面向应用型人才的“电机及拖动”教学改革

文 丽

(广州城市理工学院 电子信息工程学院,广州 510800)

“电机及拖动”课程是广州城市理工学院电子信息工程学院自动化专业的核心课程,以先修课程“大学物理”“电路”为基础,也为“电力拖动自动控制系统”“综合控制系统创新设计”等后续课程打下基础,课程理论性很强,还兼具一定的实践动手要求。如果要深入开展学习,该课程涉及的知识点就非常多。该课程理论56学时,实验8学时,课程内容又涉及电机学和电机拖动两大部分,由于学时较少,导致不能过多深入开展。

1 课程现状

“电机及拖动”课程教学内容概念多,理论抽象,存在教师难教、学生难学的状况[1-4],课程涉及的物理和电路学知识,很多学生学得不是很扎实,但是该课程又是专业核心课程,是学生必修的课程。该课程很多知识点学生学了,却似懂非懂,比如直流电机的启动、调速方法,说起来简单,但是实际运用的时候就不知如何下手,在实验中会显露出来这个问题。

传统的教学模式通常是教师使用PPT结合板书进行授课,学生学习理论知识,然后完成课后作业、实验,完成实验报告。该课程理论抽象,学生接受不易。广州城市理工学院电子信息工程学院的学生理论基础较弱,普遍对原理分析不是特别感兴趣,一旦学到困难处学不动了,就会停滞不前,甚至彻底放弃。

广州城市理工学院定位是应用型本科院校,目标是培养应用型人才,那么该课程就要本着“应用”的本质,结合学生的学习特征和实际情况,适当地选择合适的教学内容,运用灵活的教学方法,才能更好地激发学生的学习兴趣,提高他们的信心。

针对以上情况,“电机及拖动”课程的改革势在必行。

2 面向应用型人才培养的课程改革

根据应用型人才培养目标,旨在理论与实践兼顾,以“应用”为主,降低课程理论学习难度,激发学生学习兴趣,从教学内容、教学方法、课件与考核方式等方面进行了改革探索,寻求形成与应用型培养目标一致的线上线下混合教学模式,以获取更好的教学效果。

2.1 教学内容的调整

以应用型人才培养为目标,根据学生理论基础的差异,教学内容不应拘泥于教材,而所用教材偏重于理论,所以课堂教学内容应有调整。

教学内容调整可适当弱化原理部分,公式的推导,比如电磁感应电动势和电磁转矩的推导可以略过,只需要学生记住公式,会在一定的条件下使用公式分析问题就好。教学中简单介绍电机内部的绕组规律,只要让学生掌握不同绕组形式的电机具有什么样的特点,大电流的电机、大电压的电机根据需要正确选择电机即可;让学生了解电机的运行原理,着重掌握电机的拖动特性,结合专业特点着重学习电机的启制动和调速原理与方法;把变压器的参数计算分析,放在变压器实验报告里去完成,结合实验掌握变压器的端电压特性,弱化三相变压器的联接组别相量图,掌握三相变压器的磁路分析、空载电势波形以及并联运行的条件;弱化三相异步电动机的计算,掌握结构和基本工作原理,着重掌握三相异步电动机的启动问题,掌握三相异步电动机的调速方法和制动。整体来说,在学习基本原理的基础上,特别注重电机拖动特性的分析和学习,让学生主要掌握控制电机的方法。

另外结合课程思政,还可在课程中穿插一些电机的历史小知识以及其他电机相关的趣事或业界最新的发展,推荐相关的微信公众号(如电机技术及应用)、网络资源等,让学生了解我国电机的发展和未来的方向,激发学生科技兴国的志向,对他们今后的就业引导也有很大的帮助。

比如讲到电机的功率流图和效率特性时,可以结合当前的政策,引出“十四五”工业绿色发展规划,力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。中国电机耗电量在工业总用电量中的占比约为六到七成,但中国高效节能电机市场份额仅3%左右,电机系统整体运行效率较发达国家低20%左右。电机能效提升在“十四五”工业绿色发展规划中将是关键重要角色。随着碳达峰、碳中和被写入政府报告,绿色低碳可持续发展路径成为了企业的必然选择,节能高效的电机对制造业变得尤为重要。那么,如何提升电机的能效呢?这就是激发学生思考并为之奋斗的动力。

