如何在工科教学中渗透科学素质教育

朱显辉++师楠++苏勋文++康红明++胥良

摘要：为进一步提高工科学生的科学素质，在工科教学中有意识地渗透科学素质教育理念，文章以三相心式变压器绕组识别教学为例，以科学教育为指导，对绕组识别中涉及到的基本概念的内涵、前提和应用进行深入讲解剖析，以开阔思维的科学态度对教材给定方法进行批判性思考和权衡，通过严谨的理论推断，总结出了一套学生更易理解和掌握的教学方法，以进一步培养和提高学生的科学素养。

关键词：科学素质教育；教学；科学方法；科学态度

一、引言

科学技术在人类生活领域中发挥的作用日益显著，是评价一个国家综合实力的重要指标。为提高本国的综合实力和竞争力，很多国家都把提高国民的科学素养作为重要的战略发展目标。对于高等教育来说，在日常教学中向学生主动渗透科学教育的基本思想，有意识地培养学生以科学的方法和态度解决现实中遇到的问题，具有重要的科学意义和实用价值。

科学教育是一种通过现代科学技术知识及其社会价值的教学，让学生掌握科学概念，学会科学方法，且懂得如何面对现实生活中的科学以及对社会的有关问题做出明智的选择，以培养科学技术专业人才，提高全民科学素养为目的的教育活动。全国人大在1998年制定并颁布的第一部《高等教育法》中明确指出：培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，发展科学技术文化，促进社会主义现代化建设是我国高等教育的主要目标。可见，科学教育不仅与高等教育法的目标方向完全一致，也是高等教育法贯彻实行的有益补充。

本文以科学素质教育思想为主线，以电机学教学中的难点问题三相心式变压器绕组识别为例，利用科学教育的基本思想，从深入剖析绕组识别中涉及到同名端的基本概念入手，秉持尊重自然科学的客观态度，通过严谨的理论推断方法，针对变压器绕组识别方法的教学，总结出一套更易于学生理解和掌握的教学方法，以加强工科学生对科学研究的兴趣，培养学生的自主创新能力，进一步提高工科学生的科学素养。

二、基本概念的深入剖析

概念是人从感性到理性，认识客观事物过程中所形成的，通过将客观事情共同特点进行抽象、概括从而形成的概念式表达，也被描述为对特征的独特组合而形成的知识单元。在工科类高等教育中，基本概念是对课程中涉及的物理现象或规律的详细定义或解释，具有较强的逻辑性和针对性。因此，科学教育中不仅要重视对相关概念的详细讲解，同时，为进一步提高学生对概念严苛条件的限制性和具体应用的理解，还应对概念的成立条件、主要内涵和相关的外延应用进行详细说明。

比如，在三相变压器的绕组识别涉及到同名端的概念。定义如下：同一铁心柱上两套绕组中均呈现正（或负）电位的一端称之为同名端，给出同名端的意义在于凭借同名端来描述每相绕组的电压相量，进而给出三相联接组别的确定方法。

同名端概念给出的实际前提是，三相变压器的3个心柱均绕有低压和高压两套绕组，由于高、低压绕组套在同一个铁心柱上，且与同一磁通交链，在交变磁通变化的瞬间，必将在两套绕组里产生感生电势，则两套绕组中必有一端相对于另一端呈现正电位。从上述定义可知，同名端指的是两套绕组中电位符号均为正或均为负的一端。

同名端概念的内涵体现在对楞次定律和法拉第电磁感应定律的深入掌握上，由楞次定律可知，感生电流产生磁场实际上起着阻碍原磁通变化的作用，结合法拉第电磁感应定律可以容易地给出感生电动势的大小，进而可以推论得到，对于与同一磁通交链的两个绕组而言，若其绕制方式相同，则两绕组中正电位的位置必然相同，反之亦然。

通过上述对同名端定义的限制条件和内涵的深入剖析，可以引申出同名端概念的具体应用。即在给定绕组绕制方式的前提下，可以根据绕组绕制方式的异同直接明确给出两绕组的同名端。

以科学素质教育的基本思想为指导，对同名端概念进行深入分析，并明确地对该概念的前提、内涵和外延等方面进行了详细阐述，可以有效地加深学生对这一概念的掌握程度，为后续问题的研究奠定基础。

三、以科学的态度分析问题

分析问题的科学态度主要包括在尊重实证材料的基础上，以积极开拓性思维对各种（包括对立的）材料、数据或结果进行批判性观察、思考和权衡，并给出客观评价，最后，以灵活的方法对结果进行验证，并积极主动地接受已经验证的结论。

