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关于“电机学”课程教学的改革与实践

摘要：《电机学》是电气工程及自动化等专业的一门主要技术基础课,是工科大学公共基础课与专业技术课之间的一座桥梁,具有与工程实际密切联系的特点。本文结合多年来的电机教学实践、教学改革以及课程系统建设所取得的初步成果，从课程特点、专业特点、教学实践、教材建设、教学改革、课程辐射、科研拉动等方面入手，总结了电机学课程教学改革的方法和电机及电气技术实践经验，使学生不仅学习理论知识,而且了解和掌握解决工程问题的一般方法,以及培养解决电机及电气技术实训装置具体问题的动手能力,为此我们在《电机学》课程的教学内容、教学方法、电机及电气技术实验等方面进行了有益的探索与实践．
　　“电机学”课程是电气工程专业的一门专业基础课。课程主要内容包括：变压器，交流电机绕组理论，异步电机和同步电机以及直流电机，共五篇。课程的特点是理论性强、概念多，与工程实际联系密切。学生通过本课程的学习，将获得电机的基本理论知识、基本分析方法和基本实验技能，为进一步学习专业课和从事相关专业工作打下坚实基础。
一、电气工程专业学习特点：
　　在基于我校信息与电气工程学院国家级重点学科“农业电气化与自动化”的基础上，着眼于地方电网，从控制与运行的角度进行讲授。本专业培养能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、实验分析、研制开发、经济管理、工程设计与施工以及电子与计算机应用等领域工作的宽口径复合型高级工程技术人才。课程设置偏重于电力系统及其自动化，主要学习电力系统的运行分析、系统规划、自动化技术应用等方面的知识。知识结构上体现了强电与弱电相结合，电工技术与电子技术相结合，软件与硬件相结合，工程与科技开发相结合的特点。
二、课程特点：
　　本课程基于在电力系统中运行的各种电机进行分析与研究，因此电机的“功率”特征十分明显；着重于稳态分析，与先期课程衔接紧密，如普通物理、电路原理等；因普遍涉及铁磁材料，故非线性（饱和）问题是必须面对的；一方面，课程在遵循经典电工与电磁理论的基础上，推导严密，教学严谨，逻辑性强，另一方面，许多结论是在合理的忽略次要因素后得出的，因此工程意义上的允许偏差与数学意义上的精确，在学生课程学习中面临冲突；实验中，学生开始接触更加真实的电机控制、运行与测量，结合实际紧密，是锻炼综合动手能力的很好机会。特别是在电力系统中运行的各种电机，彼此既相对独立又相互关联，这些在增加了学生课程学习难度的同时，也打开了一扇帮助学生了解电机、电器以及电力系统知识的窗户。较好的课程教学成果，不仅能够扩大学生的知识面，而且还能培养学生掌握电机及电气技术基础理论知识的能力、系统的分析方法以及综合运用所学知识解决具体问题的能力。另外，课程的实践性教学环节对理论联系实际、培养学生对电机及电气技术动手能力、分析解决工程中的实际问题和科学研究能力的培养尤为重要，是课程教学不可缺少的重要组成部分。
三、教学实践：
　　多年来的本科“电机学”课程教学实践，基本形成了较为完整的教学思路与做法，主要体现出如下几点：
　　（1）课程内容讲授中，体现了加强基础，重点突出，注重启发，强调实践，综合评价。加强基础就是力求使学生掌握本课程要求的基本理论和分析方法，以及发展前沿、技术焦点等问题；重点突出是指课程中的最重要的一些概念与结论，必须讲好、讲透，比如“T”型等效电路、磁势平衡、电枢反应等；注重启发包括课堂讲授中的启发互动做法，以及实验、讨论中的语言与角色把握；强调实践是指注重实验教学与课程讲授之间互动以及相辅相成的有机联系；综合评价是全面评价学生课程学习的整体表现，多年来，一直坚持平时成绩与期末考试成绩按比例计入总评成绩。
