谈电机学课程教学方法改进
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摘要：电机学是一门理论与实践结合非常紧密的专业基础课。针对课程教学过程存在的问题，首先以实习实训为指导，强调理论与实践结合的重要性，其次对不同教学方法的改进进行探讨，最后通过典型项目案例教学，对课堂教学进一步补充和完善，为提高教学质量提供参考。
关键词：电机学；教学方法；实践
电机学是电气工程及其自动化专业的一门关键的专业基础课程，是连接公共基础课与专业课的纽带，对后续专业课如电机拖动、电力系统分析、电机控制等课程的学习起着重要的铺垫作用[1]。电机学课程理论性强、涉及学科门类多，且与实际工程问题结合紧密，掌握电机学课程需要理论指导实践、实践辅助理论理解的学习过程。为了能让学生从总体上更好地认识和掌握这门课，达到工程教育专业认证标准[2]，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，更好地提高课程教学质量，本文以教学内容与教学实践为基础，对本课程教学方法的改进进行了探讨，对提高教学质量具有重要的意义。
1现状分析
电机学主要内容包括电机的基本结构、工作原理、电磁关系和运行特性[3]。通过课程学习，学生能运用电机的等效电路、基本方程、相量图、绕组连接规律等基本理论与基本分析方法，完成电机参数计算任务要求，能解决电机运行中存在的实际工程技术问题。本课程在教学中常存在以下问题：第一内容抽象、公式繁多，课堂教学仍是以教师的讲授为主，师生互动不多，学生参与度不高，未能调动学生学习的积极性。第二理论与实践教学脱节，学生对电机基本结构不够清晰，难以将抽象理论与实践有机地结合起来。第三仅通过电机课堂和实验教学，学生难以具备灵活运用所学专业知识的能力，只有让学生了解电机最新发展前沿，参与到实际项目工程中去，才能提高学生的学习兴趣。针对以上问题，从以下几个方面对教学方法的改进进行探索。
2实习实训与理论课的有机结合
电机学是实践性非常强的一门课，现有的教学方法是从理论教学到实验验证的过程，采用实践引领理论教学的反转模式，培养学生通过现象探索本质的能力[4]。学习电机首先要了解电机的主要结构及作用，学生在刚开始上这门课时，要先进行一周的认知实习。校内参观电机科研及教学实验室，校外参观生产现场，学生通过听取工人师傅对电机结构、工作原理、生产工艺、日常生活中的应用领域及在国民经济中的重要作用的讲解，对电机产生直观的认识，对其结构有初步了解，克服畏惧心理，提高学习兴趣。当课程讲解到异步电机章节时，安排两周的电机实训实践环节，时间为每周的周六周日。由于学生人数较多，将学生进行分组，每组共同完成一台异步电机的拆装和组装任务。实训主要内容包括电机拆装工具认识、电机拆装、绕组重绕、绕组嵌线与接线、电机安装、电机检测等。通过实训加强课堂教学与实践教学有机结合，学生对电机结构和原理进一步理解，由感性认识上升到理性认识，激发学生学习的积极性，提高学生的动手能力、运用所学电机理论解决实际问题的能力，同时也锻炼了学生分工协调、团队合作的能力。
3教学方法的改进
3.1引入工程问题，以学生为主体的讨论式教学方法
在每章开始学习之前，首先引入工程问题，使学生带着思考进行有针对性的学习，如电机内部电磁关系比较复杂，为什么常将电机磁场化成简单的磁路进行分析？三相交流电机的绕组为什么常采用双层短距绕组？举例分析24槽4极三相双层叠绕组展开图绘制步骤及规律？定子漏抗的大小对三相异步电机的性能有何影响？三相异步电机的工作性能指标主要有哪些，如何提高其效率？让学生学会应用基本理论去分析、解决实际工程问题。在每章学习结束做总结时，学生对这些问题进行讨论，说出自己的看法，在相互讨论过程中发现自己认识的不足，加深对某一知识点的理解，发挥学生的主观能动性，提高学生灵活运用知识的能力。
3.2对比结合推导式教学方法
