關(guān)于“電機學”課程教學的改革與實踐
論文摘要:“電機學”課程是一門理論性與實踐性都很強的電氣工程專業(yè)基礎(chǔ)課。文章結(jié)合多年來的教學實踐、教學改革以及課程系統(tǒng)建設(shè)所取得的初步成果,從課程特點、專業(yè)特點、教學實踐、教材建設(shè)、教學改革、課程輻射、科研拉動等方面入手,總結(jié)了電機學課程教學改革的方法和實踐經(jīng)驗,上述方法在多年的教學實踐中取得了良好效果并獲得了學生好評。
論文關(guān)鍵詞:電機學;教學改革;課程建設(shè);教學實踐
“電機學”課程是電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要內(nèi)容包括:變壓器,交流電機繞組理論,異步電機和同步電機以及直流電機,共五篇。課程的特點是理論性強、概念多,與工程實際聯(lián)系密切。學生通過本課程的學習,將獲得電機的基本理論知識、基本分析方法和基本實驗技能,為進一步學習專業(yè)課和從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅實基礎(chǔ)。
一、中國農(nóng)業(yè)大學(以下簡稱“我!保╇姎夤こ虒I(yè)學習特點
在基于我校信息與電氣工程學院國家級重點學科“農(nóng)業(yè)電氣化與自動化”的基礎(chǔ)上,著眼于地方電網(wǎng),從控制與運行的角度進行講授。本專業(yè)培養(yǎng)能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術(shù)、信息處理、實驗分析、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理、工程設(shè)計與施工以及電子與計算機應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬口徑復合型高級工程技術(shù)人才。課程設(shè)置偏重于電力系統(tǒng)及其自動化,主要學習電力系統(tǒng)的運行分析、系統(tǒng)規(guī)劃、自動化技術(shù)應(yīng)用等方面的知識。知識結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)了強電與弱電相結(jié)合,電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合,軟件與硬件相結(jié)合,工程與科技開發(fā)相結(jié)合的特點。
“電機學”課程在我校本科專業(yè)電氣工程的培養(yǎng)計劃中,是必修課程,目前按64學時課堂講授,另有32學時的關(guān)聯(lián)課程“電機學實驗”,課程在大三上學期開設(shè),屬在前期修學普通物理、高等數(shù)學、電路原理等的基礎(chǔ)上,為后續(xù)專業(yè)課作承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課。
二、課程特點
本課程基于在電力系統(tǒng)中運行的各種電機進行分析與研究,因此電機的“功率”特征十分明顯;著重于穩(wěn)態(tài)分析,與先期課程銜接緊密,如普通物理、電路原理等;因普遍涉及鐵磁材料,故非線性(飽和)問題是必須面對的;一方面,課程在遵循經(jīng)典電工與電磁理論的基礎(chǔ)上,推導嚴密,教學嚴謹,邏輯性強,另一方面,許多結(jié)論是在合理的忽略次要因素后得出的,因此工程意義上的允許偏差與數(shù)學意義上的精確,在學生課程學習中面臨沖突;實驗中,學生開始接觸更加真實的電機控制、運行與測量,結(jié)合實際緊密,是鍛煉綜合動手能力的很好機會。特別是在電力系統(tǒng)中運行的各種電機,彼此既相對獨立又相互關(guān)聯(lián),這些在增加了學生課程學習難度的同時,也打開了一扇幫助學生了解電機、電器以及電力系統(tǒng)知識的窗戶。較好的課程教學成果,不僅能夠擴大學生的知識面,而且還能培養(yǎng)學生掌握基礎(chǔ)理論知識的能力、系統(tǒng)的分析方法以及綜合運用所學知識解決具體問題的能力。另外,課程的實踐性教學環(huán)節(jié)對理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生的動手能力、分析解決工程中的實際問題和科學研究能力的培養(yǎng)尤為重要,是課程教學不可缺少的重要組成部分。
三、教學實踐
多年來的本科“電機學”課程教學實踐,基本形成了較為完整的教學思路與做法,主要體現(xiàn)出如下幾點:
(1)課程內(nèi)容講授中,體現(xiàn)了加強基礎(chǔ),重點突出,注重啟發(fā),強調(diào)實踐,綜合評價。加強基礎(chǔ)就是力求使學生掌握本課程要求的基本理論和分析方法,以及發(fā)展前沿、技術(shù)焦點等問題;重點突出是指課程中的最重要的一些概念與結(jié)論,必須講好、講透,比如“T”型等效電路、磁勢平衡、電樞反應(yīng)等;注重啟發(fā)包括課堂講授中的啟發(fā)互動做法,以及實驗、討論中的語言與角色把握;強調(diào)實踐是指注重實驗教學與課程講授之間互動以及相輔相成的有機聯(lián)系;綜合評價是全面評價學生課程學習的整體表現(xiàn),多年來,一直堅持平時成績與期末考試成績按比例計入總評成績。
