新工科背景下电气工程专业课问题探索型教学方法探究

郭凯凯 李敬兆

摘  要：为了满足新工科背景下对人才培养提出的更高需求，以工科院校培养高素質人才作为研究目标，针对电气工程专业的特点及现在课程教学中的不足，以“电力拖动自动控制系统”课程的教学为例，提出以计算思维为基础的问题探索型教学方法，此方法通过不同的调速系统之间的对比，寻找运动控制系统间存在的联系，以运动控制系统存在问题的解决为主线，开展教学工作。该教学法既能提升基础理论知识传授质量，又能培养学生的创新思维和创新能力。学生不仅可以更好的掌握课程的相关知识，还可以通过学习构建知识框架、提高解决未来发展出现的问题的能力。通过此课程教学得到的体会对其他工科理论课程的教学工作也有借鉴意义。

关键词：问题探索型教学方法;运动控制系统;创新能力

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）06-0102-03

Abstract： In order to meet the higher demand for talent training in the new engineering background， and improve the cultivation of high-quality talents in engineering colleges， according to the characteristics of electrical engineering and the shortcomings in the current curriculum teaching， a problem exploration teaching method is proposed， which takes computation as the basic thinking， and the solution to the problem of the motion control system as the main program. The course of "Electric Power Drag Automatic Control System" is taken as an example， to compare with different speed control systems，and the relationship between different motion control systems is analyzed. The method can not only improve the teaching quality of basic theoretical knowledge， but also cultivate students' innovative thinking and innovative ability. Students can not only master the relevant knowledge of the course better， but also learn to build a knowledge framework and improve their ability to solve problems in the future. The experience gained through the teaching of this course is also useful for the teaching of other engineering theory courses.

Keywords： problem exploration teaching method; motion control system; creativity ability

引言

随着“中国制造2025”、“一带一路”、“互联网+”、“人工智能”等重大国家战略及“新工科”概念的提出，对工科专业大学生的培养提出了更高的要求，促使广大教师对工科知识和课程体系及能够运用所学知识解决现有问题、具有较强创新能力和国际竞争力的高素质人才的培养产生新的思考，以适应新工科建设和发展的要求。

专业课是大学生从事科研或工作奠定专业基础的课程。通过专业课的学习，可以系统的掌握本专业的知识体系及发展趋势，同时还可以提高发现、分析和解决专业相关实际问题的能力。如何在课堂有限的时间内，针对不同层次的学生，构建知识体系是需要关注的问题，值得深入思考。根据专业课程特点，以培养学生综合素质为目标，对课堂教学进行全面的设计和安排，选择恰当的教学内容、教学方法和教学手段，提高学生的学习积极性，从而更好地完成教学目标，提高教学质量。因此课堂教学方法的创新引起了广大师生的广泛重视，应用科学的教学方法是实现培养能力型、创新型人才的需要。

根据《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》中的要求，目前，数字化和智能化已成为前沿发展领域，智能制造装备、智能服务机器人等行业的发展是社会发展的必然趋势。“电力拖动自动控制系统”课程是本科院校电气工程专业的核心课程，具有知识面广、概念多、理论性、专业性、应用性和综合性强、公式推导复杂的特点，且知识点间相互渗透衔接。为了使学生既学到有用的知识，又不至于害怕这门课程，行之有效的教学方法是提高教学质量，激发学生学习的积极性和主动性的关键，是培养高素质人才的重要环节。

一、问题分析

电气工程类专业课的课程一般理论性强、难以理解，如果学生不能很好的理解和掌握专业课程的内容，对以后的继续深造，还是就业，均会有诸多不利影响。通过分析，一方面原因是多数学生依赖性学习强，但又因为学生存在升学或者就业压力，上课不能集中精力，导致学习质量下降;二是传统教学只注重专业知识的传授，很少有学生会注意到所授知识与自己以后发展的联系，培养出来的工科人才视野相对狭窄。三是大多数教学方法忽略了知识点之间的内在联系性的讲解，增加了学习的难度，消弱了学习的兴趣及自学的动力。因此，在新工科背景下，如何提高专业课教学质量，激发学生学习的积极性和主动性，培养学生的创新性，提高综合素质是现在教学面临的首要问题。

针对以上问题，本文根据电气工程专业课程教学设计的特点，以“电力拖动运动控制系统”課程为例进行教学设计，提出了一种研究性学习方法，即问题探索型教学方法，它的核心是要改变学生的学习方式，以计算思维为基础、能力培养为目标，它将问题自主探索作为学生学习的主要方式，在教学过程中，充分地将教师自身的科研工作和教学工作有机地结合起来，最大限度地激发学习的兴趣，运用各种先进的教学手段，合理的设置教学内容及形式，来激发学生求知欲和创造力，以改善教学效果、提高教学质量，进而让学生更加灵活地掌握这些基础知识，从而完成对学生思维方式和学科架构形成引导。在教学过程中，以解决运动控制系统存在的问题为主线，课堂教学逐层深入，让学生通过独立发现、分析和解决问题来进行课程知识的学习，为培养具有创新能力的高素质人才奠定基础。

二、问题探索型教学方法研究

要合理的设计每堂课的教学思路，首先备课要充分，教师要清楚学习目标和学习内容，要明确让学生明白为什么要学习这门课程，需要用多长时间来学习，及学习本课程后对自己以后的发展有什么用。

然后，教师需要进一步确定在课堂上通过哪些具体的教学策略及内容来提高学生的知识与技能、过程与方法，设计适合不同层次学生的知识框架。着力引导学生学会知识、思路和方法，教师丰富的科研实践经验有利于与学生产生共鸣，从而围绕关键问题展开讨论，使学生逐渐认识到要学些什么，怎么学。

