談電機學課程教學方法改進

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摘要：電機學是一門理論與實踐結合非常緊密的專業基礎課。針對課程教學過程存在的問題，首先以實習實訓為指導，強調理論與實踐結合的重要性，其次對不同教學方法的改進進行探討，最后通過典型項目案例教學，對課堂教學進一步補充和完善，為提高教學質量提供參考。

關鍵詞：電機學；教學方法；實踐

電機學是電氣工程及其自動化專業的一門關鍵的專業基礎課程，是連接公共基礎課與專業課的紐帶，對后續專業課如電機拖動、電力系統分析、電機控制等課程的學習起著重要的鋪墊作用[1]。電機學課程理論性強、涉及學科門類多，且與實際工程問題結合緊密，掌握電機學課程需要理論指導實踐、實踐輔助理論理解的學習過程。為了能讓學生從總體上更好地認識和掌握這門課，達到工程教育專業認證標準[2]，提高學生分析和解決實際工程問題的能力，更好地提高課程教學質量，本文以教學內容與教學實踐為基礎，對本課程教學方法的改進進行了探討，對提高教學質量具有重要的意義。

1現狀分析

電機學主要內容包括電機的基本結構、工作原理、電磁關系和運行特性[3]。通過課程學習，學生能運用電機的等效電路、基本方程、相量圖、繞組連接規律等基本理論與基本分析方法，完成電機參數計算任務要求，能解決電機運行中存在的實際工程技術問題。本課程在教學中常存在以下問題：第一內容抽象、公式繁多，課堂教學仍是以教師的講授為主，師生互動不多，學生參與度不高，未能調動學生學習的積極性。第二理論與實踐教學脫節，學生對電機基本結構不夠清晰，難以將抽象理論與實踐有機地結合起來。第三僅通過電機課堂和實驗教學，學生難以具備靈活運用所學專業知識的能力，只有讓學生了解電機最新發展前沿，參與到實際項目工程中去，才能提高學生的學習興趣。針對以上問題，從以下幾個方面對教學方法的改進進行探索。

2實習實訓與理論課的有機結合

電機學是實踐性非常強的一門課，現有的教學方法是從理論教學到實驗驗證的過程，采用實踐引領理論教學的反轉模式，培養學生通過現象探索本質的能力[4]。學習電機首先要了解電機的主要結構及作用，學生在剛開始上這門課時，要先進行一周的認知實習。校內參觀電機科研及教學實驗室，校外參觀生產現場，學生通過聽取工人師傅對電機結構、工作原理、生產工藝、日常生活中的應用領域及在國民經濟中的重要作用的講解，對電機產生直觀的認識，對其結構有初步了解，克服畏懼心理，提高學習興趣。當課程講解到異步電機章節時，安排兩周的電機實訓實踐環節，時間為每周的周六周日。由于學生人數較多，將學生進行分組，每組共同完成一臺異步電機的拆裝和組裝任務。實訓主要內容包括電機拆裝工具認識、電機拆裝、繞組重繞、繞組嵌線與接線、電機安裝、電機檢測等。通過實訓加強課堂教學與實踐教學有機結合，學生對電機結構和原理進一步理解，由感性認識上升到理性認識，激發學生學習的積極性，提高學生的動手能力、運用所學電機理論解決實際問題的能力，同時也鍛煉了學生分工協調、團隊合作的能力。

3教學方法的改進

3.1引入工程問題，以學生為主體的討論式教學方法

在每章開始學習之前，首先引入工程問題，使學生帶著思考進行有針對性的學習，如電機內部電磁關系比較復雜，為什么常將電機磁場化成簡單的磁路進行分析？三相交流電機的繞組為什么常采用雙層短距繞組？舉例分析24槽4極三相雙層疊繞組展開圖繪制步驟及規律？定子漏抗的大小對三相異步電機的性能有何影響？三相異步電機的工作性能指標主要有哪些，如何提高其效率？讓學生學會應用基本理論去分析、解決實際工程問題。在每章學習結束做總結時，學生對這些問題進行討論，說出自己的看法，在相互討論過程中發現自己認識的不足，加深對某一知識點的理解，發揮學生的主觀能動性，提高學生靈活運用知識的能力。

