“电机学”课程教学手段和实践环节的探讨

2011-04-01潘再平卢慧芬白亚男

电气电子教学学报 2011年1期

章玮,潘再平,卢慧芬,白亚男

(浙江大学电机工程学系,浙江杭州 310027)

0 引言

“电机学”课程是电气信息类学生的一门专业基础课,所涵盖的基础内容涉及电、磁、热、机械等基础理论知识,具有理论性强、概念抽象的特点,同时也是学生学习电机设计、电机控制和电力系统分析等后续课程的基础。通过该课程的学习,学生不但要掌握“电机学”课程中的基本知识和分析方法、同时能对相关的专业知识融会贯通。因此教师在有限的授课过程中需要注重教学方法,在掌握基本内容的基础上激发学生的学习热情。浙江大学电气工程学院“电机学”和“电机与拖动”课程组这几年在积极申报国家、省级精品课程过程中对课堂教学和实践教学两方面做了有益的探索和实践,取得了一定的成效,本文就教学过程中的一些问题进行探讨。

1 教学内容

“电机学”课程是电气工程及其自动化专业学生的一门重要的学科基础课,具有理论性强、概念多、与工程实际联系密切等特点。在教学内容上首先使学生理解机电能量转换的基本原则,掌握直流电机、变压器、异步电机和同步电机等四大类电机的基本结构、工作原理、运行特性以及分析和试验方法,为今后更好地学习和使用新型电机以及相关专业课程打下坚实基础。同时顺应专业知识的发展,开展实践教学,根据教学改革的要求和课时的需要,与课程配套,2006年出版了新世纪高等院校精品教材《电机学、电机与拖动实验教程》、2008年出版了“十一五”国家级规划教材《电机学》、2009年编写了《交流电机工程实践》的教学讲义,在同一门课程的教学过程中,将理论与实践紧密地联系起来。

2 理论教学

启发式教学是目前推崇的教学方法和手段,要求教师在教学中注重理论联系实际,形象教学与抽象概念相结合,融知识传授、能力培养、素质教育于一体。

为了提高教学质量,教师首先对教学内容、教材有深刻理解。在教学过程中,以课堂教学为主,向学生介绍课程的学习方法、消除学习的畏难情绪,同时注重讲课艺术,提高讲课效果。在“电机学”的教学过程中,传统教学方式和信息化技术已被有效地结合在一起,交替使用。多媒体课件采用了课堂单机版和网络助学版课件。单机版课件结构紧凑、重点突出、内容生动、能动态演示。比如对电机绕组、电机的旋转磁势等内容都通过多媒体的方式以形象、直观的方式表现出来,加深了学生的认识。网络助学版中除了有相关课件和来源于网上资源的多媒体动画,另外添加重要参考文献节选,重要概念解析、习题解答、自我测试以及课堂BBS。这种课堂教学的延伸大大激发了学生学习的兴趣。例如有学生课后对直流电机转矩公式提出了怀疑。认为根据磁力线的分布,槽内的磁场密度应该为零,利用导体所受的力来计算电磁转矩是不成立的。这个问题放到网上后引起大家热烈地讨论,最后从机电能量转换一书中找到了完整的解答。通过学生自发地对这个问题的提问-讨论-解答,大大提升了学生对课堂内容学习的热情和对电机电磁能量转换的理解。随着现在课程学时的减少,课程中牵涉到很多原理性的内容,需要比较深入讲解。利用课堂版和助学版的使用,使课堂教学具有丰富的教学内容,非常有利于学生的学习,提高了教学效果,收到了较好效果。

在教学过程中,充分发挥教师的主导作用,更要发挥学生的主体作用。要为学生的积极参与创造条件,教学手段是重要的一个因素。浙江大学要求任课教师在教学的同时也应成为科研的骨干。教师在边教学,边科研过程中,积累了最新的科技成果以及生产实际中遇到的问题,利于引导学生去思考、去探索、去发现。为了让学生从知识的被动接收者转变为主动参与者和积极探索者,在“电机学”课堂教学的过程中穿插了讨论式教学和撰写小论文的环节,加强学生学习的主动性。

