“电机与拖动基础”课程教学改革探索

张　辉， 邓先明， 严正藩

(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221116)



“电机与拖动基础”课程教学改革探索

张辉， 邓先明， 严正藩

(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221116)

摘要：在“电机与拖动基础”课程教学过程中，开展了一系列改革探索：通过建立电机结构3D模型、电机电磁场3D模型以及透明电机模型的演示等教学辅助手段，增强学生的感性认识；通过引入对比法与启发式教学方法，培养学生总结归纳知识的能力；探索建立教学效果的反馈方式，并根据反馈结果调整教学手段与教学方法；建立开放性实验，提高学生的综合素质以及实践能力；探索多种方式综合评价学生的学习效果，摆脱课程评价仅依赖于期末考试的评价方式。

关键词：电机与拖动基础；教学方法；开放性实验

0引言

“电机与拖动基础”是电气工程专业的一门专业主干(必修)课程，也是后续“电力拖动与自动控制系统”、“电力系统分析”等课程的基础课程。该课程以电路、电磁理论为基础，其主要内容涉及直流电机、变压器、异步电机和同步电机的工作原理、基本结构以及运行特性，研究电动机的起动、调速、制动以及电动机容量的选择[1]。

“电机与拖动基础”课程具有概念多和电磁关系复杂的特点，需要综合考虑各种电机的电压、电流、磁场、力矩的关系，具有很强的理论性，它又是一门实践性非常强的课程[2-4]。学生在学习过程中理解起来较为困难，如何使学生更好地理解该课程所涉及的理论知识，以及在学习理论的同时，结合工程实际，培养学生理论联系工程实际的能力，是一个值得探索的课题。

1教学方法的改革

1)教学辅助手段的改革

建立3D教学模型作为教学辅助手段，增强学生对电机系统的感性认识，以此为基础，将电机系统中物理关系进行综合归纳，培养学生分析、归纳的能力，以及对电机系统抽象、建模、分析求解和论证的能力。

(1)电机结构3D模型的建立—利用AutoCAD、SolidWorks等软件，建立直流电机、变压器、交流电机等电机结构的3D模型，使学生摆脱通过二维平面模型去想象3D结构的学习模式，不仅可以减轻学生的学习难度，而且可以增强学生对于电机结构的感性认识，使电机的学习能够与实践结合起来，取得更好的教学效果。

图1所示为鼠笼电机的3D结构。

图1　鼠笼电机3D结构

(2)电机电磁场3D模型的建立—利用现代电磁场分析技术，以及借助ANSYS、ANSOFT等电磁场分析软件，分别将直流电机、变压器、交流电机等电机的电磁场分布尤其是磁力线分布形象地展现出来，将抽象的电磁场具体化。利用不同颜色，标记电机各处不同的磁感应强度，使学生对于主磁路、漏磁路、主磁通和漏磁通等概念有更好的感性认识，增强学生的理解能力。并且利用动画效果，将交变磁场在不同时刻不同位置的磁感应强度大小与分布模拟出来，使学生能够更好的理解和掌握电磁场的变化趋势，加深基本概念与基本原理的认识。

(3)透明电机模型的演示—利用透明电机3D模型，如图2所示，配合多媒体动画，用于在课堂教学工程中进行实际演示，不仅可以激发学生对于本课程的兴趣，并且能进一步增强学生对于基本概念、原理的理解。

图2　三相异步电动机透明电机模型

2)对比法在教学中的应用

对于不同的物理现象，所得到的物理方程具有相似性，甚至具有完全相同的数学形式。利用这一特性，将具有同一数学表现形式的电磁概念罗列出来，可以有效提高学生对于电磁关系的感性认识，提高教学效果。

(1)电路与磁路概念—在学习“电机与拖动基础”这门课程之前，学生已经学习了“电路”课程，对于电路的基本概念已不再陌生。而磁路的基本物理方程与电路具有几乎完全相同的表现形式。电路中的电动势、电压、电流、电阻、电导率以及欧姆定律、基尔霍夫定律与磁路中的磁动势、磁压降、磁通、磁阻、磁导率以及磁路的欧姆定律、基尔霍夫定律具有对应的相似性。因此，在讲解磁路概念时，将其与电路的概念相对比，有助于提高学生磁路概念的掌握程度。

(2)变压器与异步电机的相似性—变压器可以看成一种静止的电机，其工作原理与异步电机具有相似性。两种电机的励磁方式相同、空载时电磁关系相似，主磁通大小取决于电源电压值，而与负载无关，并且都是基于电磁感应定律传递能量。两者的等效电路图结构、参数也相似。

