电工学实验中研究性教学模式的实践

唐平英　王海波　蒋艳玲

【摘 要】本文通过电动机的正反转控制实验教学案例的实施，充分表明了研究性教学模式在电工学实验教学改革中发挥的重要作用。采用研究性实验教学，不仅激发了学生科学研究的兴趣，使得自主学习始终贯穿整个实验过程，而且培养了学生的创新意识和实践能力。电工学实验中践行研究性教学模式达到了以学生为本，因材施教，提高教学质量的目的。

【关键词】研究性教学；电工学实验；控制线路

电工学是高等院校非电类专业的一门重要技术基础课程，实践性强，涉及面广。作为这门课的重要环节，电工学实验不仅是验证和巩固所学理论，更重要的是培养学生的实践能力。研究性教学可推动实验教学内容、方法、手段及人才培养模式的改革和创新，大幅提高大学生的创新能力[1]。

1 电工学实验中采用研究性教学模式的必要原因

目前大多数高等院校将电工学课程设置为首批开设的基础课，一般的电工学实验主要侧重于传统教学模式，安排的实验内容多数是验证性的。学生在实验过程中基本上按照指导书上的电路图连接导线，按规定的实验步骤操作，依次读取数据并填入已有的表格。这样的教学模式虽然对操作规范的实验演示和指导学生基本功的形成具有较好的引导作用，但它束缚了学生的主观能动性。通过实验环节激发学生科学研究的兴趣，培养学生的创新意识和创新能力，提高学生专业素养和综合素质，这才是开设电工学实验的真正目的。

研究性实验是与验证性实验相对应的一种教学模式[2]，是学生根据实验指导教师提出的问题及要求去自行设计实验方案、选用实验方法、确定实验线路图、选择实验仪器、拟定实验步骤，独立操作的一种实验教学模式。研究性实验具有探索事物性质的设计性、应用性和综合开发性，又称为探究性实验，该教学模式适合于高校实验。研究性实验充分发挥了学生的自由空间，积极引导学生进行思考和探索，让学生有兴趣地、独立地开展实验，观察实验，总结实验，调动了学生自行解决问题的主观能动性。然而要实现验证性实验向研究性实验的转变，是需要雄厚的科研基础和大量的实验经费支撑的，如何立足现实搭建实验系统并研发配套的实验装置一直以来都是电工学实验课程改革的主要任务。

2 研究性教学模式在电工学实验中的案例

本文以电动机的正反转控制实验为例，利用现有的教学资源搭建实验平台，大胆尝试崭新教学模式、施行教学改革，充分说明研究性教学模式是一种新颖的教学理念。

2.1 着眼问题，提出要求

现代机床或其他生产机械往往要求运动部件向正反两个方向运动。例如，机床工作台的前进与后退，主轴的正转与反转，起重机的提升与下降，等等。要求学生研究设计一个用控制电器来实现电动机正反转的控制线路。实验指导教师可从创造问题情境出发，从而激发学生的兴趣和探究热情，引导学生自行查阅资料，达到解决问题的目的。

在实验教学过程中，首先对学生提出几个问题：（1）目前常用的控制电器有哪些？它们的结构和功能分别是什么？（2）实现电动机正反转的关键控制电器是什么？如何实现？（3）除了实现正反转功能之外，控制线路还应考虑哪些因素？该提问过程可帮助学生全方位思考问题，加强了师生和生生之间的交流，培养了学生主动学习和求知的能力，增加了学习知识的积极性，给学生自主研究提供条件。

2.2 积极探索，设计方案

在学习三相异步电动机的工作原理时已经知道[3]，当三相异步电动机定子铁芯中的绕组通入三相电流后，就会产生旋转磁场，该磁场会带动转子同向转动。只要将接到电源的任意两根线对调一头，旋转磁场就会反转，电动机也跟着反转。为了实现电动机正反转的要求，必须要用两个交流接触器分别控制其正向转动和反向转动。在同一时间里电动机只能一个方向旋转，也就是两个交流接触器只有一个工作，若两个交流接触器同时工作了，将有两根电源线通过它们的主触点而将电源短路。因此，电动机正反转控制线路最根本的要求是：必须保证两个交流接触器不能同时工作。

学生通过回顾所学理论知识、查阅资料，了解该课题的研究现状和实验方法，选择合适的实验仪器，初步完成研究方案。实验指导教师对研究方案的可行性、科学性进行论证，结合现有实验室条件，对方案进行修改和完善。