各种类型的电机运行时的电磁关系既有联系又有区别。该部分教学内容较多，学生很容易混淆各种电机类型之间的电磁分析过程。为此，可以采用对比式教学方法[5]，将关系属性相近的知识点联系起来，对电机的共性和个性问题进行总结概括，方便理解记忆。如为了更好地理解磁路的基本定律及各参数的物理意义，将磁路和电路的基尔霍夫第一、第二定律进行对比，将磁路和电路中相关参数及计算公式进行对比；分析变压器和异步电机基本结构、等效电路、基本方程、相量图之间的类比关系；讲解直流电机、异步电机和同步电机基本结构、工作原理及定转子磁势之间的联系与区别；将直流电机的电枢绕组与交流电机绕组的连接方法进行类比；将电动机与发电机能量传递过程进行类比等。采取对比的教学方法，对电机整体类似内容进行归纳总结，让知识点更系统化，加深学生对相似内容的内在联系和容易混淆问题的认识，有利于提高学生的学习效率和教学质量。电机学中有很多理论推导过程，将对比与理论推导相结合的教学方法用于电机的等效电路、电磁参数计算能达到事半功倍的效果。如为反映变压器的内部空载和负载的电磁关系，将既有磁路又有电路联系的变压器经过绕组归算，推导出变压器的T型等效电路，类似于变压器电磁分析方法，异步电机因定转子频率不同，需经过频率归算和绕组归算推出其T型等效电路。在推导正弦磁场下交流绕组的感应电动势时，步骤为首先分析一根导体中的感应电动势，然后推导一个线圈的感应电动势，再计算一个线圈组的感应电动势，最终推出单相绕组电动势的计算公式。对比电动势的分析方法推导正弦电流下单相、三相绕组的磁动势，先分析整距线圈的磁动势，然后依次分析整距线圈组、短距线圈组，最终推出单相、三相绕组的磁动势。课堂教学中，学生通过对问题进行对比与公式推导相结合，目标明确，概念和思路清晰，有益于分析问题的能力和学习效率的提高。
3.3引入课外兴趣小组结合有限元方法研究
典型案例电机学课程中采用数学推导结合图解法得到对称三相绕组中通入对称的三相电流时，在气隙中产生圆形旋转磁场。电机电磁场理论抽象，磁路中磁力线的走向是学生较难理解的问题。随着科技发展，有限元方法在电机仿真应用中起着越来越重要的作用，有效弥补了实验教学内容的不足，加深学生对复杂电磁理论的理解，是对当前课堂教学的补充和完善。目前用于电机有限元分析的软件主要有Ansys，Flux，JMAG和MAGNET。以24槽4极永磁电机为例，通过对电机进行前处理结构建模、剖分，后处理仿真分析，得到电机结构剖分图和磁场分布如图1所示，并进行参数计算、优化设计。用以上有限元软件，可将抽象的电机旋转磁场以图形和动画形式直观展示，极大方便了学生对电机电磁现象的理解，有效激发学生学习兴趣。当前电机新技术和新材料快速发展，知识日益更新，结合电机最新发展技术前沿，利用目前流行的有限元软件辅助电机分析，让学生成立课外兴趣小组，以三相异步电机设计仿真与实验为典型案例教学训练项目，同时引入特种电机的设计仿真与实验课题，鼓励学生参与教研项目活动。通过案例教学辅导，完成电机的资料收集、方案设计、性能分析、实验验证、数据处理、撰写报告等一系列工程化训练，培养学生创新能力和团队协作的意识，同时满足工程教育专业认证提出的“运用综合知识解决本领域复杂工程问题”的要求，提高学生的理论和实践水平，为今后走上工作岗位奠定基础。
4结语
电机学课程内容涉及学科门类广、知识多，理论性和实践性较强。本文首先介绍了借助实习实训实现理论学习与实训互补的教学方法。然后由工程问题入手，通过课堂教学方法的不断改进，将课堂教学与实践有机结合在一起。最后通过案例教学项目，培养学生综合运用所学专业知识解决实际问题的能力，提高学生学习的积极性，从而达到提高教学质量的目的。
参考文献
[1]王振华,张金霞.“电机学”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2013(13):66-67.
[2]杜怿,孙宇新,潘伟,等.面向工程教育专业认证的电机学课程改革探索与实践[J].中国现代教育装备,2018(21):36-39.
[3]辜承林,陈乔夫,熊永前.电机学[M].第4版.武汉:华中科技大学出版社,2018.
[4]曾成碧,苗虹,段述江.“电机学”非标准答案考试的探讨[J].教育教学论坛,2019(1):196-197.
[5]石赛美,尹进田,黄肇.论“电机学”课程教学中对比式教学法的应用[J].中国电力教育,2012(33):40,68.
作者：王明杰 刘胜 武洁 邱洪波 金楠 单位：郑州轻工业大学电气信息工程学院
