“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)方法研究與探索

摘要：針對(duì)“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的問(wèn)題，如學(xué)生難以理解電機(jī)結(jié)構(gòu)、公式繁多，以及課程涉及力學(xué)、磁場(chǎng)和電路多知識(shí)體系等難點(diǎn)，為取得好的教學(xué)效果，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了研究。在理論教學(xué)中，采用建模方式講授電機(jī)、可視化抽象的概念、對(duì)比教學(xué)等多種方法，并強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)?zāi)康男院涂己?。通過(guò)近兩年該課程的目標(biāo)達(dá)到度分析，說(shuō)明采取的教學(xué)方法是有效的。

關(guān)鍵詞：電機(jī)教學(xué)研究工程認(rèn)證動(dòng)畫

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

ResearchandExplorationofTeachingMethodsfortheCourseof"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"

CHENGLi*YAOWei

CollegeofComputerScience，South-CentralUniversityforNationalities，Wuhan，HubeiProvince，430074China

Abstract：Inresponsetotheproblemsintheteachingofthecourse"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"，suchasdifficultyinunderstandingthestructureofelectricmotors，numerousformulas，andtheinvolvementofmultipleknowledgesystemsinmechanics，magneticfields，andcircuits，researchisconductedonteachingtoachievegoodteachingresults.Intheoreticalteaching，variousmethodssuchasmodeling，visualizingabstractconcepts，andcomparativeteachingareused.Andexperimentalassessmentanddataprocessingarestrengthened.Throughtheanalysisofthedegreeofachievementofthecourse'sobjectivesinthepasttwoyears，itisdemonstratedthattheteachingimprovementsadoptedareeffective.

Keywords：Electricmotor;Teachingresearch;Engineeringcertification;Animation

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”是自動(dòng)化專業(yè)非常重要的一門必修課程，主要講述直流電機(jī)、變壓器和交流電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性，涉及知識(shí)面廣，是電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)的綜合[1-3]。該課程在專業(yè)學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用，具有非常重要的地位。學(xué)好該課程將為學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程打下必要的理論基礎(chǔ)[4-5]。眾多學(xué)者對(duì)電機(jī)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了廣泛的研究[6-9]，也為課程的講授提供了借鑒。

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程的授課對(duì)象為自動(dòng)化大二下學(xué)期的學(xué)生，經(jīng)過(guò)大學(xué)階段一年半的前期學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了一定的理論基礎(chǔ)，但尚未接觸過(guò)復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)習(xí)；此外，在這個(gè)階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)重，所學(xué)課程難度大，導(dǎo)致教學(xué)效果比較差。在課程教學(xué)中，學(xué)生反映的問(wèn)題主要包括：（1）不清楚電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，難以理解繞組布置等知識(shí)，產(chǎn)生畏難情緒，對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)造成障礙；（2）難以理解抽象的磁場(chǎng)概念，特別是異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；（3）概念和公式繁多，難以熟練掌握眾多知識(shí)點(diǎn)并靈活應(yīng)用。因此，如何對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，以符合工程認(rèn)證“學(xué)生中心，目標(biāo)導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的理念，使學(xué)生更好地掌握課程知識(shí)，培養(yǎng)其多方面能力，是一個(gè)值得研究的課題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在工程認(rèn)證相關(guān)要求下，以該課程教學(xué)大綱為宗旨，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了探索，并取得了一定的成效。

1課堂教學(xué)的探索

傳統(tǒng)課堂教學(xué)為教師采用多媒體和板書作為手段的教學(xué)模式，教師單向傳輸，學(xué)生被動(dòng)接受，不利于課程教學(xué)[3]。為改善教學(xué)效果，教學(xué)采取了以傳統(tǒng)方式為主，從建模角度講解各種電機(jī)，將課程理論知識(shí)歸結(jié)為一個(gè)個(gè)電路或函數(shù)模型，輔以課堂小視頻、動(dòng)畫展示、比對(duì)教學(xué)等多種方式，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中注重目的明確化、考察細(xì)致化。具體而言，理論教學(xué)主要做到以下幾點(diǎn)。

1.1從建模角度講授

電機(jī)課程是學(xué)生在本科階段首次接觸到的一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，既需要熟悉多種電機(jī)的結(jié)構(gòu)，還需掌握它們的運(yùn)行原理和啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等內(nèi)容。在教學(xué)中，可以從建模的角度講解各種電機(jī)。雖然電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的糅合了機(jī)械、電路和磁路的復(fù)雜系統(tǒng)，但可以給這個(gè)系統(tǒng)建立較簡(jiǎn)單的模型，掌握了模型后，通常只需要對(duì)模型進(jìn)行分析，不用關(guān)心其實(shí)物結(jié)構(gòu)。