2.3 共同研讨，开展实验

实验室提供了三相异步电动机和常见的控制电器组合开关、按钮、交流接触器、中间继电器、热继电器、熔断器及自动空气短路器等等。学生可以先考虑电动机单向转动的情况。此时，启动按钮和停止按钮是必不可少的，它们分别实现了控制线路的启动和停止。交流接触器的结构和功能使其常用于接通和断开电动机或其他设备的主电路。它有主触点和辅助触点两种，主触点能通过较大电流，接在电动机的主电路中；辅助触点通过电流较小，常接在电动机的控制电路中。由于启动按钮在松开时其触点会在弹簧的作用下恢复到断开位置，为了保持电动机的连续转动，学生在设计电路时必须考虑到自锁。自锁功能可用交流接触器的辅助触点来实现。此外我们还应该考虑电路的保护作用，热继电器可以用来保护电动机使之免受长期过载危害。熔断器是最简单而有效的短路保护电器，可以将其安装在主电路里。其实交流接触器本身就可以实现零压（或失压）保护。通过实验指导教师对关键知识点的指导，可有效促进学生创见性地思考问题解决问题。此时我们就可以设计出如图1所示的单向转动控制线路图。

图1 电动机单向转动控制线路图

在电动机单向转动的基础上，学生再开拓思路，积极思考正反转都实现的情况。可在单向转动控制线路的基础上多设计一条电路，使其达到控制电动机的反向转动的目的即可。但该控制线路的关键在于如何保证同一时间里两个交流接触器只有一个工作，即实现互锁（或连锁）保护。图2所示的控制线路就是由两条电路组成，上面一条控制正向转动，下面一条控制反向转动。每一条电路中都有启动按钮，分别控制正向启动（SBF）和反向启动（SBR），停止按钮则可合并为一个（SB1）。该控制线路在使用正转交流接触器KMF和反转交流接触器KMR分别控制正向和反向转动时，同时也采用了正反转交流接触器的动合自锁触点来实现自锁。另外，过载保护也通过同一个热继电器FR得以实现。通过比较发现，图2所示控制线路中，KMF的一个动断辅助触点串接在KMR的线圈线路中，而KMR的一个动断辅助触点串接在KMF的线圈线路中。当按下正转启动按钮SBF时，KMF线圈通电，主触点KMF闭合，电动机正转。同时，KMF的动断辅助触点断开了KMR的线圈线路，这样就保证了即使误按反转启动按钮KMR也不能动作。KMF和KMR的这两个动断辅助触点的连入实现了联锁保护，它们也称为联锁触点。

图2 电动机正反转动控制线路图

其实这样一种控制电路也是有缺点的，比如在正转过程中要求反转时，只能先按停止按钮SB1，让联锁触点KMF闭合后，才能按反转启动按钮SBR使电动机反转，这样就造成操作上的不便。感兴趣的同学可以在此基础上尝试修改控制电路，解决这个问题。

学生在设计好合理的实验电路之后，自己连线，同时实验指导教师要对学生的实验进行检查，发现问题一起讨论，发现错误及时纠正。经实验指导教师许可后方可供电操作运行，要求学生仔细观察积极思考，独立操作完成实验。

3 研究性教学模式在电工学实验中的成效

该实验过程从实验内容的确定到实验的开展，都是学生独立完成的。学生从质疑、查找到解疑的过程中不断学习与收获，培养了独立分析和解决实验问题的能力，达到了理论联系实际的目的，学生的实验操作技能普遍得到提高。实验指导教师会就整个实验的可行性等提出意见或建议，并适当的启发学生。过去许多学生认为电工学实验只是重复前人已经完成过的实验步骤和数据，很难有突破，由于采用了研究性的教學模式，该实验变成了一个生动有趣，富有吸引力的课程。我们在实践过程中，提高了教学质量，获得了较好的教学效果。

【参考文献】

[1]李志杰，付浩，王治国，等.纳米薄膜的研究性教学实验设计探索[J].实验室研究与探索，2009，28（8）：118-120.

[2]王明彦.构建研究性实验教学体系的思考与实践[J].中国大学教学，2009，3： 75-77.

[3]秦曾煌.电工学（上册）：电工技术[M].6版.北京：高等教育出版社，2003.

[责任编辑：薛俊歌]