少。盡管在電機(jī)運(yùn)行分析時(shí)以線性磁路為主，但涉及對(duì)電機(jī)控制的解釋時(shí)，學(xué)生容易感到力不從心。

在電機(jī)類課程的教學(xué)過(guò)程中，重“路”輕“場(chǎng)”，甚至無(wú)“場(chǎng)”的思想，影響了學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和整個(gè)學(xué)科體系的構(gòu)建[4]。

1.2 教學(xué)模式與當(dāng)前人才培養(yǎng)要求不適應(yīng)

動(dòng)車、電動(dòng)汽車、高速磁懸浮列車等的快速發(fā)展對(duì)電機(jī)本體設(shè)計(jì)及其電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了較高的要求。例如，對(duì)于軸向磁通電機(jī)，使用磁路方法很難給出電機(jī)的等效電路，同時(shí)，對(duì)于電機(jī)的端部效應(yīng)及其漏電抗計(jì)算也比較困難。再如，對(duì)于直線電機(jī)，由于電機(jī)繞組的電抗不對(duì)稱，單純使用傳統(tǒng)的電機(jī)分析方法，很難取得令人滿意的效果。同時(shí)，社會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制的高級(jí)科技人才的需求也在不斷增加，因此，對(duì)電機(jī)類課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革是非常必要的。

2 電機(jī)類課程教學(xué)存在的問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)科的定位不準(zhǔn)確

通常認(rèn)為，傳統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)科為信息類學(xué)科，因此，在人才培養(yǎng)和課程安排方面基本傾向于信息類學(xué)科，比較重視信號(hào)、信息處理方面，而對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制、電力電子技術(shù)等方面的關(guān)注較少，這與自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展有關(guān)系。然而，近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和專業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，特別是我國(guó)在軌道交通方面的快速發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展提出了新的要求。自動(dòng)化學(xué)科不僅需要在信息領(lǐng)域保持較為鮮明的特色，還應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)控制方面具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。一方面對(duì)于電機(jī)的控制離不開(kāi)信息的控制，另一方面可以為抽象的控制找到一個(gè)良好的控制對(duì)象。然而，要控制好電機(jī)，僅依靠“路”的分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要應(yīng)用“場(chǎng)”的觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析，只有運(yùn)用“場(chǎng)”的觀點(diǎn)，才能對(duì)各種新型驅(qū)動(dòng)設(shè)備建立良好的數(shù)學(xué)模型，才能對(duì)其進(jìn)行有效的控制[5]。

2.2 課程設(shè)置存在問(wèn)題

基于前述的相關(guān)分析，自動(dòng)化學(xué)科相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)置對(duì)于“場(chǎng)”的內(nèi)容較為欠缺。因此，在電機(jī)及其控制類課程開(kāi)設(shè)時(shí)，進(jìn)行基于“場(chǎng)”的分析就變得較為困難。在教學(xué)時(shí)，即使教師有使用“場(chǎng)”的理論進(jìn)行分析的意愿，也因?yàn)閷W(xué)生基于“場(chǎng)”的理論基礎(chǔ)較差而難以展開(kāi)。在課程內(nèi)容的安排銜接上，一般工科專業(yè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都包含多元函數(shù)微分學(xué)和梯度、散度、旋度的內(nèi)容，這些內(nèi)容也是進(jìn)行場(chǎng)論分析的基礎(chǔ)。然而，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，很多院校在自動(dòng)化學(xué)科相關(guān)專業(yè)的課程安排上缺乏這些內(nèi)容的后續(xù)課程。例如，高等數(shù)學(xué)中的曲線積分、曲面積分等知識(shí)點(diǎn)在電磁場(chǎng)分析中占有很大的比例，而且其對(duì)于電機(jī)原理及運(yùn)行性能的分析也是必不可少的。然而，在自動(dòng)化學(xué)科的電機(jī)類課程中，由于不需要進(jìn)行基于“場(chǎng)”理論的分析，這部分內(nèi)容沒(méi)有后續(xù)課程內(nèi)容作為銜接[6]。

2.3 教師專業(yè)水平有待提升

其一，一些教師認(rèn)為自動(dòng)化屬于信息類專業(yè)，對(duì)于場(chǎng)論分析不必過(guò)于重視。當(dāng)前，我國(guó)在交通運(yùn)輸方面發(fā)展較快，這離不開(kāi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步，而高速高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是大功率電機(jī)的運(yùn)行分析，離不開(kāi)基于“場(chǎng)”的分析[7]。場(chǎng)論不僅對(duì)于電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的分析有著重要意義，而且也是分析新型電機(jī)和拖動(dòng)系統(tǒng)的重要依據(jù)。忽視場(chǎng)論這種有力的分析工具，無(wú)疑很難有效地說(shuō)明電機(jī)的工作原理及其控制系統(tǒng)。其二，一些教師對(duì)于使用場(chǎng)論來(lái)分析工程問(wèn)題的能力欠佳。眾所周知，電機(jī)類課程屬于工科專業(yè)課程，一些教師認(rèn)為工科專業(yè)主要是面向生產(chǎn)部門，因此，在教學(xué)過(guò)程中主要給學(xué)生講授常用的經(jīng)驗(yàn)公式，而對(duì)于稍微有些理論深度和難度的場(chǎng)論分析，則認(rèn)為學(xué)生在將來(lái)的工作中用不到，所以未進(jìn)行講授，久而久之，教師自己的理論水平也會(huì)有所下降。很多教師在電機(jī)類課程的教學(xué)過(guò)程中逐漸將場(chǎng)論分析的內(nèi)容邊緣化，最終將其排除在了教學(xué)內(nèi)容之外。然而，當(dāng)前我國(guó)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型迫切需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，沒(méi)有場(chǎng)論分析這個(gè)強(qiáng)大的理論工具，在電機(jī)及其控制領(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新[8]。

