基于磁悬浮技术相关课程建设的探索

孙津济

（1.北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院 北京 100191；2.北京航空航天大学宁波创新研究院 宁波 315800）

引言

磁悬浮是利用磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术，磁悬浮技术不仅可应用于卫星、空间站、飞机、导弹等航空航天等国防军事领域，还可以应用于机床用电主轴、药物分离用离心机、电动汽车、风力发电、飞轮储能等国民经济建设领域，已经成为当前科学技术领域研究的热门方向[1]。

目前关于磁悬浮技术相关的课程非常少，大多集中在电磁学理论和可控磁悬浮转子以及主动磁轴承基础及应用等，而且多偏重理论方面的推导和介绍，缺少对磁悬浮技术的工程应用以及如何增加课程的综合性、可视性以及创新性的描述。况且目前课程通常都是通过讲授的方式直接教给学生，导致学生印象不深，感觉专业性太强，学习时没有理解，教学效果比较差，本文则是希望通过对课程中增加磁悬浮技术相关的演示实验环节，让学生使用磁悬浮技术中涉及的磁性材料，包括永磁材料和软磁材料等，利用“搭积木”方式对磁悬浮技术中的具体实现进行可视化教学，从而可使学生对磁悬浮技术产生深刻的理解和感受[2]。

一、课程建设内容

（一）课程教学目标

对于磁悬浮技术相关课程中知识点多、教学时间紧，学生印象不深刻的问题。通过现有教学模式的研究，设计磁悬浮技术教具演示环节，增强学生对课程所受知识点的直观认识和亲身感受，特别是使学生要了解体会到磁悬浮技术在实际应用中的奥妙之处，促进学生动手能力的培养，并且可以增强学生的创新意识[3]。

（二）课程内容教学探索

在基于磁悬浮技术课程的教学内容上，应当在参考现有磁悬浮技术相关书籍和文献的基础上，以磁悬浮技术的应用领域为依托，有针对性的传授内容，比如，磁悬浮技术的基础是悬浮，而悬浮的重点是磁浮，因此在讲授过程中首先要介绍磁学的相关基本概念和定理，以及磁路与电路之间的内在关联，其次在讲授完磁场与磁力之间的关系后，按照磁力的输出方向不同，介绍磁悬浮轴承的基本结构，之后按照悬浮物体是静止还是旋转运动以及直线运动，进行变压器、旋转电机以及直线电机相关结构和磁路的传授。根据具体的应用，进而介绍磁悬浮轴承用于航天上可以作为惯性执行机构的支承部分实现航天器的姿态控制，用在航空可以作为稳定平台的支承部分实现航空器的指向稳定，用在地面上可以作为高速电机的支承，进而拓展应用到磁悬浮压缩机、磁悬浮鼓风机、磁悬浮分子泵、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮电主轴中，除了上述旋转运动的机械装备，还可以用于直线运动的磁悬浮列车，从而在整个讲授内容上由浅入深、由简入繁的介绍了磁悬浮技术及其应用。

另外，课程应本着理论指导实践，实践推动理论的原则，将教学内容中加入实际科研工作中遇到的实际问题及解决方法，以此不断激发学生的求知欲，并锻炼其思维能力，鼓励学生积极参与到实际问题的讨论当中[4]。

（三）课程教学方法的探索

在教学方法中应当减少或避免纯枯燥的理论推导的教学，以实际工程应用为依托，以国家重大需求为背景，探求以实物接触加深理论推导的模式，对于所介绍的磁路以及磁路相关的磁轴承基本结构，均以实物体的形式进行，以增加学生的直观感受和提高学生的学习兴趣[5]。

比如讲到磁路磁场以及磁力的内容，给学生们演示永磁体对于导磁材料产生的磁力效果，讲到由多个磁路组成的磁轴承结构时，将磁轴承结构拆分成多个模块，让学生们通过“搭积木”的方式对每个模块的磁路构成以及整体的磁力实现有个直观的了解和学习，比如讲授被动磁轴承的时候，根据永磁体的充磁方向和排列方式的不同，可以实现学生手持教具，就可以亲身体会到各个永磁体环所受力的大小和方向的不同，以使学生深刻体会到永磁体之间的径向力和轴向力的产生，进而对被动磁悬浮产生深刻体会；讲到主动磁轴承的时候，让学生根据永磁体、软磁、电磁线圈的不同排列和组装形式，“搭完积木”，可以实现学生手持教具，就可以亲身体会到转子径向或轴向所受力的大小，以使学生深刻体会到径向力和轴向力的产生，进而对主动磁悬浮产生深刻体会[6]。

另外，通过目前针对全球疫情所萌发的新兴的线上线下相结合的教学模式，可以在线上的教学模式中，将实际磁悬浮轴承的加工过程以及装配和调试过程在线进行演示，线下教学则结合演示的视频进行相关磁悬浮技术的原理和方法的介绍。

（四）课程考核方式的探索

对于磁悬浮技术相关课程的考核，尽量通过和实际工程相结合的方式进行，而不应完全按照试卷考试的形式进行，通过设计合理的大作业考核方式来完成学生对于该门课程的理解和掌握，比如关于磁悬浮技术的课程的核心仍然是磁，具体的说，是磁路磁场和磁力，因此可以通过课程中对磁路千变万化的形式启发学生的创新性，考核中通过让学生设计一些根据实际需求产生的磁路形式进行，这样既可以避免纯开卷或闭卷方式带来的死记硬背的考试弊端，又可以将学生的创新潜力发挥出来，并且可以有效达到让学生理解体会基于磁悬浮技术课程的目的[7]。

二、结束语

磁悬浮技术是一门新兴的技术，对于其课程内容的传授、教学方法的模式以及考核方式的策划均处于探索过程中，本文力求将理论结合实际的方式融入课堂，并且将看不见摸不着的磁路磁场和磁力通过机械结构件，使得学生通过“搭积木”的方式去实现，去体现，去复现，这种教学方法和内容的探索有望使得学生在充分理解磁学理论的基础上，摒弃传统的枯燥公式的填压，从实际国家重大需求出发，从实际工程实践中真正理解磁悬浮技术的精髓，充分调动学生的积极性和主观能动性，进而发挥出学生潜在的创新性，促进复合型人才的培养。