新工科背景下以能力培養(yǎng)為導向的課程教學改革研究
——以電機學課程為例

張葉貴，李光明，吉 暢

（六盤水師范學院 物理與電氣工程學院，553004，貴州六盤水）

“電機學”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，是支撐本專業(yè)后續(xù)在“電機運行、電機控制、電機與電器”三個專業(yè)方向上多門專業(yè)課學習的理論基礎，在培養(yǎng)學生綜合分析與解決電氣工程復雜問題的能力上具有重要的地位，對支撐電氣工程專業(yè)學生在未來就業(yè)領域中持續(xù)發(fā)展或繼續(xù)學業(yè)深造都具有無可替代的基礎作用。此外，電機在國民生活中也是不可或缺的一部分，電力系統的發(fā)、輸、配、變、用各個環(huán)節(jié)都與電機息息相關，其重要性不言而喻。自2017年以來，教育部大力推進“新工科”“工程教育認證”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等本科教學改革工程，旨在培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、綜合素質強的復合型新工科人才[1]?！半姍C學”是電氣專業(yè)的核心課，在六盤水師范學院電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)面向電力系統、電氣裝備等領域的專業(yè)型、應用型高級工程技術人才的課程體系中，起著承上啟下的作用，是后續(xù)學習電力系統分析、電氣控制與PLC 技術、工程供電技術等課程的前置課程?！半姍C學”本身理論性強、涉及知識面廣、與工程實際聯系緊密、內容知識難點較多且復雜抽象[2]，這對學生掌握電機的基本理論知識和分析并解決電機在運行和控制中出現的復雜問題帶來極大的挑戰(zhàn)。

本文以學生能力培養(yǎng)為導向對“電機學”進行教學改革，通過線上線下混合式教學方法，即線上電機運行原理動畫演示、電機虛擬拆裝，線下理論講解，旨在強化學生對理論知識點的理解與掌握；結合“新能源與智能配電網動態(tài)模擬實驗室、電工電子實驗室”進行“理論+實踐”教學，旨在解決學生學習過程中對知識的理解性困難及教學過程中電機運行原理展示困難等問題；教學過程中，引導學生對電機在運行與控制中存在的相關技術問題進行研究，旨在激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。此外，為更好地提高學生的積極性與參與度，強化學生的自主學習能力，科學評價學生學習效果，探索多元化考核方式，對學生的“知識、能力、態(tài)度”進行多維度的考核。

1 電機學模塊化教學體系的構建

“電機學”教學內容可總體概括為：電機基礎理論知識、變壓器、異步電機、同步電機、直流電機五大類內容[3]。其每一部分又可分為電機的物理結構與運行原理兩個模塊，雖然不同電機的物理結構不同，但其運行原理都是圍繞電磁力定理與電磁感應定理，從而實現機電能量的相互轉換[4]。此過程中的教學難點是建立不同電機運行的數學模型、等效電路、基本方程及相量圖。教學過程中需依據所建立的電機數學模型對電機運行過程進行分析，其中難以理解的部分是電樞通以電流如何建立磁通，磁通交變是如何感應電勢，如何保證磁通呈現正弦波的變換，或是如何保證最終產生的感應電勢呈現正弦交變的波性。學生在學習過程中需要通過想象構建電機在運行過程中磁力線的分布，探討感應電勢與磁通存在什么樣的關系，以及感應電勢中的諧波消除方法。

針對電機學教學過程中存在的難題，對電機學教學方式進行模塊式劃分。電機學的教學是對電機實物的運行原理進行詳細分析概述，所以電機的教學可整體劃分為電機的物理結構與運行原理兩個部分。因此，在學習電機運行原理之前應對其結構有整體認知，如異步電機運行原理分析中，學生可提前對異步電機進行拆解觀察，提升學生對電機學習的興趣。通過線上電機運行原理動畫演示，解決學生在觀察學習電機運行原理過程中，對磁通分布情況難以理解的問題。建立學生對電機的結構認知后則是電機的理論教學部分。電機學的學習過程中大部分知識都可互通，其知識體系結構大體一致，可基本概括為如圖1 所示的內容結構。