1.2抽象概念的可視化

為了加深學(xué)生對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，在課堂上播放介紹電機(jī)結(jié)構(gòu)的視頻，如直流電機(jī)部分。視頻包括模型演示視頻和電機(jī)結(jié)構(gòu)視頻，通過(guò)這2個(gè)視頻，讓學(xué)生由簡(jiǎn)單的模型過(guò)渡到實(shí)際的電機(jī)結(jié)構(gòu)，掌握電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)及其作用。模型視頻展示直流電機(jī)的運(yùn)行原理，可概括為“旋轉(zhuǎn)的電路切割固定的磁場(chǎng)，產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)和電流，同時(shí)產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩”，在這一理念的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)視頻展示電機(jī)實(shí)物圖、加工及組裝過(guò)程，同時(shí)加以講解，能取得較好的學(xué)習(xí)效果。此外，還讓學(xué)生在課堂上傳看小型永磁直流電機(jī)的實(shí)物。

對(duì)于異步電機(jī)的學(xué)習(xí)，學(xué)生要形成定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一概念比較困難。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者采用MATLAB設(shè)計(jì)了一款異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫軟件[10]，在教學(xué)中iV0kWLSDBT1DTfHE+bhASQ==加以演示，以可視化的動(dòng)畫展示不可見(jiàn)的磁場(chǎng)，能夠取得較好的效果。圖1為該軟件系統(tǒng)的界面和部分運(yùn)行瞬時(shí)圖。

該軟件以單層整距繞組為例，可設(shè)置定子繞組總槽數(shù)、磁極對(duì)數(shù)、電壓幅值和頻率等參數(shù)，用實(shí)線、虛線和細(xì)虛線3種線型展示三相繞組布置、磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)的波形和形狀，演示在電源頻率發(fā)生變化時(shí)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的變化、在三相電壓幅值改變時(shí)磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)的運(yùn)行[10]。通過(guò)動(dòng)畫演示，讓學(xué)生更容易掌握旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的概念，并產(chǎn)生異步電機(jī)“旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)切割旋轉(zhuǎn)的電路，產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)和電流，并產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩”和“通過(guò)三相繞組中的電流在空間和時(shí)間上的配合，形成電流的‘旋轉(zhuǎn)效應(yīng)’，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)”等觀念。

1.3對(duì)比與類比

對(duì)比教學(xué)是一種在教學(xué)過(guò)程中著重體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容之間異同關(guān)系的教學(xué)方法。對(duì)比教學(xué)法可以對(duì)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行多方面和多角度的比較，變單向灌輸式學(xué)習(xí)為雙向互動(dòng)式學(xué)習(xí)，有助于提高學(xué)生多方面能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象[3]。在教學(xué)中，將學(xué)習(xí)的兩種電機(jī)和變壓器進(jìn)行多方面的比較，增進(jìn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解。圖2為教學(xué)中使用的該課程中電機(jī)及變壓器相關(guān)知識(shí)的比較點(diǎn)。

除此之外，在教學(xué)中，還對(duì)日常生活的例子和課程知識(shí)做類比，用學(xué)生熟悉的知識(shí)類比新學(xué)的內(nèi)容。例如：直流電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速可用騎自行車下坡進(jìn)行類比，直流發(fā)電機(jī)外特性可和有內(nèi)阻直流電源做比對(duì)，這樣可以讓學(xué)生更容易明白所學(xué)知識(shí)。

1.4適當(dāng)拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容

本課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，因此，在學(xué)習(xí)電機(jī)基本理論外，引入一些具體應(yīng)用對(duì)學(xué)習(xí)非常有幫助，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)該課程能做什么、怎么做。例如：在學(xué)完直流電機(jī)調(diào)速原理后，簡(jiǎn)單講述H橋電路，介紹如何通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和降壓調(diào)速；在異步電機(jī)學(xué)習(xí)中，講述三相逆變電路，以及通過(guò)SPWM算法實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓原理，并介紹異步電機(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，開闊學(xué)生的眼界。

除了采用上述措施之外，課程組還將所有的學(xué)習(xí)資料及時(shí)上傳到學(xué)習(xí)通網(wǎng)上平臺(tái)，包括課程PPT、課堂視頻和實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生在課后可以通過(guò)這些資料進(jìn)行自學(xué)。