3.2對比結合推導式教學方法

各種類型的電機運行時的電磁關系既有聯系又有區別。該部分教學內容較多，學生很容易混淆各種電機類型之間的電磁分析過程。為此，可以采用對比式教學方法[5]，將關系屬性相近的知識點聯系起來，對電機的共性和個性問題進行總結概括，方便理解記憶。如為了更好地理解磁路的基本定律及各參數的物理意義，將磁路和電路的基爾霍夫第一、第二定律進行對比，將磁路和電路中相關參數及計算公式進行對比；分析變壓器和異步電機基本結構、等效電路、基本方程、相量圖之間的類比關系；講解直流電機、異步電機和同步電機基本結構、工作原理及定轉子磁勢之間的聯系與區別；將直流電機的電樞繞組與交流電機繞組的連接方法進行類比；將電動機與發電機能量傳遞過程進行類比等。采取對比的教學方法，對電機整體類似內容進行歸納總結，讓知識點更系統化，加深學生對相似內容的內在聯系和容易混淆問題的認識，有利于提高學生的學習效率和教學質量。電機學中有很多理論推導過程，將對比與理論推導相結合的教學方法用于電機的等效電路、電磁參數計算能達到事半功倍的效果。如為反映變壓器的內部空載和負載的電磁關系，將既有磁路又有電路聯系的變壓器經過繞組歸算，推導出變壓器的T型等效電路，類似于變壓器電磁分析方法，異步電機因定轉子頻率不同，需經過頻率歸算和繞組歸算推出其T型等效電路。在推導正弦磁場下交流繞組的感應電動勢時，步驟為首先分析一根導體中的感應電動勢，然后推導一個線圈的感應電動勢，再計算一個線圈組的感應電動勢，最終推出單相繞組電動勢的計算公式。對比電動勢的分析方法推導正弦電流下單相、三相繞組的磁動勢，先分析整距線圈的磁動勢，然后依次分析整距線圈組、短距線圈組，最終推出單相、三相繞組的磁動勢。課堂教學中，學生通過對問題進行對比與公式推導相結合，目標明確，概念和思路清晰，有益于分析問題的能力和學習效率的提高。

3.3引入課外興趣小組結合有限元方法研究

典型案例電機學課程中采用數學推導結合圖解法得到對稱三相繞組中通入對稱的三相電流時，在氣隙中產生圓形旋轉磁場。電機電磁場理論抽象，磁路中磁力線的走向是學生較難理解的問題。隨著科技發展，有限元方法在電機仿真應用中起著越來越重要的作用，有效彌補了實驗教學內容的不足，加深學生對復雜電磁理論的理解，是對當前課堂教學的補充和完善。目前用于電機有限元分析的軟件主要有Ansys，Flux，JMAG和MAGNET。以24槽4極永磁電機為例，通過對電機進行前處理結構建模、剖分，后處理仿真分析，得到電機結構剖分圖和磁場分布如圖1所示，并進行參數計算、優化設計。用以上有限元軟件，可將抽象的電機旋轉磁場以圖形和動畫形式直觀展示，極大方便了學生對電機電磁現象的理解，有效激發學生學習興趣。當前電機新技術和新材料快速發展，知識日益更新，結合電機最新發展技術前沿，利用目前流行的有限元軟件輔助電機分析，讓學生成立課外興趣小組，以三相異步電機設計仿真與實驗為典型案例教學訓練項目，同時引入特種電機的設計仿真與實驗課題，鼓勵學生參與教研項目活動。通過案例教學輔導，完成電機的資料收集、方案設計、性能分析、實驗驗證、數據處理、撰寫報告等一系列工程化訓練，培養學生創新能力和團隊協作的意識，同時滿足工程教育專業認證提出的“運用綜合知識解決本領域復雜工程問題”的要求，提高學生的理論和實踐水平，為今后走上工作崗位奠定基礎。

4結語

電機學課程內容涉及學科門類廣、知識多，理論性和實踐性較強。本文首先介紹了借助實習實訓實現理論學習與實訓互補的教學方法。然后由工程問題入手，通過課堂教學方法的不斷改進，將課堂教學與實踐有機結合在一起。最后通過案例教學項目，培養學生綜合運用所學專業知識解決實際問題的能力，提高學生學習的積極性，從而達到提高教學質量的目的。

參考文獻

[1]王振華,張金霞.“電機學”課程教學改革探討[J].中國電力教育,2013(13):66-67.

[2]杜懌,孫宇新,潘偉,等.面向工程教育專業認證的電機學課程改革探索與實踐[J].中國現代教育裝備,2018(21):36-39.

[3]辜承林,陳喬夫,熊永前.電機學[M].第4版.武漢:華中科技大學出版社,2018.

[4]曾成碧,苗虹,段述江.“電機學”非標準答案考試的探討[J].教育教學論壇,2019(1):196-197.

[5]石賽美,尹進田,黃肇.論“電機學”課程教學中對比式教學法的應用[J].中國電力教育,2012(33):40,68.

作者：王明杰 劉勝 武潔 邱洪波 金楠 單位：鄭州輕工業大學電氣信息工程學院