针对学生基础参差不齐、自学能力、学习目标不同的问题，教师应该深入了解学生的学习，课后提供必要的帮助。课堂上给予学生思考时间的同时，培养学生发现问题的能力，通过建立基本知识点、小知识点以及衍生知识点帮助学生构建课程的知识框架，设立自己的目标，进而建立自己的知识体系及思维方式。

针对学生对课上提的问题采取消极不思考态度的问题，教师应多反思自己的课堂讲授内容、课堂用语，多关注学习有困难的学生，在课堂上营造敢于质疑老师，敢于向固有理论挑战的环境，培养学生的批判主义精神。

最后教师需要考虑对教学效果进行综合而全面的反思，以长期培养人才的态度对待授课，促进学生的学习，达到较好的教学效果。

三、实践结果

问题探索型教学方法是一种思维方式和解决问题的思路，并不是纯粹在教学过程中讲述一些知识，而是不断引导学生思考，鼓励他们养成不断思考和不断质疑的习惯。

1. 兴趣是学习的源动力，如果对课程一点兴趣都没有，只是被动地接收知识，学习效率不会高，难以取得良好的学习效果。教师应该积极引导学生提高学习兴趣，根据《中国制造2025》提出的大力支持高档数控机床及工业机器人等领域的发展，让学生意识到学习知识的重要性。对课程学习的理解上升到专业需求的高度，激发学习兴趣和学习欲望，提高学习效率。

2. 学生的学习需要自己建构，教师以提高学生的综合能力为主，凝练教学内容，增强学生掌握知识的系统性。“电力拖动自动控制系统”课程是在电路与磁路的基础上，以运动控制系统的基本理论与分析方法为重点，根据课程特点，要让学生改变接受式学习方式，就应该让学生积极地参与问题的讨论和解决。从学习过程的探究性入手，在教学过程中，让学生不断地提出新问题，在探索中学习，为学生提供更多思考的空间。只有经过学生主动的思考，加深对问题的理解，才能真正的理解、掌握知识、加深印象。

3. 激活思维、质疑问题是知识创新的基础。教师要引导学生将不同的运动控制系统进行对比，使学生养成比较学习的习惯。通过采用此教学方法，促使学生养成勤于思考的习惯，使他们在以后的学习和工作过程中多思考、敢质疑，使其成为国家需要的高科技人才。教学的源动力在于教师的创新观念和创新方法，教师必须关注课程的最新研究状况，在教学中主动结合科研，实现知识的重新建构，在授课时传授传统知识的同时，教授学生书本上没有的新知识、新理论，使教学内容具备一定的前沿性。

4. 随着信息技术的发展，许多如精品课程、微课、MOOC、翻转课堂等在线教育课程兴起，PPT课件是现在课堂教学必不可少的工具，在课件中加入图片、声音和动画等多种媒体，教师应该做利于教师教学的课件，辅助于“教”，利于学生在课堂上的学习。根据学生的理解程度，安排所要讲解的内容，可以在线观看相应的知识点，进行知识点的梳理，讲解重点、难点，展示公式、理论的推导过程，把计算思维的形成发展传授给学生，并进行适当拓展和延伸，提高课堂效率，加深理解和知识体系的掌握，进而逐步培养创新能力。

以电力拖动自动控制系统课程中第二部分交流调速系统为例进行分析：（1）提出问题：为什么要开发交流调速系统？在学生展开思考的同时，针对之前学习的直流调速系统的知识进行回顾，指出直流调速系统的缺点，引出交流调速系统的优越性;（2）交流调速系统如此优越，为何最近40年才开始发展？引出发展中所受到的限制，进而学习交流调速系统的应用领域;（3）进行交流调速系统分类和调速方法的概述，引出本部分学习的主线：重点内容是异步电动机采用变压变频调速控制方法，如何构成运动控制系统实现调速控制？以性能提高为主线：性能一般的开环系统，性能一般的闭环系统，高动态性能的交流调速系统。（4）进行高动态性能交流调速系统的详细学习，包含异步电动机的动态数学模型和坐标变换，异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统，异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统，整个第二部分的学习需16学时完成。

以含异步电动机的动态数学模型和坐标变换2课时的学习为例：（1）思考问题：异步电动机通电之后如何转动起来？引出异步电机的工作原理的学习;（2）从机械特性出发学习异步电动机调速方法，分三步走：异步电动机稳态等值电路（在一定的转差率下电动机的稳态电气特性）;机械特性（电机输出转矩与转差率（或转速）的稳态关系）;两种调速方法：调压调速，变频调速。其中每种调速方法的机械特性，工作效率，思考背后的物理原因。在整个过程中，以学生的自主思维为基础，不断的深入。

通过实践，学生的综合能力和素质有了显著提高：

（1）熟练的掌握Matlab等仿真软件，加深对理论知识的理解。

（2）提高了运用所学知识解决运动控制系统中实际问题的能力。

（3）提高了发现、分析和解决问题的能力，激发学生创造性思维。

（4）养成探究学习、合作学习的习惯。

（5）提高了独立自学能力。

（6）提高了计算能力。

（7）培养了创新能力和创新意识。

四、结束语

为了满足新时期“新工科”对大学生综合能力培养的现实需求，本文通过对现在课堂教学存在问题进行分析，提出了以计算思维为基础的问题探索型教学方法。教师要本着学以致用的原则，主动顺应时代发展，及时更新授课理念、授课方式和内容，注重学生全面素质的提高，此教学方法不仅可以有效地解决教学上的问题，还可以提高学生自主学习的积极性，激发学生的学习兴趣，帮助学生更好的理解所学知识，提高学生分析与解决问题的能力，培养创新意识，促进学生的个性发展。相信通过教学方法的不断改革，可以为国家培养出适合时代发展的高素质创新型人才！

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