3 改進(jìn)措施

從以上分析可以看出，在自動(dòng)化學(xué)科的電機(jī)類課程教學(xué)中加強(qiáng)電磁場(chǎng)理論知識(shí)的教學(xué)是迫切的[9]，這不僅關(guān)乎整個(gè)學(xué)科知識(shí)體系的完備性，也關(guān)乎人才培養(yǎng)的模式。鑒于此，筆者提出以下兩點(diǎn)建議。

3.1 教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

由于在電機(jī)類課程中缺乏電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)內(nèi)容，很多富有創(chuàng)新性的知識(shí)難以展開(kāi)。要改變這種狀況，首先應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行改革[10]。然而，自動(dòng)化學(xué)科類的專業(yè)畢竟與電氣學(xué)科類的專業(yè)不同，難以開(kāi)設(shè)很多與電磁場(chǎng)分析有關(guān)的課程，這就需要對(duì)電機(jī)類課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于電磁場(chǎng)分析所需運(yùn)用的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)知識(shí)，大部分工科院校在大學(xué)二年級(jí)上學(xué)期就已經(jīng)講授。因此，可以考慮在大學(xué)二年級(jí)下學(xué)期開(kāi)設(shè)要求略低于電氣學(xué)科類專業(yè)的選修課程。這種選修課程的學(xué)時(shí)不宜過(guò)多，內(nèi)容不宜與電氣類的電磁場(chǎng)課程完全相同，而應(yīng)該突出電機(jī)類課程中可能要用到的電磁場(chǎng)理論知識(shí)，同時(shí)還應(yīng)該兼顧趣味性，以激發(fā)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)分析理論的學(xué)習(xí)興趣，從而進(jìn)一步展開(kāi)電機(jī)類課程的學(xué)習(xí)。

如果由于一些原因無(wú)法開(kāi)設(shè)選修課程，教師可以在開(kāi)展電機(jī)類課程教學(xué)時(shí)，進(jìn)行一些電磁場(chǎng)知識(shí)的預(yù)教學(xué)或在需要這些知識(shí)的時(shí)候進(jìn)行穿插教學(xué)，然后在各種電機(jī)工作原理的教學(xué)過(guò)程中，有意識(shí)地將電磁場(chǎng)理論知識(shí)與磁路知識(shí)有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生使用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行電機(jī)工作分析的能力[11]。

3.2 教學(xué)方法的改進(jìn)

電機(jī)類課程是理解難度較大的課程，電磁場(chǎng)理論課程也是有一定難度的課程。這兩類課程疊加學(xué)習(xí)，初學(xué)者可能會(huì)覺(jué)得難度太大。因此，在電機(jī)類課程中進(jìn)行電磁場(chǎng)理論分析，有必要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整。

一方面，教師要使學(xué)生能夠準(zhǔn)確理解所學(xué)的知識(shí)。對(duì)于電磁場(chǎng)理論在電機(jī)類課程中的應(yīng)用，主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知：第一，運(yùn)用動(dòng)畫和PPT進(jìn)行演示[12]。在上課時(shí)，教師可運(yùn)用PPT 和相關(guān)動(dòng)畫來(lái)演示電磁場(chǎng)理論和電機(jī)運(yùn)行的基本原理，同時(shí)配合主講教師的講授，這種方法目前已經(jīng)較為常見(jiàn)。第二，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)，著重講述電磁場(chǎng)理論在電機(jī)類課程中的應(yīng)用。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)，教師需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向?qū)W生講授實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，將電磁場(chǎng)理論的教學(xué)有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將理論與實(shí)踐結(jié)合，同時(shí)豐富學(xué)生的知識(shí)體系。第三，積極開(kāi)展對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的探索。電磁場(chǎng)的變化難以用肉眼直接觀測(cè)，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的電磁變化也是難以直接觀測(cè)的。欲使學(xué)生更加直觀地獲取知識(shí)，積極推進(jìn)和開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)是非常有效的途徑。目前，關(guān)于電磁場(chǎng)及電機(jī)運(yùn)行方面的虛擬實(shí)驗(yàn)素材還不多，教師需要在這方面不斷努力，構(gòu)建較為完備的虛擬實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)，以便能夠?yàn)閷W(xué)生提供更加豐富的知識(shí)素材。

另一方面，在電機(jī)類課程中電磁場(chǎng)分析內(nèi)容的教學(xué)中，教師還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)相關(guān)軟件的使用[13]，這些軟件主要是關(guān)于電磁場(chǎng)仿真方面的。電磁場(chǎng)仿真軟件可以幫助學(xué)生直觀且準(zhǔn)確地理解電機(jī)中電磁場(chǎng)的變化規(guī)律和情況。教師可以在課堂教學(xué)中穿插進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真方面的教學(xué)，同時(shí)在課后作業(yè)中也可以布置一些電機(jī)中電磁場(chǎng)仿真作業(yè)的練習(xí)，以便鞏固課堂教學(xué)的成果。

4 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)類課程是自動(dòng)化學(xué)科的核心課群之一，既關(guān)系到人才培養(yǎng)問(wèn)題，同時(shí)也和我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及制造業(yè)的升級(jí)有密切關(guān)系[14]。只有將此類課程的教學(xué)改革工作理順，才能促進(jìn)自動(dòng)化學(xué)科學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系不斷完善，進(jìn)而更好地為國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。