同样以变压器绕组识别教学为例，三相绕组的联结方法主要有星接和角接。高、低压侧的星接分别用Y、y（n为中线）表示，是将三个绕组的首端引出，末端联接在一起作为中点的联接方式；高、低壓侧的角接分别用D、d表示，是将三个绕组首尾依次相连形成三角形，并将三个端点引出的联接方式。三相变压器高低压侧绕组的实际联接方式导致无论采用哪种联结法，高压绕组和低压绕组对应线电压的角度差均为30度的整数倍，因此可用“钟点法”对其的联结组别进行确定和区分。钟点法的基本思想是将高压侧某一条线电压作为时钟的长针，并指向12点方向，将低压侧相对应的线电压作为时钟的短针，然后计算高、低压侧对应线电压之间的角度差，并用钟点的形式表示两套绕组电压相位之间的关系。

当前教材中对三相变压器绕组识别的方法多数采用钟点法，但该方法在两绕组分别采用星接和角接时，须分别分析两套绕组相量构成的三角形和星型连接方式，不仅比较烦琐，也没有给出明晰的识别规律。

通过对大量实际问题的计算，并对教材绕组识别方法的深入研究。可知，不论高压侧绕组采用星形还是角形接法，基于国标规定，其相序均按A-B-C的顺序排列。因此，可首先给出高压侧绕组相电压的相量图，然后观测同一铁心柱上两套绕组所标注的同名端是否都是一致，画出低压侧电压的相量图，若同名端一致，则高低压侧电压相量方向相同，反之则相反，最后结合实际的联结法，找出高低压侧绕组对应的线电压相量，并基于实际观测，即对三相绕组的联结组别进行简单判断。

可见，通过引导学生对相关教材的大量算例进行总结和分析的同时，跳出教材给定思维框架的限制，并对教材中的方法进行批判性思考和评价，进而可给出绕组识别的简单、灵活方法。

四、确定联结组别的科学方法

科学方法是在认识并改造客观世界过程中，所遵循和运用的符合一般科学规律的方法和手段，指采用符合科学规律的程序规则和技巧思路等方式对理论、应用进行研究。简单地说，科学方法可泛指人类在任何认识和实践活动中所运用的全部正确方法。

给出确定三相变压器绕组识别的科学方法及具体步骤如下：

1.给出高压侧相电压相量图：以同一中心，按顺时针依A-B-C的次序画出互差120度高压侧相量图；

2.标注低压侧相电压相量：考察高、低压侧绕组的同名端，若高、低压侧绕组的同名端均为首端或末端，则同一铁心柱上的低压绕组与高压绕组的相电压相量方向相同，反之则相反；

3.找对应线电压：以高压侧A相和B相之间的线电压UAB为例，分析高压绕组和低压绕组的联结法，若为星形联结则UAB为由B相指向A相的相量，若为角形联接，则可以直接给出UAB与相电压UA或UB之间的关系；

4.给出识别结果：将UAB作为时钟的长针指向12点方向，观测并计算UAB与Uab之间的夹角，给出识别结果。

五、结合科学素质教育的算例成果

为对教学中渗透科学素质教育方法的成效进行总结和验证，以《电机及拖动》基础书中76页的两种变压器三相绕组连接方式为例，可以很容易地得到联结组别结果为Yy0和Dy11。

本节分析仅给出了两个算例，但其中包含了高压绕组为星形和角形联接，并与角形和星形联结的低压绕组相配合，同时也包括了同名端分别为首——首端和首——末端的情况，具有较好的普遍性。利用前述步骤，完全可以方便、准确地推导出三相绕组识别的其他情况，鉴于篇幅限制，不再一一列举和验证。

综上所述，工科课程本身就具有概念抽象、理论内容难、公式推导复杂等特点，导致其难教、难学。如仅采用传统的教学方法和手段，很难达到预期的教学效果，因此须在教学中有意识地引入科学素质教育方法，不仅可以改善教学效果，还能有效提高学生的科学素养和创新能力。

因此，教師要将科学教育思想有意识地引入到工科教学中，并以变压器绕组识别为例，从基本概念的深入解析入手，以科学的研究和教学态度为手段，通过科学的推断，给出绕组识别的简单方法，并借此探讨了深化学生的科研兴趣，培养其自主创新能力，并提高其科学素养的有效手段。

参考文献：

[1]顾志跃.科学教育概论[M].北京：科学出版社，1999.

[2]王正茂.电机学[M].西安：西安交通大学出版社，2000.

[3]顾绳谷.电机及拖动基础（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

编辑/宋 宇