讨论式教学就是设立专题报告课,事先布置好题目,并确定部分学生作主题发言。大家再一起讨论、分析和评价,加强学生之间的交流,活跃课堂气氛,培养自学的能力。比如在直流电机一章内容结束后,分别就特种直流电机中的直流伺服电动机、永磁直流电机、直流力矩电机、直流测速发电机和单极直流电机分为几个内容,分组进行讨论,并让学生推选代表在课堂上汇报。学生纷纷在分析原理的基础上,旁征博引,运用AUTOCAD等现代作图手段,画出三维模型和动画。这些通过学生自主学习获得的内容给同学们留下深刻的印象,经过同学的提问和老师的点评,扩展了专业知识,学习到积极的学习态度。在课后的总结中,很多同学都提到这堂讨论课给他们带来的帮助,并要求老师能增加这样的环节。

科技论文的阅读和撰写是一个工科学生基本的技能。在课程教学过程中,有意识地指导学生通过期刊、网络、著作等途径查找并阅读相关的中英文文献,使学生更主动地去了解电机发展的前沿,充分认识到学习本课程的重要性。同时向学生介绍科技论文的格式及写作方法,结合教学内容鼓励有潜力的学生撰写有关电机技术方面的论文作为作业的重要部分。例如讲到变压器问题时,学生在学习Matlab时以变压器为例进行仿真,发现变压器合闸时间对变压器的电流波形有较大影响。在老师鼓励下,查阅了文献,结合电路分析方法,对波形进行深入的理论分析,后来完成分析变压器铁心饱和与不饱和地情况下合闸时间对原边电流波形影响的小论文,既解答了学习中的疑问,又充实了专业理论知识。

3 实践教学

实践教学环节在人才创新能力培养的过程中具有非常重要的地位。很多课堂传授的概念和方法通过实践环节才能较好地领会和掌握。实践环节促进学生自觉主动地去思考、去探索。“电机学”课程通过对实践教学的内容、环节和手段的改革和更新,以理论教学与实践教学相结合、实验教学与科研相结合、观察性、验证性实验与综合性、设计性实验相结合、课内教学与课外教学相结合的四结合原则使学生在巩固课堂内容和基础理论同时,激发他们的学习热情和创新能力,培养学生的实际动手能力和工程应用能力。

实验作为一项与工程实际紧密结合的教学活动,课程安排了课程实验、设计性实验和工程实训三部分。

课程实验是结合大小电机机组对直流电机、异步电机、变压器和同步电机各设计了两个专题内容,一个为对课堂知识进行验证性,通过实验使学生掌握这四类常用电机的实验方法以及对测试数据的分析处理。另一个课堂中没有具体讲解,但通过实验来分析现象、加深理解,激发学生的创造力。最后都以实验报告的形式对实验进行总结,完成现象的分析和对理论的提升。

设计性实验要求学生有针对性的解决某一个具体问题。浙江大学电气学院的学生在本科阶段就确定了导师制,优秀本科生可提前进入导师的课题组,直接参加教师和研究生的科学研究活动,感受科研氛围。因此设计性实验基本都是配合国创、省创、大学生科研训练计划(SRT P)、全国电子设计竞赛等进行。成果可计入课程的得分。近年来,设计性实验带来的成果使学生顺利进入Ffreescale杯全国智能车大赛等国家竞赛,SRTP包括了异步电机辅助设计软件、发电机恒压供电系统、智能马达控制器系统分析、无刷直流电机数字控制系统等一批学生科技成果。

工程实训是近年在课程进行过程中开展的让学生理论与实践更紧密结合的一个环节。在学习“电机学”课程之前,学生到电机厂进行过企业认识实习,但走马观花式的参观很难使学生建立电机结构的认识。当课程讲到绕组、旋转磁场等问题时,学生普遍反映出抽象、难懂的情绪。为了增强学生对电机结构和原理的感性认识,课程专门在讲授交流电机绕组和磁场后增设了交流电机工程实践环节。该环节在简单介绍电机的结构、制造工艺、电机检验基本要求以及三相异步电动机的拆卸和装配基础上,着重对中小型交流电动机的绕组如何分布、嵌线、检查等问题进行讲解。以71#机座分马力电机为例,让学生完成电动机的拆卸、定子绕线模设计、绕线、嵌线、接线、装配、测试的全过程。当看到自己设计绕制的电机通电后旋转起来,学生对绕组、磁场等相关内容的理解也得到了加强。由于条件限制,该环节目前作为学生的选做内容,但实践过程中不断有学生要求增加开设批次的要求。