圖1 電機理論知識體系

電機學理論學習的一大特點是知識的串聯性，學生大腦中往往缺乏知識的整體架構。因此，在教學過程中幫助學生將知識融會貫通極為重要，通過模塊化教學對各部分知識存在的差異進行重點概述。如變壓器結構與異步電機結構的差異，變壓器相比較于異步電機而言，兩者都有磁到電、電到磁的過程，不同的是異步電機存在旋轉部件，電樞繞組所建立的磁通也是旋轉的，異步電機運行原理分析相比較于變壓器而言存在一定的難度。但通過最終建立的等效電路來看又存在一定的相似性，不同的地方在于變壓器的二次側歸算至一次側時只需要將匝數進行歸算即可，而異步電機不僅因匝數的不同需要歸算，還有因頻率的不同、相數的不同及繞組因數的不同需要歸算。在學習過程中應兼顧各章節(jié)所學知識并將其串聯，對知識差異的部分進行重點講述，以達到學生將電機學理論知識融會貫通的目的。

2 多元化教學模式的實施

2.1 線上線下混合式教學

電機學作為電氣專業(yè)一門晦澀難懂的課程，教學手段與教學方法尤為重要。首先，在實際教學過程中，若采用單一的純理論教學模式，學生的學習興趣與學習熱情會大打折扣。在教學過程中應多結合實際生活，如深槽和雙籠感應電機的教學章節(jié)中，其原理是電磁場中的集膚效應原理[6]，該原理不僅僅應用于深槽和雙籠電機的制造，在家用的多芯導線、電視天線、架空輸電線路等產品中隨處可見其應用場景。因此，在電機學教學過程中不可脫離實際生活來談理論教學。其次，電機教學過程中，電到磁、磁到電的過程是交替往復存在的，如變壓器的一次側施加電壓產生交變電流，交變的電流產生變化的磁通進而在一、二次側產生感應電勢，在二次側電路閉合的情況下二次側也會產生交變電流，又進一步打破原有平衡。上述電磁變化過程是較難想象與難以理解的，此時通過線上動畫視頻演示，結合線下實物展示與理論教學，將進一步提升學生對知識的理解程度及聯系實際的能力。因此教學過程中應采用線上線下教學模式、結合實驗教學的多元化教學模式，在提升學生學習興趣的同時，也進一步提升了學生對理論知識的掌握程度。

2.2 “理論+實踐”混合教學

在電機學課程教學過程中，實驗教學旨在使學生理解理論知識的同時，提升其學習動手能力及分析解決問題的能力，理論教學與實驗教學相輔相成。以變壓器章節(jié)和異步電機章節(jié)教學為例，在變壓器運行過程中，假定變壓器一次側外加電壓頻率與匝數恒定的情況下，鐵芯磁化曲線與外加電壓呈現正比例關系，考慮到鐵芯內部的磁飽和現象，其磁化曲線呈現出非線性狀態(tài)。在教學過程中分別對兩個班級采取兩種不同的教學方式，其差異在于教學過程中是否安排實驗教學環(huán)節(jié)。在變壓器章節(jié)教學結束后進行線上檢查，檢測成績以百分制計，兩個班級成績分布如圖2 所示。

圖2 習題作答結果對比

圖2（a）為開展實驗班級，總人數為47，總體平均分為84 分，60 分以下的人數為1。圖2（b）為未開展實驗班級，總體平均分為52 分，僅1 人測試成績及格。同樣對于異步電機而言，為了消除諧波電勢而將電機制造為斜槽或者斜極的形式，以及為了提升異步電機的啟動性能而制造深槽和雙籠電機。理論教學過程加以實驗教學的輔助，通過實驗將理論知識中的原理得以呈現，通過觀察實驗現象達到加深理論知識理解的目的。

