城轨车辆电力牵引传动技术课程教学的改革与实践

南京工程学院汽车与轨道交通学院 江苏南京 211167

课堂是学生掌握知识、获取能力、提高素养的主要场所，是高素质人才培养的主要阵地[1]。因此课堂教学是决定教学质量的关键，是最基本、最重要的教学环节。改革传统的教学模式，让学生们在实际的学习过程中结合已经掌握的理论知识形成独立思考、独立探索的习惯是迫切需要的[2]。根据车辆工程专业城市轨道车辆模块的实际情况，本着体现专业优势、突出课堂教学、强化课程示范的精神，从课堂教学设计及管理、教学方式方法和教学手段等方面，紧密联系城轨车辆电力牵引传动技术课程的教学思考与实践，围绕提升课堂教学质量进行了一系列改革探索，取得了明显成效。

1 城轨车辆牵引传动技术理论架构

城轨车辆牵引传动技术作为车辆工程专业城市轨道模块的核心课程，主要包括牵引理论、城市轨道车辆电气设备、整流电路、斩波电路、逆变电路、城市轨道交通直流和交流传动系统等主要内容。通过本课程应达到以下基本要求：了解牵引理论的基础知识，熟练分析牵引电动机的牵引特性以及牵引电动机在动车中的应用，掌握可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、智能功率模块的原理、主要特性和应用，掌握整流电路、斩波电路与逆变电路的工作原理、基本电路，了解车辆的基本电器设备，掌握交流异步电动机的矢量控制与直接转矩控制等。

2 优化课堂教学设计 开展课堂教学设计研究

近二十多年来，中国的高等教育已经从精英教育走向大众教育，从目前各高校的课堂教学看，以大班课(其中包括两个班的合班和3个班的合班)为主要形式，在教学过程中以灌输为主要方法，教学双方的互动比较少，很少有学生主动参与到教学当中，这也是在多年的教学督导过程中了解到教学普遍存在的问题，这些都与高等教育推行创新教育和素质教育的要求存在一定的距离。很多高校提出向课堂要教学质量，因此就要以课堂教学设计改革为突破口，既要激发学生的求知欲望，使学生掌握知识点；又要面向有差异的学生个体，培养他们团体的协作精神。对课堂教学进行科学、合理的设计是提高课堂教学质量的关键所在。课堂教学设计是一个系统工程[3]，教师在进行教学设计过程中，首先，要根据教学内容的特点，充分发挥学生主体作用和教师主导作用，前提是要紧扣培养目标；其次，选择并加工教学内容是核心；最后，运用恰当的教学方法和媒体是关键。下面结合城轨车辆电力牵引传动技术课程中，受电弓内容和降压斩波器内容介绍所运用的课堂教学设计方法。

2.1 受电弓内容的课堂教学设计

受电弓内容的学时是2学时，有关课堂教学设计分4部分，主要包括教师讲述、师生互动环节、课堂考核以及小结，受电弓(单臂弓)的外形结构如图1所示。

图1 受电弓的结构

2.1.1 教师讲述

首先由教师介绍教学目标，让学生了解有关受电弓部分应该掌握的重点以及要点，做到有的放矢，目标明确。其次介绍受电弓结构和作用。在结构方面，受电弓有单臂弓和双臂弓之分，目前大多城市轨道交通车辆均采用单臂弓。根据受电弓驱动源分为压缩空气和电力驱动两种，根据受电弓驱动形式分为气缸式受电弓、气囊式受电弓、电动式受电弓3种形式，安装在列车B车或MP车车顶上，同时详细介绍单臂弓的15个组成部分。然后讲述受电弓升弓和降弓的工作原理。最后以几分钟的视频短片让学生更加直观地了解受电弓升弓和降弓的过程。在讲述过程中，以板书+PPT的模式进行。有关受电弓教师讲述部分的流程图如图2所示。

图2 有关受电弓教师讲述部分的流程图

2.1.2 师生互动环节设计

师生互动环节设计是整个课堂教学设计的重要环节[4]。毕竟教学是教师教、学生学的过程，需要的是相互配合。通过此环节让学生更好地掌握教学内容，并且做到知其然、知其所以然[5]。在此环节的设计过程中，主要以问题的形式呈现，了解掌握受电弓的机械结构、在材料选择上采用铝合金的原因，在后期的检修调节过程中如何根据具体情况进行调节等。在师生互动的同时，学生之间可以4人或8人组成小组进行讨论，尽量调动每一名学生学习的积极性，带着问题进行思考，这样既可以活跃课堂气氛，同时又可以掌握并巩固知识点[6]。

