高校课堂教学改革与探索——以“电机学”课程为例

刘 豪,柏春岚

（1.河南城建学院 电气与控制工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南城建学院 测绘与城市空间信息学院，河南 平顶山 467036）

0 引言

在新工科和新时代背景下,结合国家对专业人才培养的需求,进行高等教育改革,提倡学以致用以及理论与实际相结合,改变传统的教育方式和提升教育质量,这就需要对高校教育进行改革,涉及人才培养方案、教学大纲、课堂教学等内容改革,尤其是课程教学改革,它是高校教学改革的必要条件之一[1-3]。目前的教育方式正在逐步转变,形成以学生为中心、以能力培养为导向思想、教师为引导,这就要求完善专业建设和促进教学改革[4-6]。教学改革涉及人才培养方案、教学大纲、教学内容、教学方式和方法等多方面,尤其是课堂教学。为了适应新的教育理念和教育发展需求,教师不仅需要提高自身的教学水平、扩宽自身的知识领域,而且还要求学生充分利用课堂表现自己,让学生在质疑、探索、交流和体验中巩固学习知识和学习效果,培养学生学习的积极性、主动性以及创新思维和创新意识,满足当今社会发展对人才的需求。

1 课堂教学改革与探索

课堂教学涉及课前准备、授课内容、教学方法和方式以及课堂总结,甚至还包括学生随堂笔记记录、师生自我总结和反思[5]。它不仅能够反映任课教师的教学质量、教学水平和师生关系,而且还影响学生学习的动力和兴趣、学习质量和效果,甚至对引导学生创新意识和创新思维都有深远的影响。因此,在新工科和新时代背景下,结合当今国家对人才的需求,培养大学生适应时代的发展和需求,这就要求高校教育改革涉及多方面,尤其是课堂教学改革显得极为重要,受到社会各界的广泛关注和重视。

1.1 扩宽思路，引导学习兴趣和创新思维

课堂教学以机械工业出版社汤蕴璆等编著的《电机学》（第五版）课程为例,主要涉及课前准备、课堂教学和课后总结。课堂教学过程中,主要包括教学内容的引入、探究新知、课堂互动、课堂总结和引导创新思维,是教学环节中最重要的部分,影响学生学习电机学的积极性、主动性以及学习的兴趣和爱好,同时也影响学生的创新能力和创新思维。

在授课电机学“三相变压器联结组别号”教学中,首先引入变压器的高低压侧的相位判别。高低压绕组电压规定从首端指向末端,如果相应高低压绕组电压同名端相同,又都是电压方向规定从首端指向末端,则相应的高低压绕组电压为同相位；否则相应高低压绕组电压为反相位。在此基础上,引入三相变压器联接组别判别,其三相变压器联接组如图1所示。接下来,分析三相变压器的联接组别,采用钟表法表示,以高压侧某绕组线电压为基准,将其认为它时刻指向钟表12点（也可当作为0）,然后用与低压侧相对应的绕组线电压顺时针之间的夹角来判别该三相变压器绕组联结组别号,可表示为：

图1 三相变压器(星角联接)

式中：θ为相应的高低压绕组线电压之间的顺时针夹角；k为三相变压器联接组别号,取0～11,其中变压器绕组采用星形联接,联接组别号可为0,2,4,8,10,采用角接联接,联接组别号可为1,3,5,7,11。

对于变压器的高压侧三相绕组采用星形联接/三角形联接可用Y/D符号表示,然而低压侧三相绕组采用星形联接/三角形联接可用y/d表示,其电压相量图可采用重心法和线电压法表示。采用重心法表示三相变压器绕组电压向量图如图2所示。首先画出高压侧绕组的电压相量图,如图2（a）所示；然后再绘制低压侧绕组电压相量图,其电压相量图如图2（b）所示；最后将低压侧绕组电压相量图平移,使其相量图重心与高压侧绕组电压相量图重心重合,其结果如图2（c）所示,以高压侧电压相量图重心线OA为基准,计算其与低压侧电压相量图重心线oa之间的顺时针方向夹角θ。在此基础上,结合公式（1）和绕组联结符号来判别该变压器绕组联结组别号,该三相变压器的联接组号为Yd7。