变压器与异步电机的差异主要表现在磁路结构、磁场性质、绕组和空载电流大小等方面。

在讲授完变压器与异步电机的结构与原理之后，及时地进行对比总结，列举出两者的相似性，不仅可以加深对异步电机的理解，也可以巩固加深对变压器的认识。

(3)功率流程的对比—直流发电机是将机械能转化成电能，而直流电动机是将电能转化成机械能，两者的功率流向不同。此外，两者的电磁功率所包含内容也不同。直流发电机的电磁功率包括铜损耗与输出功率；直流电动机的电磁功率包括输出负载功率与空载损耗。

直流电动机、变压器、异步电动机和同步电动机四种电机的损耗既具有相似性，也存在着差异，容易使学生混淆。并励直流电动机损耗包括励磁损耗、铜损耗和空载损耗(摩擦损耗、铁损、附加损耗)；变压器损耗包括原边铜损耗、副边铜损耗和铁损耗；异步电机损耗包括定子铜损耗、转子铜损耗、铁损耗和附加损耗(摩擦损耗，附加损耗)；同步电机损耗包括定子铜损耗和空载损耗(摩擦损耗、铁损和附加损耗)。

“电机与拖动基础”教学过程中，类似具有上述相同或者相似的物理概念较多，本文不一一列举。通过对比教学方法，可以使学生对于课程概念有更深刻的认识和理解，同时在潜移默化中，培养了学生总结归纳知识的能力。

3)启发式教学方法的应用

在“电机与拖动基础”教学中，通过提出一些问题，引起学生的思考，使学生带着问题去学习，可以有效地提高学生的学习积极性与主动性。

例如，在讲解并励直流发电机的自励条件时，先用透明电机3D模型进行演示，然后提出问题：“为什么并励直流发电机在没有任何外部电源的情况下，可以发出电能？”从而引起学生思考。再引导学生，从直流发电机的工作原理入手，解决这个问题。根据直流发电机的工作原理，一定要有磁场的存在，才能够产生电枢电势，所以要有剩磁。进一步引导学生思考，当电枢电势产生后，励磁部分会有电流，而这个电流有可能会增强磁场，也有可能会减弱磁场，因此要求励磁绕组的接线端要正确。若励磁回路的总电阻太大，致使励磁电流较小，励磁磁通也较小，从而导致电枢电势较小，仍然达不到一个满意的电压，进而引出了励磁回路的总电阻必须小于相应转速下的临界电阻的概念。这种启发式教学方便教师给学生讲解清楚并励发电机的自励条件，学生易于理解，可以避免死记硬背。

2建立教学效果反馈方式

探索建立教学效果的反馈方式，并根据反馈结果调整教学手段与教学方法，是一项有效的教学方法。

(1)来自学生的反馈：“电机与拖动基础”教学期间，经常出现部分学生因为某一部分知识点没有掌握，而影响后面内容的学习，导致问题的积累，严重挫伤了这部分学生的学习积极性与自信心。笔者认为，通过与学生座谈、答疑和利用教学QQ群互动等方式，加强学生和教师之间的交流，教师可以及时了解学生的学习与思想动态，解决学生学习过程中所遇到的问题与困难。并且通过要求学生写课程总结的方式，了解学生对于本课程的反馈意见，以利于改进教学方式与教学方法。

(2)来自用人单位的反馈：根据学生在电机制造企业实习的情况进行跟踪调查，了解实习企业对学生能力的要求，使得教师有针对性地改变教学方法，优化教学内容。

3建立开放性实验

为进一步提高学生的实验动手能力，不仅要求学生完成教学大纲所要求必做的实验内容外，同时建立开放性实验。学生完成基础性实验之后，对于实验室实验条件和实验设备已有所了解。在此基础上，学生以3～4人为一组，自由组合、自由选择实验项目，再集体完成实验设计报告，交给指导教师审阅。对于实验实施方案以及实验线路中的错误之处，教师指出并让学生进行修改。之后再与指导教师预约实验时间，进行实验。实验完成后，各小组撰写实验报告。

以测试直流串励电机的工作特性和机械特性的开放性实验为例，在实验设计过程中，学生首先要确立实验目的。根据实验目的设计实验内容以及实验数据记录表格。有的小组的实验内容为：在保持进线电压为额定值时，即U=UN的条件下，测取转速n与输出转矩T2的关系n=f(T2)，以及效率η与电枢电流Ia的关系η=f(Ia)。有的小组并不满足于此，其实验内容增加了机械特性的测量：在保持进线电压为额定值时，即U=UN，以及电枢回路串入电阻为常数的条件下，测取转速n与输出转矩T2的关系n=f(T2)。还有小组甚至测量了其调速特性：①电枢回路串电阻调速。保持U=UN和T2为常数的条件下，测取n=f(Uo)(Uo为电枢电压)；②磁场绕组并联电阻调速。保持U=UN和T2为常数的条件下，测取n=f(If)(If为励磁电流)。

学生在设计实验线路图时，往往会有所纰漏。所以，要求学生在做实验之前，其实验方案以及实验线路图要通过教师的检查审核。在实验设计过程中，提醒学生应当注意问题，如：直流串励电动机不能够空载起动；实验线路图中，各个开关的开通关断次序等。