2.2 教学方法的灵活运用

以往教学一般是按照PPT和板书结合的方式进行,然后按直流电机、变压器、三相异步电动机三大模块开展,每个模块结束后会由相应的练习。由于一个模块讲授的时间比较长,知识点较多,学生很容易忘记,本文介绍了新的教学方式。课堂教学把每个部分按知识点讲授,然后对应每个知识点开展巩固练习,实现课程知识点和跟随练习紧密结合,最后再把该部分的知识点串起来归纳、测验。这样上课的效果比较好,能帮助学生快速汲取知识,教学方法上灵活多变,师生互动得到加强。

1)直观教学法

电机从外观上看几乎都是一个模样,但是内部结构是学生要了解的,否则学习起来就觉得抽象,课程教学时利用图片剖析、视频、三维动图等方式把电机结构展现出来,给学生直观的印象。学习变压器时,学生可以从手边的废旧充电器着手拆解,从实物结合原理了解变压器的结构,也可以变废为宝,课外动手制作不同电压的变压器,加深理解电机结构;或者拆解遥控小车、电动玩具之类的电动机,看看微型电动机有什么区别。

同时,电机及拖动基础实验室还配备了直流电机、变压器、三相鼠笼式异步电动机和绕线型异步电动机的教学模型,可用于课堂同步展示,便于学生观察学习。

2)采用比较法讲授知识点

课程按照直流电机、变压器、三相异步电动机三个模块进行,三个模块看似没什么关系,但是在有些原理分析方法上通过对比是容易分析的。在教学过程中,引导学生总结共性,对比个性,一步步去挖掘。讲述启动、制动和调速时,也可以对比分析交直流电机各自的方法和相通点,在变压器和三相异步电动机的电磁关系、等效电路知识点上,分析方法也基本相同。这样可以让学生对比学习前后知识点,加深印象。

3)采用提问式教学

提出下一节要解决的问题,让学生做好预习,采用分组讨论,再来分析印证,可以调动学生的学习积极性,启发他们的思维。比如,讲解直流电机原理时,请学生利用电磁感应定律和电磁力定律,分析电机模型中线圈的电势方向和电流方向,引出直流电机结构上电刷和换向装置的整流作用。在讲解三相异步电动机的工作原理时,对比直流电机的机构,发现三相异步电动机内部没有主磁极,从而引出旋转磁场的形成原理,启发学生思考磁场与定子之间的相对运动、磁场与转子之间的相对运动、转子与定子之间的相对运动,从而理解同步转速、转子转速与转差率之间的关系[2-3]。

4)线上线下混合教学

通过网络、课堂、实验室把教师和学生建立联系,多渠道获取教学资源,加强沟通互动。借助丰富的网络资源如MOOC、雨课堂、学堂在线等等,选择一些合适的课程资源,放在学校超星学习网络平台课程里,实现资源共享。学完一部分内容,发布线上作业、测试,及时检验学生的学习情况。作业批改实行生生互评,这种方式让学生参与到作业批改环节,可以让学生通过批改其他同学作业的过程,对比教师给出的答案解析,进而了解这个知识点难易程度,更容易掌握知识点,同时安排课堂讲解和线上线下答疑,学生也可以通过学习通、QQ、微信等方式及时和教师沟通。

网络课程平台建立了题库,包含了选择题、填空题、判断题、简答分析题、计算题等多种题型,涉及的知识点面广,分为易、中、难三个级别。学生平时作业练习基本上都在题库里,只要做好课前预习,课后认真完成作业,考前认真复习,考试就不成问题。教师也能根据平台的统计分析,了解哪些学生未完成作业,哪些题目学生容易出错,再针对问题加以解决,以提升教学效果。

2.3 教学课件的制作

为了授课PPT给学生有更好的观感,作为主讲教师需学习许多PPT制作和多媒体制作技巧。原来的教学PPT文字类描述较多,比较单一,排版也比较粗犷,为了幻灯片内容看起来生动形象、一目了然,需增加了大量图片、动画和视频。

“电机及拖动基础”本身的知识点比较抽象,理论性很强,学生的学习能力相对偏弱,所以过多的纯文字讲解和计算公式的分析,反而会让他们觉得枯燥。因此,实物图片、三维图片、动画和短视频元素的加入,如图1三相鼠笼式异步电动机的部件拆分,让学生能直观地看到三相鼠笼式异步电动机的结构,再把短视频和原理分析结合起来,进一步加深学生的印象。为了吸引学生的注意力,课件加入了大量动画效果,配以规范的字体和舒适的颜色,更好地对知识点一步步分析,课后也方便了学生自行复习。

