以培养应用创新型人才为导向的电机学课程教学改革研究*

赵 浩

(嘉兴学院南湖学院机电与建筑工程系, 浙江 嘉兴 314001)

引言

电机是电气工程及其自动化专业的学生将来所要从事的工程设计、设备安装、系统调试、维修保养等工作中面对的重要设备，作为介绍多种电机结构、原理、性能的课程《电机学》，是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课，也是学生由多年理论课学习转向专业课学习的首门课程.该门课程与实际接触紧密，理论性强、抽象概念多，讲述的内容不仅是后续专业课的理论基础，也是电气工程领域实践问题的理论依据，因此，如何让学生在有限的时间内掌握电机的基本理论，以及培养学生的应用创新能力，具有重要的现实意义[1].

课程中的多种电机工作原理都是建立在基本的电磁定律的基础上，它们在基本特性上有许多共同之处，但又有各自的特点，因此在学习过程中要抓住主要矛盾，集中掌握基本规律和主要理论，将各种电机联系起来，分析和掌握共同规律，并注意各自的特殊性[2].

本文结合嘉兴学院南湖学院电气工程及其自动化专业的培养方案，以培养应用创新人才为导向，对本门课程提出了几点教学改革措施，包括课程的理论教学、实验教学、考核方式以及注重实践这几个方面，并用于实际的教学过程中，取得了较好的成效，提高了学生学习课程的积极性.

1 理论课程体系的合理优化

在理论授课过程中，采用的教材是机械工业出版社编写的《电机学》第四版，课程的主要内容包括磁路、变压器、直流电机、交流电机理论的共同问题、感应电机和同步电机六大部分[3]，详见表1.

本课程在本校现有的电气工程及自动化专业学科人才培养方案中设置的总课时为84，其中理论课72课时，实验课12课时，在二年级第二学期一个学期内完成，每周为5课时.由于课程知识点较多，理论性和实践性较强，这么大的知识量对于学生来说很难在课后短时间内完全理解；且部分理论性很强的章节在不影响整个知识构架的情况下可以适当删减，但如果后续课程一定要用到某些理论知识或者数学推导，也要花力气给学生讲明白，基于此，首先对课程的时间安排和授课内容作出如下调整.

表1 电机学理论课程内容

1)课程时间安排 将课程分在两个学期授课，第一学期讲授磁路、变压器、交流绕组和同步电机部分，共40课时，平均每周2.5课时；第二学期讲授异步电机和直流电机部分，共32课时，每周2课时.与之配套的实验课时也分两个学期完成，第一学期6课时，第二学期6课时.这样学生就会有更充足的时间来学习和掌握这门重要的专业基本课，为后续专业课的学习打下扎实的基础.同时，在教学内容上，应与先修课程和后续课程做好合理的衔接，做到教学内容不重复、不脱节.对理论教学的课时和授课内容进行了优化调整.

2)理论课时的调整 理论课时的调整见表2.

表2 原大纲理论课时与优化后理论课时的比较

从表2可知，调整后磁路、交流电机理论的共同问题、感应电机和同步电机四大部分内容的课时有了变化.对于磁路部分，磁路的概念基本贯穿整个课程的讲解过程，适当补充与磁场相关的物理量和基本的电磁定律，比如磁场强度H、磁感应强度B和磁通量Φ、通电导体在磁场中受力、法拉第电磁感应定律和楞次定律等等，同时强调磁路基本定律的重要性，包括安培环路定理、磁路的欧姆定理和磁路的基尔霍夫第一、第二定理，这些基本定理是磁路计算的基础，也是各种电机工作的重要理论支撑；定性介绍常用铁磁材料的磁化过程、特性以及损耗的产生过程；重点讲解直流磁路的计算步骤和方法，包括串联磁路和并联磁路，永磁磁路的计算不作要求；电抗与磁导的关系不作要求.对于交流电机理论的共同部分，着重讲解气隙磁场正弦分布时交流绕组的感应电势，以及通入正弦交流电时(单相和三相)绕组(单相和三相)的磁动势，此两项为讲解感应电机和同步电机的工作原理的理论基础；其余部分内容只作定性介绍.对于感应电机与同步电机部分，感应电机是工程实际中应用最为广泛的设备之一，主要用作电动机；而同步电机则是主要用于发电机或对电网进行功率因数补偿，其应用面相对感应电机较窄，因此理论讲解时应向感应电机部分倾斜.