　　（2）课程内容组织上，注意结合本专业需求，在“基础与精髓不漏”的前提下，对一些涉及设计、制造及在少学时情况下较难理解的内容，如交、直流电机绕组、时-空向量分析等，进行删减，适当精简或简化电机电磁理论的阐述及推导，注重结论的理解与应用。在每一篇的最后，讲授一些典型应用，比如变压器之后，介绍互感器；异步电机之后，介绍单相异步电动机以及变频驱动；同步电机之后，介绍永磁同步风力发电机；直流电机之后，介绍无刷直流电动机等。这样，既巩固了学生对本篇主要结论的印象，又避免了“通篇学完电机学，只知四种电机”的尴尬局面。
（3）注重语言表达和多媒体的合理应用。课堂上，介绍概念需要表达准确，推导过程需要严谨，但好的课堂讲授效果，与表达方式有很大关系，这里不仅有语言表达和口齿的问题，更有良好的语言运用、知识积累和直观形象展示的问题。如，介绍到变压器励磁电流性质时，会涉及到在铁芯磁路饱和时，正弦分布的基波励磁电流，会产生平顶形态的磁通波形，反之，欲获得正弦分布的磁通波形，则需配合适当非正弦分布的励磁电流供给。这样的内容，学生第一次接触，难理解，不易记忆，用一句成语，“鱼翅与熊掌不可兼得”去概括，收效很好；在讲授交流电机三相合成旋转磁势时，自制的Flash动画，直观、形象地演示出了驻波、行波以及合成等曲线图形，有助于学生理解和记忆。再比如，在用电磁转矩物理公式，解释异步电动机起动电流大的现象时，需说明主磁通大幅减小，且转子回路功率因数很低，从而造成转子电流幅值很大的局面，用一句成语，“屋漏偏逢连阴雨”去描述，就很形象。在多媒体课件设计上，着重两个思路：循序渐进层层深入的思维过程的启发式引导，形象直观的物理过程可视化展示。显然在课件中，大量的文字堆砌，无助于脱稿讲授，大量公式的粘贴，替代不了连贯的现场推导与演绎。多年的教学过程证明，良好的授课表达方式可有效地提高教学效果和学生的学习兴趣。
（4）努力使电机及电气技术实验教学与课堂教学相得益彰。主要做法包括：以验证性实验，作为“规定动作”，用以强化对课堂中对应重要结论与概念的印证；以自选性实验，提高学生实验的主动性与兴趣，其中的内容，既有教师引导形成的，也有学生自己思考提出的。为此，我们进行了实验课程的单独设课，增加实践教学的设计性、综合性、趣味性；放手让学生自己去准备、设计、接线、调试、排除故障等。当学生在实验中的主动性被激发出来后，思考、兴趣、想法等会接踵而来，不仅会有效地促进课程内容学习理解，还会激发出一些学生因动手能力强，而产生的自信心，一些学生就是因此而产生出许多创新性的想法与做法，我们所教的学生中就有许多这样的实例。
　　（5）着力培养严谨的科学作风。科学作风的培养，是可以也应该贯穿于课程教学始终的。课堂上，讲课的逻辑性，推导的缜密性，批改作业的严谨性，是一种基本体现，实验中的科学作风更应注重。实际上，一次电机学实验，就是一次微型的、科学的、有工程意义的科学训练。学生们需课前认真设计实验内容，在实验中，正常、合理使用仪器设备操作，发现和解决问题；实验后，对实验数据的分析整理，撰写实验报告。在这其中，学生得到的训练是较为全面的，其中任何一个环节出问题，都可能导致结论的不准确，这样系统的科学训练，是课堂教学中不易找到的。
　　（6）坚持培养良好的学风。对学生要求严格，是“电机学”课程多年的传统。课上，我们坚持要求学生不迟到，不无故缺席，不抄袭作业，保持良好的课堂秩序，并届届相传。多年来的教学实践表明，对学生的严格要求，并没有使我们失去学生的尊重，我们以严以律己、一丝不苟的治学态度及对学生严与爱的统一之中，赢得了历年的好评。事实证明，我们的绝大部分学生是好学的、理智的、明辨是非的。我们认为，只要教师的投入放在精通业务、全面了解本学科状况与动向、提高教学质量和水平上，把身段放在去了解学生，关心和帮助学生，严格要求学生，使学生在学习中健康成长方面，学生心里的那杆称，是公平的。
四、改编实验教材：