图1 三相鼠笼式异步电动机结构图

2.4 考核方式的改革

要突显学生的真实水平,考核方式也很重要。除了理论考核,实践动手能力也要体现出来,考核评比就要进行合理的分配。

原有课程考核方式按照卷面70%+平时成绩30%的比例实施。为了突出实践的重要性,提高学生对实验的重视程度,考核方式改为卷面60%+平时成绩20%+实验成绩20%。实验成绩直接由实验教师根据实验完成情况、实验报告的质量和实验考核评定,平时成绩包含了考勤和作业完成情况。考勤的方式除了随机点名,也采用学习通课程平台的签到方式进行,如果考勤表现恶劣,没有完成作业则取消考试资格。如果课堂积极回答问题,作业完成优异或者实验做得非常好,都可以得到加分。若是学生参加省级以上的比赛获奖,还可以在已有成绩的基础上乘以1.2的系数。这些措施激发了学生主动学习的兴趣。

因为“新冠”疫情的影响,考试可以灵活地安排为线上或线下进行,线上开展的优势在于不用浪费纸张,试卷电子存档也方便,备用试卷多且灵活。只要学生认真完成网络作业,考试就变得容易多了。

2.5 实验改革

1)实验学时内容调整

实验教学学时由原来的8个学时增加到12个学时,使得实验内容在原来的基础上得到扩展。在直流电机实验内容里,将电机的各种特性进行量化测量,加深学生的认知;实验二增加三相变压器的联接组和不对称短路试验,让学生对三相变压器的运用有一定的掌握;实验三补足了三相电机的基本特性测试,可以更好地认知三相电机的运行原理。改革后的实验内容更全面,更具应用性。实验课上教师会全程跟进,数据要现场检查完毕后方能离开。实验报告告别传统的纸质版上交方式,采用实验室建设的虚拟仿真平台上交、批改,既适当地减轻了实验教师的工作压力,又方便报告存档。

2)引入仿真,虚实结合

实验教学不再单纯依靠实验室的实际操作,把仿真引入实验,做到虚实结合。自动化专业学生课前学习了Matlab 软件的使用方法,因而可以使用Matlab/Simulink 进行仿真。实验前后,学生可在计算机上进行仿真模拟,通过建立仿真模型,进行动态过程仿真模拟,增加感性和理性认识,反过来结合理论和实验的数据分析,更好地掌握知识。例如,电机的启动、调速过程中的速度、电流等随时间的动态变化,可以很清晰地在仿真图形里表现出来,再结合实操,学生就能获得更清楚的认知[4]。

3)实验考核方式改革

实验在课程考核方式中占20%的比重,因此实验课程的考核也进行了改革。平时学生5人一组,做完实验每人交一份报告,教师根据报告和现场完成情况打分。这种方式会让学生产生可以混的思想,一组只要有一个人做了,大家都有报告了,并不能体现学生的真实水平。为了让学生真正动起手来,教师给出6个考核题目,考核题目如表1,题目在平时实验的基础上增加了设计性和综合性[5]。考前,实验室对学生开放。现场考核时,学生随机抽取题目并动手操作,最终根据平时实验和最后考核的情况,给出合理的实验成绩。

表1 “电机及拖动”实验考核安排

其中,实验流程由学生自己设计,整体要求和具体实施步骤由教师把关指导。学生要完成题目的设计并验证,就需要回过头把书本上的知识理解透彻,再把理论运用于实践,同时锻炼了应用能力、设计能力、实操能力,也能提高学生的创新意识。学生有了电机控制的基础,在“PLC可编程控制技术”、“运动控制系统”、毕业设计中,才能更好地综合运用所学知识进行电力拖动控制系统的设计,也为今后从事电机控制相关工作打下了一定的实践基础。

3 结语

本文面向应用型人才,对“电机及拖动”课程从教学内容、教学方法、教学课件、考核方式的改变和实验改革等方面进行了探讨。经过两年的实践,“电机及拖动”课程改革与实验改革取得了良好的教学效果。学生课堂注意力集中,增加了互动,学习兴趣得到了极大的提高,对教师课堂的质量评价也逐年提升。考核方式的调整和实验考核的改革使对学生的考评更为合理,网络课程体系的建立为学生在预习、复习环节提供了极大的帮助,该课程的考试通过率也得到了提高。

但为了取得更好的教学效果,进一步适应应用型人才培养的目标要求,还需要更多的努力。接下来,可以开发更强大的教学工具,比如AI课件的研究,利用“互联网+”继续开展网络课程的建设,把线上线下的混合教学模式灵活运用好,坚持以学生为本,开发一些开放性、创新性的课程和实验,改变上课形式,把理论课搬到实验室,同时把重点内容制作成简洁明了的专题微课,充分调动学生的积极性,引导学生学好知识,运用好知识,进一步提高工程实践能力和创新能力。