2.3 電機學研究思維拓展

以異步電機的運行特性為例，通過理論分析與實驗建立異步電機的等效電路，如圖3 所示。

圖3 異步電機等效電路

通過對異步電機等效電路圖的建立，將異步電機從電磁分析轉換為純電路分析，由此推導出電磁轉矩方程為：

式中：Te為異步電機的電磁轉矩；m1為相數；Ωs為旋轉磁場機械角速度；r1、r2′分別為定子與轉子繞組；x1、x2′分別為定子與轉子漏抗；s 表示轉差率。

在保證異步電機外加電壓不變的情況下，則異步電機的電磁轉矩表現為轉差率函數，由電機學理論知識分析得出了異步電機的最大轉矩與轉子電阻大小無關，出現最大轉矩時的轉差率與轉子電阻大小有關，由此可通過轉子串電阻的方式來提高電機的啟動性能。根據上述分析結果，在電機生產制造過程中，可將電機的轉子改造成深槽或雙籠，以達到改善電機啟動性能的目的。同時學生通過這一探究，提高了探索學習新知識的興趣。由電機的結構及運行特性建立起電機的等效電路圖，根據電路圖所建立的電機方程式分析電機運行性能、參數對電機性能指標的影響，由原理分析帶動電機理論知識研究，將研究結論反饋電機生產制造，培養(yǎng)學生理論緊密聯系實際的意識。

3 課程教學考核與評價

3.1 課程教學考核

通過考核衡量學生課程學習的效果，科學的考核方法和評價手段是保證教學質量的重要因素。以往電機學的考核中理論知識成績與平時成績占比分別為70%和30%左右，過于強調理論知識的重要性而輕實踐。在實際教學過程中發(fā)現，學生過于偏重理論考核，學習也由最開始的主動接受到之后的被動學習，背離了學習應該以興趣為導向的初衷而變成了以考核目標為導向。因此，為幫助學生“撥亂反正”，對現有課程體系考核方式進行改革，采取過程性考核與最終性考核相結合的考核方式。將過程性考核成績的權重提高至50%，豐富過程性考核內容，突出考查學生分析、解決問題的能力及動手能力。過程評價重視學生整個學習過程中的表現，一是利用學習通網絡平臺提前布置學生預習理論知識，參與討論、測試、作業(yè)、擴展學習、思維導圖等并對完成情況進行持續(xù)跟蹤，形成動態(tài)實時考核數據（占30%）；二是對挑戰(zhàn)性實驗部分（占20%）采取過程跟蹤評價，明確實驗課教學、現場操作、實驗報告及平時學習狀態(tài)考核標準，重在對現場操作的考核。制定詳細的評價標準確定過程性評價結果，完善教學方法和考核辦法。總結性評價（占50%）通過期末考試考量學生實質性“學習產出”，全面了解學生是否掌握電機學知識，并具備對知識綜合運用的能力?；谶^程性和總結性評價進行課程總成績目標達成度的分析，不斷進行課程改進。實施以“知識+能力+態(tài)度”的多維度考核標準，構建以能力培養(yǎng)為目標的科學評價體系，提高學生學習的積極性和參與度，以學生為中心，讓學生由被動接受教學到主動學習，強化學生自主學習能力的培養(yǎng)。

3.2 課程目標達成評價

電機學課程涵蓋的知識有變壓器、異步電機、同步電機、直流電機四大內容，為了評價學生對課程知識體系的掌握程度，采用“知識目標達成度”與“課程總達成度”來衡量班級學生對知識理解與掌握程度。課程目標達成評價方法如下：

式中：ACH、GP 分別為課程總目標達成度和總分（滿分）；ACHi、ri、GPi分別為課程第i 個知識目標的達成度、占比、總分（滿分）；GPAij、rij分別為課程第i 個知識目標對應第j 種評定方式的平均成績和占比。

課程知識目標m 的取值由課程知識體系決定，如電機學課程中共計4 個知識目標，則m 的取值為4；n與m 的取值方式相同。由上述課程目標的計算公式，對電機學課程的達成度進行計算與評價。

4 結語

以能力為導向的電機學教學改革，旨在使學生在理解與掌握理論知識的基礎上，結合實驗教學及聯系實際，提升分析解決實際問題的能力。通過構建模塊化教學，幫助學生對電機學的總體知識內容進行整理歸納，在教學過程中將實驗教學與理論教學相結合，使理論教學與實際緊密聯系，教學結果表明該方式能夠很大程度地提升學生對理論知識的理解。此外，對現有課程教學考核方式進行改革，構建以能力為目標的科學考核體系，使學生由原來的被動接受教學轉變?yōu)橹鲃訉W習。以能力為導向的電機學多元化教學改革對學生學習興趣及能力的提升具有明顯的作用，值得在理論知識與實際聯系較為緊密的專業(yè)課程中推廣。