2 改进课堂教学方法

本门课程的特点是理论性强，概念比较抽象且涉及面广，比如时间相量、空间矢量、电枢反应、旋转磁场、脉振磁场、磁势平衡、槽电势星形图、基波和谐波等等，基本都是看不见、摸不着的电磁场关系；公式推导比较多和繁琐，比如反电势、电磁转矩、绕组归算、等效电路、电压方程等等，学生看到这些公式心里就没底；电机的工作原理是以其机械结构为基础的，而现有的教材中的平面图形学生难以理解，想象不出具体的电机结构，为学习电机的工作原理带来了很大的障碍.基于此，对课堂的教学方式进行了如下改进.

1)化抽象为直观和形象 利用3D和VB编程技术，在课件中插入大量图片和动画，结合透明模型以及录像，演示电机复杂结构、绕组连接、磁场分布和变化、电机分析中等效电路、相量图以及起动调速运行性能等不易为学生理解的知识.其次，多媒体课件插入大量特种电机模型，通过课堂演示，让学生能够认识到课本上还没有涉及到但应用广泛的特种电机，使教学更加适应新技术发展要求[4].

2)电机实物模型教学 模型教学可以加深学生对电机的感性认识和学习兴趣，模型在通电情况下，能短时间运行，能反应电机运行中物理现象，如电机起动，发热和温升等.学生对模型有强烈的研究兴趣，基于模型能提出不少问题，加深了学生对电机的感性认识，同时还增强了学生对电机的学习热情[4].

3)注重板书和定性分析 课堂理论教学除了要播放多媒体电子课件以外，还要采用交互性很强的“黑板+粉笔”这种传统方式(对青年教师养成良好的教学习惯尤为重要)，以有效地抓住学生的思路，授课过程合理的“慢”下来，提高教学效果；弱化公式推导，掌握最终结论，注意哪些物理量对结论有影响；强调基本理论和基本概念，构建一套采用电磁符号描述来阐述电机工作原理和特性的方法，对电机使用时的分析只作定性的描述，暂不要求做定量的计算.

4)注重启发和引导教学，激发学生创新意识 课堂教学中要注重启发和引导学生进行独立思考，比如在讲解直流电机的工作原理时，以通电导体在磁场中受力这一基本定律为切入点进行问题设置，如果直流电机只有定子磁场和转子绕组的话，是否可以实现连续旋转？如果不能，是什么原因导致？解决的方法和措施又是什么？电机转子受力旋转后是否会产生感应电势？为什么该电势称为反电势？该电势在电机的整个过程中起到了什么作用？如果在直流绕组中通入交流电会产生什么现象？对原有的机械结构改进后，是否可以实现其它新的功能？又如异步测速发电机，为什么激磁绕组和输出绕组在空间上是正交的？激磁绕组如果通入直流励磁是否能够达到原来的测速功能？测速发电机的误差哪些是可以抑制的？为什么可以抑制？此外，可以根据课堂的讲解内容，引入相关科研成果进行介绍，激发学生的学习兴趣和创新意识，鼓励学生大胆质疑，提出不同的见解和观点，为学生提供发表自己见解的机会，师生互动研讨，使学生变客体为主体，可培养、提高学生独立思考的能力和对课程的学习兴趣，并通过这样一系列的启发和引导，实现学生思维从基本的概念和理论到应用创新的延伸.

3 加强实践教学

实践教学对培养学生的应用创新能力十分重要，因此，要注重和加强实践教学环节，对学生进行积极的指导和引导.