图2 三相变压器联接组重心法判别

基于已学习的绕组电压表示方法和高低压绕组同名端的表示方法,结合变压器绕组高压侧电压相量,如图1（a）所示,以三相变压器高压侧绕组A相为例,电压方向由A指向X,即A相绕组电压相量为其他相也采用类似表示方法,绘制高压侧绕组电压相量图,如图3（a）所示,可以看出它与图2（a）不同。因为三相变压器高压绕组三相星形联接,X,Y,Z三点连接到一点,其在图3（a）中已显示出来,而图2（a）则不能形象地表示。由于高压绕组AX,BY,CZ与低压绕组by,cz,ax相对应为同铁心柱,本文以高压绕组相电压A点为起点,与b点为同名端,A点与b点重合,因此将二者形象地放在一起绘制绕组电压相量图,即与同相位。由于低压侧绕组b与z点联接,进行绘制,采用同样的方式绘制,方法类同,其结果如图3（b）所示,其中低压侧绕组ab线电压与b相绕组电压相位相反,即该图比较结合实际,容易理解；同时也可扩宽学生学习和理解思路以及细节注意事项,方便学生掌握变压器联接组判别。三相变压器绕组电压相量图3（b）比图2（c）更容易理解,更容易提高学生学习该课程的效率和质量以及扩宽思路,达到事半功倍的效果。基于三相变压器的电压相量图,以高压侧绕组线电压U·AB为基准,该电压始终指向钟表的12点,计算其与低压侧绕组线电压U·ab之间的顺时针方向夹角,利用公式（1）来计算该变压器的联接组别号,其结果为7。基于上述计算方法,获得该变压器绕组联结组别为Yd7。通过上述该内容的讲述,然后播放课件进行点评,并与学生课堂互动,让学生进行这两种方法的学习和总结,并进行小组讨论,然后要求学生小组代表谈谈他们的认识和收获。通过这种学习引导,扩宽学生学习思路,增强学习“电机学”这门课的兴趣和爱好,激发学生创新思维和创新意识。

图3 三相变压器联接组线电压法判别

通过这两种方法应用于课堂教学和实践,根据学生平时测试、课上与课下交流以及期末考试,发现学生对于采用线电压法判别三相变压器联接组标号理解比较透彻且思路清晰,扩宽学生学习思路和注重细节,提升学生学习的积极性和主动性以及学习效率和质量,加强学生学习理解和扩宽思路、提升学生创新意识和创新思维,融合教与学,达到事半功倍的效果。

1.2 重视错误，加深学习理解和效果

在授课过程中,老师多鼓励学生勤于思索、大胆想象、勇于创新和不怕犯错。当学生出现问题或错误时,教师多与学生互动和交流,让学生消除错误的恐惧心理,又重视错误的原因和过程,帮助学生查找和分析错误问题的原因和思维,正确引导和纠正学生错误的想法,使学生能有正确的认识和开阔思维,加深课程学习的理解和记忆,并能够做到举一反三,提升学生勇于创新的想法和分析解题的技巧和方法学改革,使培养的学生能够满足新时代和新工科背景下的社会发展对人才的需求。