学生通过自由组合分组进行开放性实验，可以有效培养学生团队合作的能力。通过实验的设计，培养学生设计和实施工程实验的能力。通过对实验设计以及实验实施过程中出现的问题进行思考和处理，培养学生发现、分析和解决问题的能力。通过实验报告的撰写，培养学生语言文字表达的能力。

4考核方法的改革

考试是检验学生对于“电理论机与拖动基础”的掌握程度的重要手段，但不是其唯一的方法。部分学生追求考试的高分，而不重视对于实际教学内容的充分掌握，往往倾向于希望教师能够给其划重点，考试前突击复习临时抱佛脚，甚至在考试过程中弄虚作假。对于课堂上未曾涉及到的内容，由于不会出现在期末考试试卷中，则一概不看，学生只关注教师所讲过的内容，限制了学生的学习视野，弱化了教学效果。实际教学过程中，部分学生对于平时的学习重视程度也不够，认为只要最后能够考个较好成绩就万事大吉了。也有部分学生对于实验课的重视程度不够，认为只要记录完数据，完成实验报告就可以交差了。

考虑到学生能力的形成是一个发展的过程，对于能力的评价不能仅依赖考试等终极性评价手段，故对学生学习“电机与拖动基础”的考核评价，除了最终考试成绩外，探索多种方式综合评价是必要的；

(1)理论学习的考核—通过课程的期中、期末考试，以及平时的小测验，督促学生平时就要认真学习。考试方法并不局限于闭卷笔试，可以增加口试等办法。口试即为教师与学生进行一对一的面试。教师随机询问学生一些问题，根据学生的回答情况，综合判断其对知识的掌握程度。由于学生人数较多，不能够做到对每一位学生进行口试，所以采取学生自愿报名的方式，其闭卷考试成绩所占总评成绩的比例适当减小。

在平时教学过程中，通过课堂提问，随机指定学生回答的方式，可以有效检验学生的平时学习状况，学生对于问题回答的状况，计入平时成绩。同时，该方法又起到点名的效果。

作业完成情况也是检验学生平时学习状况的一个重要手段。

(2)基础实验的考核—由实验指导教师与理论教学教师共同根据实验过程中学生的具体表现、实验报告等对学生的实验动手能力、与人合作的能力进行评估。

(3)开放性综合实验的考核—通过对学生分组，要求各组制定实验目标、实验计划、实验方法等，促使学生进行团队合作，通过报告研讨、实验效果的评估、总结汇报等评估学生的思考问题、解决问题、分析问题以及团队合作能力。

多种考核方式的引入可以有效避免学生单纯应付期末考试，考完全忘的状况。根据学生平时的表现，可以适当督促学习较差的学生。同时，也可以检验教学效果，以及时进行有针对性的改进。

5结语

通过对“电机与拖动基础”课程教学的初步改革与探索，使学生对于电机的感性认识有所增强，增强了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效果，以及对于知识的掌握程度。同时，学生对于实验课程的重视程度也有所增加。通过基础性实验与开放性综合实验，使学生能够将理论所学与实验内容相联系，做到融会贯通。

参考文献:

[1]方荣惠，邓先明，胡堃，韩丽. 电机原理及拖动基础[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2012年8月

[2]田俊梅，王国枝，赵兴勇，吕高. “电机学”课程教学方法与评价体系研究[J]. 南京：电气电子教学学报，2013, 35(6): 18-19

[3]秦海鸿，王晓琳，黄文新，朱学忠.“电机学”课程教学改革研究[J]. 南京：电气电子教学学报，2014, 36(4): 36-38

[4]于子捷，方荣惠，邓先明. 电机实践指导书[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2013年8月

Exploring of Teaching Methods for Motor and Drag Foundation Course

ZHANG Hui, DENG Xian-ming， YAN Zheng-fan

(SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Abstract:In the teaching process for Motor and Drag Foundation course, We have carried out a series of reforms: the 3D model of motor structure and electromagnetic field are designed to strengthen the students′ perceptual knowledge. Contrast method and heuristic teaching method are adopted to enhance the students′ capability and arouse the students′ enthusiasm of study. By reflect of teaching effect, the teaching method is improved. Open experiment is implemented to strengthen the students′ practical ability. The course grade is given based on the assessment of multiple evaluation modes. And it can avoid the disadvantages of paper examination.

Keywords:motor and drag foundation; teaching method; open experiment

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0032-00

中图分类号：G642

收稿日期:2015-04-07;修回日期:2015-10- 06基金项目：中国矿业大学教学改革与建设项目(2014QN10)

第一作者：张辉(1983-)，男，博士，讲师，主要从事电机与拖动基础教学、电机控制及电能质量治理研究工作，E-mail：huizhang@cumt.edu.cn