实验教材在实验教学中起重要的作用。除了对教材的基本要求外，一本好的实验教材应该有以下一些特点:
第一能自成体系，能系统、全面地介绍实验原理、实验方法。当学生遇到有关实际问题时，能从实验教材上找到分析问题、解决问题的方法。
第二应与实验设备紧密结合。第三能给出较多思考题，学生实验前能根据问题进行预习；实验中带着问题进行操作；实验后能在实验结果中找问题的答案。
我们以“MY-D2电机及电气技术实验装置”为主线,与工科大学一起编写了《电机及拖动基础实验指导书》相应的实验指导,该教材系统介绍了电机学课程中的实验原理、实验方法。教材自成体系，在理论和实际结合的内容方面留给学生充分的思考余度，以利培养和提高学生的实验动手能力和独立分析、解决问题的能力。该实验教材在实验教学中取得了良好的效果。
五、加强实验室建设：
为全面提高教学质量，深化学生对理论知识的理解和认识，为今后工程能力的进一步培养打下基础，在电机学课程实验教学改革中，我们注重加强实验室的建设。
近年来我校电机实验室在原有设备基础上，大幅度改善了实验教学条件，投资百余万购进多台上海茂育科教设备有限公司研制的“MY-D2电机及电气技术实验装置”。该装置是一种功能齐全的新型综合性实验装置，具有配置齐全、功能齐全、结构紧凑、使用方便、体积小而适应面广、且有扩展能力等特点，能开设出20多个电机类的教学实验。
实验条件为电机学实验教学改革提供了有力的物质保证。因设备台数增加，实验小组人数减少，一般以2人一组比较合适，合理的分组使得每个学生都能认真进行实验，避免了以往实验时出现的有人操作，有人旁观的现象，增加了学生的动手机会，有利于学生能力培养，取得了明显的教学效
五、电机学课程辐射：
　　课程主讲教师曾经的一个电机专业教学“一条龙”不间断培养的设想，在一些学生身上实现了。例如，一个电机课代表，对电机产生了浓厚的兴趣，在课程学习后期主动找到主讲教师，要求参加科研项目，当时一个与电机相关的科研项目是小型离网风力发电，于是，学生从拧螺丝钉固定机组开始，到学习变频电动机控制、异步发电机的并接电容器自励，到完整的进行科研实验测试、撰写文章，不到一年的时间，全面进入科研角色；在大四免试推荐研究生阶段，仅在最后一刻，与一所国内一流大学失之交臂，但随后，被另一所首批国家 “985工程”的大学很快录取了，理由就是科研能力好（当然学习成绩也不差）；在之后自然选择主讲教师作为指导教师的毕业设计中，由于题目的前期积累，也获得了学校百篇优秀本科毕业论文的奖励。一门专业基础课的内容，能够延续到毕业论文阶段，作为课程教师，我们深感欣慰。
六、科研拉动：
　　对于高校工科教师而言，教学与科研相得益彰。比如，结合与企业合作设计生产双速自制动三相异步电动机的项目，直接参与了双速绕组、铁芯、磁场与性能校验等电磁设计，以及样机试制、实验，到批量生产的全过程。这些一手电机设计与生产经验，不仅加深了对课程相关内容的理解和掌握，同时很大程度的丰富了教学内容，课堂以及实验教学实践中，自然心中有底，言之有物。又例如，在我们所承担的有关农村新能源发电的国家“十一五”科技支撑项目子课题中，所涉及的内容较为繁多，但多年来电机学课程教学所积累的较为扎实的基本概念和学科知识，使我们能够与团队成员一起，交出了较为圆满的课题任务答卷，取得了多项具有自主知识产权的成果、技术与装备。
七、结束语：
　　“电机学”课程是一门自动化、电气工程及其自动化专业等专业的传统课程，在新形势下，需要教师实际投入。从电机及电气技术实验课程教学内涵而言，应该多思考，勤实践，不断丰富和完善课程教学体系；从课程教学外延来看，应该从电机及电气技术实验专业系统培养，工程应用需求，动手能力培养，后续课程拉动等多方面、多角度，去思考课程教学的改革与内容的更新。

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