如以“电机学”中有关直流电机的问题为例：“一台并励直流电动机,PN=96 kW,UN=440 V,IN=255 A,nN=500 r/min,IfN=5 A,Ra=0.07 Ω,电刷压降2ΔUs=2 V,不计电枢反应,试求额定电流时该电机的电磁转矩”。在授课过程中,首先播放课件,介绍和分析该问题,然后提问学生求解电动机的电枢电流和电磁转矩分别是多少。学生回答该电动机额定电流时的电枢电流和电磁转矩分别为260 A和2 084.57 Nm。老师先不评价学生回答问题正确与否,引导学生回答该问题是属于直流电机的电动机还是发电机、回顾并励直流电机的基本方程以及并励直流电机的电枢绕组电流、励磁电流与负载（或线路）电流之间的关系,在此基础上,引入该题；然后用有关并励直流电动机和并励直流发电机的动画电路描述电流的流动；再次与学生交流互动,询问该题额定电流时并励直流电动机的电枢电流和电磁转矩是多少。学生恍然大悟,回答该电动机额定电流时的电枢电流和电磁转矩分别为250 A和2 007.73 Nm。最后播放求解该题的课件,包含分析思路、求解过程,然后点评该题所用的知识点和注意事项,这有助于学生加深理解和记忆,同时也有助于任课教师调整合适的教学方式和教学方法,提高学生学习质量和效果以及教师教学质量和效果。

1.3 课堂互动，改善师生关系和气氛

课堂教学环节中也含有师生互动和交流。师生之间的互动,首先从学生的认识出发,引入教学环节内容或易懂教学内容,让学生观察、思考以及分组讨论,逐步引入当天课堂所授内容,并提出授课内容的重点和难点,充分引导和发挥学生自主探索和积极发言的主动性和积极性,加强师生之间的互动和交流。学生在小组合作时积极主动地参与和探讨、质疑、创造教学方式和方法,有助于学生对知识的理解和深化,充分发挥学生为主体的作用。教师为学习的组织者、引导者和研究者,提升学生对知识的理解和学习,培养学生敢于探索、勇于创新的精神,同时也改善了师生之间的关系和气氛,有助于学生学习和探索新知识和新事物的积极性和主动性以及提升教师的教学质量和效果,达到事半功倍的效果。

如以“电机学”中的“变压器参数的测定”为例。在授课过程中,首先通过教学课件引导学生回顾上节课学习变压器的基本方程,“T”型等效电路和近似等效电路,其等效电路如图4所示；然后引入需要求解的电流、损耗和功率等内容。为了求解该内容,需要知道变压器的高压绕组电阻（R1）、漏抗（X1σ）,低压绕组电阻（R2）、漏抗（X2σ）和激磁阻抗（激磁电阻Rm、激磁电抗Xm）参数；然后引入求解该变压器参数,让学生们分组讨论和交流,然后抽查2～3个小组代表,让他们讲解如何求解变压器的参数。针对该变压器的参数,在变压器的低压侧采用空载实验求取其激磁电阻和激磁阻抗,然后再由低压侧计算绕组参数折算到变压器的高压侧；在变压器的高压侧采用短路实验求取绕组短路电阻和短路阻抗。小组代表讲完之后,再让其他小组成员谈一下自己的想法和认识以及听讲授课内容的效果；最后老师播放课件,并参评大家讲述的效果。在评价学生讲述效果时,首先肯定学生敢于发言和创新的思维,然后利用幽默的语言阐述学生讲授的不足,引导学生完善和纠正不足,最后师生共同总结授课内容的知识点和重点,这样不仅提升了课堂教学质量和效果,而且也提高了学生学习的效果和质量,增强了学生学习电机学的积极性和主动性,降低了学生学习电机学的枯燥和无味,同时也改善了师生关系和课堂气氛。

图4 变压器等效电路

2 结语

本文主要研究高校课堂教学改革和探索,以“电机学”课堂教学为例阐述在新工科和新时代背景下的高等教育课堂教学改革,结合国家对专业人才培养的需求和工程认证的要求,从扩宽思路、引导学习兴趣和创新思维,重视错误,加深学习理解和效果,课堂互动、改善师生关系和气氛方面谈论高校课堂教学改革。通过教学实践,验证了高校课堂教学改革的必要性和重要性。