有关师生互动环节设计的问题如图3所示。在此环节，在学生进行思考和小组探讨的过程中，教师可以走下讲台和学生进行友好的互动，可以将大课堂变为小课堂，及时了解和掌握学生对于知识点的掌握情况，这样可以在最后环节的小结过程中，对于学生存在的主要疑虑做重点讲述。

2.1.3 课堂考核以及小结

课堂考核主要是每组学生根据教师提出的问题，经过自己的讨论给出一份答案，最后将作为平时成绩记入最终的考核成绩当中。这样可以适当增强学生的参与意识以及思考问题的积极性[7]。

小结是对前几个环节做总结，可以检验教师在讲述过程和学生在听讲过程中存在的一些漏洞，学生在互动环节，对于问题的思考情况以及存在的问题，教师可以在最后的环节做重点讲述，查缺补漏。

图3 师生互动环节设计的问题框图

2.2 降压斩波器内容的课堂教学设计

降压斩波器内容的学时是2学时，有关课堂教学设计分4部分，主要包括教师讲述、降压斩波器MatLab仿真和课堂考核以及小结。降压斩波器的电路拓扑结构如图4所示。

图4 降压斩波器的电路拓扑结构

2.2.1 教师讲述

针对降压斩波器内容，教师在授课过程中，首先，结合城市轨道交通的专业背景，介绍斩波器在城市轨道车辆上的实际应用情况，以及这一部分的教学目标。其次，介绍降压斩波器的结构组成和工作原理，主要电子器件(主要是IGBT、电感L和续流二极管VD)在降压斩波电路工作过程中所起的作用。基于分段线性的思想，从4个方面对降压斩波电路进行分析。第一，当V导通期间，负载电流的表达方程；第二，当V 关断期间，负载电流的表达方程；第三，负载电流连续情况下，最大值电流和最小值电流的表达方程；第四，在负载电流连续情况下，最大值电流和最小值电流的表达方程。通过动画，向学生演示降压斩波电路的电流走向以及电流在连续情况和断续情况下电流和电压的波形图。最后，介绍平波电抗器电感量的确定方法以及平波电抗器在降压斩波电路中的作用。在讲述过程中，以板书+PPT的模式进行。有关降压斩波器，教师讲述部分的流程图如图5所示。

图5 有关降压斩波器教师讲述部分的流程图

2.2.2 师生互动环节设计

在此环节的设计过程中，首先可以提前告知学生携带笔记本电脑进入课堂，由于本专业模块的学生之前已经有了MatLab建模的基础，这一环节主要通过MatLab建模仿真的形式呈现，这样既可以将原有的建模仿真加以应用，同时可以进一步掌握平波电抗器电感量的确定方法，了解平波电抗器电感量的大小在降压斩波器电路拓扑中的作用，深刻体会电感量小，可能造成电流断流。本环节的设计，要求学生以4人或8人组成小组进行协作，这样既可以活跃课堂气氛和掌握并巩固知识点，又可以培养学生之间的团体协作精神[8]。

2.2.3 课堂考核以及小结

课堂考核主要根据任务要求，经过小组学生建立的模型，主要考查学生对于降压斩波电路拓扑结构以及最后的电压和电流波形的掌握情况。这样既可以考查学生对于以前学习内容进行巩固的情况，同时又可以考查学生对于新的知识点的掌握情况。最后将作为平时成绩记入到最终的考核成绩当中。小结是对前几个环节的总结，针对学生在仿真过程中存在的问题，教师可以在这一环节做重点讲述。

3 结语

经过15年的教学实践，在城轨车辆电力牵引传动技术课程教学上总结出了一系列方法和经验，总体安排上已经逐渐趋向合理，既充分发挥了教师在教学工作中的主导作用，又体现了以学生为主体的教学思想，加强了综合性和系统性实践的教学内容，取得了非常好的教学效果。

课堂教学中采用适当的教学方法和教学设计引导学生进行有效的学习，充分利用好课堂时间，真正实现向课堂要教学质量。在有关课堂教学设计的4部分中，根据不同的教学内容合理设计师生互动环节是课堂教学的关键。课堂教学设计的成功与否，对相关课程知识的巩固和学生将来的工作实践都将有非常重要的意义。当然，课堂教学设计是一个系统工程，课堂教学也要与时俱进，在教学过程中不断更新和调整，更好地提高教学质量。