1)增设实验室开放项目 根据课堂上已经讲解过的理论知识，比如说交流异步电动机的正反转控制，理论课已经知道控制电机正反转的关键在于调换任意两相交流电的相序，而继电器-接触器可以实现开关的切换，且通过时间继电器的控制可以设定开关的切换时间.然后由教师提出实验目的、要求和注意事项等，实验方法和步骤由学生自己拟定，如果实验失败，原因是什么，如何检查线路连接的正确性，等等，达到提升学生解决实际应用问题能力的目的.

2)鼓励学生积极申报各类校级、省级学生科研项目 当学生有了一定的创新意识和必要的知识储备以后，鼓励学生开展以解决实际工程问题为目标的科研项目申报，比如说目前单相罩极电机存在启动力矩小、转矩脉动大的不足，是否可以找到解决这些问题的方法和措施？直流电机换向过程中存在转矩波动，负载时更为明显，能否对直流电机的换向进行改善？

4 改革考核方式，注重过程并增加实验考核比重

本门课程的原有考核方式为期末考试加平时考核，其中期末考试采用闭卷考试，占总成绩的70%；平时考核占总成绩的30%，其中10%为实验成绩，20%为平时作业和到课率情况考核.原有的考核方式中：期末考试成绩的比重偏大，导致学生平时学习劲头不足，考试前临时突袭复习，甚至出现考试时带小抄的作弊现象；实际操作技能部分的考核分量不足，导致学生在做实验时课堂秩序较差，且实际操作时只是简单的按照实验指导书上的步骤进行，没有对实验原理进行深入的思考，实验出现问题时只会向实验老师求助，不能找出故障所在并将其解决，无法将理论课上的知识与实际操作和应用有机融合，达不到本门课程的最终学习目的；学生的平时作业存在抄袭现象，以及点名时存在冒名顶替现象，无法真正的、客观的反映出每位同学的平时学习情况.基于此，本门课程的原有考核方式需要进行合理的调整和改进.

1)适当减小理论考试成绩所占考核比重 减小期末理论考试成绩的比重至50%，期末考试的比重不宜过小，因为课程的基本概念、基本方法和基本理论要求学生务必掌握牢靠，此外考试内容方面需增加一些与实际应用相关的题目.

2)注重平时考核 平时作业和到课率所占总成绩的比重仍为20%，但主要采用课堂提问(随机抽点并让学生到讲台上讲解具体解题过程)和习题小测试(自编习题)的形式展开，增加与学生的互动过程，这样既可以提高学生的学习积极性和到课率，又能较为客观的反映出学生平时的实际学习状况.

3)增加实验考核比重 实际操作技能部分的成绩比重增加至30%.以往一般只将课程的实验单独记分，现将实验环节作为一门课程单独考核记分，其成绩可由三部分组成：一是实验中的表现，主要表现在遵守实验规则和实践操作能力考核；二是实验报告，要求学生实验前按照规范认真撰写预习报告，并将实验指导书要求的思考题先做出理论上的解答，试验结束后，要求学生查看实验数据是否合理，曲线绘制是否正确，实验现象分析是否准确等，并直接将实验报告交至指导教师，防止学生课后抄袭实验数据.第一部分和第二部分共占总成绩比重的15%.三是实验考试成绩，学期结束时增设一次实验单独考试环节，每个学生抽签选题后，要求独立完成，包括了解实验的原理、接线、仪表使用、数据处理、故障的处理等，并回答1～2个相关的问题.

5 结束语

本文通过优化课程体系、改善课堂教学方法、加强实践教学、注重学习过程和实验操作技能考核这几个方面，对电机学课程进行了改革，经过实践证明，上述教学改革能够提高学生学习的积极性和主动性，有利于增强学生的应用创新能力.

参考文献：

[1]刘毅力, 李彦斌. “电机学”课程教学改革探讨与实践[J].电气电子教学学报, 2009, 31(4):104-105.

[2]李光友, 王建民, 孙雨萍. 控制电机[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3]汤蕴璆. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[4]张新华, 杨泽斌, 朱熀秋.《电机与拖动基础》精品课程建设改革与实践[J]. 中国电力教育, 2008,(18): 120-121.