1.5多種技術(shù)的應(yīng)用

在教學(xué)中，還運(yùn)用多種技術(shù)以提高教學(xué)效果，例如，MATLAB編程技術(shù)的應(yīng)用將抽象的磁場(chǎng)具象化，展現(xiàn)異步電機(jī)的繞組布置、磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)各種形態(tài)和運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生運(yùn)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合并繪制圖形。此外，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將線上、線下教學(xué)結(jié)合起來(lái)。在線下上課時(shí)，錄制講課視頻并保存在學(xué)習(xí)通中，讓學(xué)生課后觀看。平時(shí)測(cè)試在學(xué)習(xí)通上進(jìn)行，任課老師批改后，可方便地由計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)每道題目的得分情況，及時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，便于老師采取相應(yīng)措施。圖3為某次課堂測(cè)試選擇題的得分統(tǒng)計(jì)圖。

2實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改進(jìn)

除了理論課之外，課程還包括一定課時(shí)的實(shí)驗(yàn)。除了對(duì)理論課進(jìn)行研究外，對(duì)實(shí)驗(yàn)也做了一定程度的改進(jìn)。

2.1目的更明確

在實(shí)驗(yàn)中，任課老師提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子檔以讓學(xué)生打印，讓學(xué)生免于抄寫實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E等內(nèi)容，按要求專注于實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的處理。在實(shí)驗(yàn)中，做到逐步提高難度，要求學(xué)生從按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)到獨(dú)立完成線路的設(shè)計(jì)和連接。每次實(shí)驗(yàn)中，除記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還需記錄電機(jī)的參數(shù)。例如，在直流電機(jī)特性實(shí)驗(yàn)中，不僅要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到電機(jī)的特性表達(dá)式，還需根據(jù)電機(jī)額定值等數(shù)據(jù)，由理論知識(shí)計(jì)算出電機(jī)的特性表達(dá)式，并進(jìn)行比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，不僅讓學(xué)生更深刻地理解相關(guān)理論，也能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)處理能力，訓(xùn)練其獨(dú)立從事科研活動(dòng)的思維。

2.2考察更細(xì)致

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，做到考察細(xì)致化，所有考核都有明確的考察點(diǎn)。例如，實(shí)驗(yàn)前要預(yù)習(xí)，完成線路的連接圖、實(shí)驗(yàn)步驟和參數(shù)記錄表格的設(shè)計(jì)，并給出相應(yīng)得分；在實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生每完成一個(gè)項(xiàng)目都要找老師檢查實(shí)驗(yàn)效果；完成實(shí)驗(yàn)后，還需處理數(shù)據(jù)，得出明確的結(jié)論，并回答實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的思考題。通過(guò)細(xì)致的考察，讓學(xué)生更加認(rèn)真地完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和后期的數(shù)據(jù)處理，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的目的。

3課程的教學(xué)評(píng)價(jià)

根據(jù)教學(xué)大綱要求，本課程由平時(shí)測(cè)驗(yàn)、平時(shí)作業(yè)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和期末考試4部分成績(jī)組成，其所占比例分別為10%、20%、20%和50%，且期末考試卷面分高于一定分?jǐn)?shù)才能通過(guò)課程考核。在大綱中，給出了4個(gè)目標(biāo)達(dá)成度1～4及其組成。為了統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)各目標(biāo)達(dá)成度對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，對(duì)參與考試的學(xué)生卷面分值和4個(gè)目標(biāo)達(dá)成度分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。表2給出了最近兩年的統(tǒng)計(jì)情況。其中，2020級(jí)和2021級(jí)（大二下學(xué)期課程）參與統(tǒng)計(jì)的學(xué)生分別為157人和161人，期末考試題型相同，兩次統(tǒng)計(jì)值分別為教學(xué)改進(jìn)前后的值。由表2可見(jiàn)，在統(tǒng)計(jì)的4個(gè)目標(biāo)中，目標(biāo)1和3的達(dá)成度結(jié)果均有一定程度的改善，目標(biāo)2和4則基本保存不變，說(shuō)明本文采取的教學(xué)改進(jìn)是有一定效果的。

4結(jié)論

為改善“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)效果，在傳統(tǒng)教學(xué)方式基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究和探索。在理論教學(xué)中，采用建立模型的方式講授各種電機(jī)，并引入小視頻和動(dòng)畫；通過(guò)對(duì)比和類比，適當(dāng)拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，進(jìn)行考察細(xì)致化，并在工程認(rèn)證的背景下對(duì)該課程進(jìn)行了考察。通過(guò)最近兩年的課程目標(biāo)統(tǒng)計(jì)，表明教學(xué)上的改進(jìn)是有效的，并希望能夠持續(xù)改進(jìn)該課程的教學(xué)效果。

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