。2)課程內(nèi)容組織上,注意結(jié)合本專業(yè)需求,在“基礎(chǔ)與精髓不漏”的前提下,對一些涉及設(shè)計、制造及在少學時情況下較難理解的內(nèi)容,如交、直流電機繞組、時-空向量分析等,進行刪減,適當精簡或簡化電機電磁理論的闡述及推導,注重結(jié)論的理解與應(yīng)用。在每一篇的最后,講授一些典型應(yīng)用,比如變壓器之后,介紹互感器;異步電機之后,介紹單相異步電動機以及變頻驅(qū)動;同步電機之后,介紹永磁同步風力發(fā)電機;直流電機之后,介紹無刷直流電動機等。這樣,既鞏固了學生對本篇主要結(jié)論的印象,又避免了“通篇學完電機學,只知四種電機”的尷尬局面。
(3)注重語言表達和多媒體的合理應(yīng)用。課堂上,介紹概念需要表達準確,推導過程需要嚴謹,但好的課堂講授效果,與表達方式有很大關(guān)系,這里不僅有語言表達和口齒的問題,更有良好的語言運用、知識積累和直觀形象展示的問題。如,介紹到變壓器勵磁電流性質(zhì)時,會涉及到在鐵芯磁路飽和時,正弦分布的基波勵磁電流,會產(chǎn)生平頂形態(tài)的磁通波形,反之,欲獲得正弦分布的磁通波形,則需配合適當非正弦分布的勵磁電流供給。這樣的內(nèi)容,學生第一次接觸,難理解,不易記憶,用一句成語,“魚翅與熊掌不可兼得”去概括,收效很好;在講授交流電機三相合成旋轉(zhuǎn)磁勢時,自制的Flash動畫,直觀、形象地演示出了駐波、行波以及合成等曲線圖形,有助于學生理解和記憶。再比如,在用電磁轉(zhuǎn)矩物理公式,解釋異步電動機起動電流大的現(xiàn)象時,需說明主磁通大幅減小,且轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)很低,從而造成轉(zhuǎn)子電流幅值很大的局面,用一句成語,“屋漏偏逢連陰雨”去描述,就很形象。在多媒體課件設(shè)計上,著重兩個思路:循序漸進層層深入的思維過程的啟發(fā)式引導,形象直觀的物理過程可視化展示。顯然在課件中,大量的文字堆砌,無助于脫稿講授,大量公式的粘貼,替代不了連貫的現(xiàn)場推導與演繹。多年的教學過程證明,良好的授課表達方式可有效地提高教學效果和學生的學習興趣。
。4)努力使實驗教學與課堂教學相得益彰。主要做法包括:以驗證性實驗,作為“規(guī)定動作”,用以強化對課堂中對應(yīng)重要結(jié)論與概念的印證;以自選性實驗,提高學生實驗的主動性與興趣,其中的內(nèi)容,既有教師引導形成的,也有學生自己思考提出的。為此,我們進行了實驗課程的單獨設(shè)課,增加實踐教學的設(shè)計性、綜合性、趣味性;放手讓學生自己去準備、設(shè)計、接線、調(diào)試、排除故障等。當學生在實驗中的主動性被激發(fā)出來后,思考、興趣、想法等會接踵而來,不僅會有效地促進課程內(nèi)容學習理解,還會激發(fā)出一些學生因動手能力強,而產(chǎn)生的自信心,一些學生就是因此而產(chǎn)生出許多創(chuàng)新性的想法與做法,我們所教的學生中就有許多這樣的實例。
。5)著力培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W作風?茖W作風的培養(yǎng),是可以也應(yīng)該貫穿于課程教學始終的。課堂上,講課的邏輯性,推導的縝密性,批改作業(yè)的嚴謹性,是一種基本體現(xiàn),實驗中的科學作風更應(yīng)注重。實際上,一次電機學實驗,就是一次微型的、科學的、有工程意義的科學訓練。學生們需課前認真設(shè)計實驗內(nèi)容,在實驗中,正常、合理使用儀器設(shè)備操作,發(fā)現(xiàn)和解決問題;實驗后,對實驗數(shù)據(jù)的分析整理,撰寫實驗報告。在這其中,學生得到的訓練是較為全面的,其中任何一個環(huán)節(jié)出問題,都可能導致結(jié)論的不準確,這樣系統(tǒng)的科學訓練,是課堂教學中不易找到的。
(6)堅持培養(yǎng)良好的學風。對學生要求嚴格,是“電機學”課程多年的傳統(tǒng)。課上,我們堅持要求學生不遲到,不無故缺席,不抄襲作業(yè),保持良好的課堂秩序,并屆屆相傳。多年來的教學實踐表明,對學生的嚴格要求,并沒有使我們失去學生的尊重,我們以嚴以律己、一絲不茍的治學態(tài)度及對學生嚴與愛的統(tǒng)一之中,贏得了歷年的好評。事實證明,我們的絕大部分學生是好學的、理智的、明辨是非的。我們認為,只要教師的投入放在精通業(yè)務(wù)、全面了解本學科狀況與動向、提高教學質(zhì)量和水平上,把身段放在去了解學生,關(guān)心和幫助學生,嚴格要求學生,使學生在學習中健康成長方面,學生心里的那桿稱,是公平的。
四、教材建設(shè)
多年一線本科教學的實踐體會和經(jīng)驗,具體體現(xiàn)到了作為主體編寫兼統(tǒng)稿的普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材——《電機學》中。該教材的特點,得到了國內(nèi)許多高校同行的認同,因此由中國電力出版社2008年7月第1次印刷的3000冊,在發(fā)行一年多后,就已售罄,于2010年1月第2次印刷后,再版發(fā)行。結(jié)合本校課程以及實驗設(shè)備特點,在本校內(nèi)印刷發(fā)行的《電機實驗指導書》,自2000年以來,已修訂過3版,共約發(fā)行1100冊。
教材的系統(tǒng)建設(shè),結(jié)合完整的專業(yè)培養(yǎng)計劃、教學大綱,使教學內(nèi)容、質(zhì)量以及規(guī)范化水平都上了一個臺階。
五、教學改革
1999年,學校開展首批重點課程建設(shè),課程團隊參加了學校首批25門重點課程建設(shè)之一的“電機和電機與拖動”課程建設(shè),并順利通過了學校的驗收。其中的三項主要內(nèi)容,課程考核的綜合評分公式,試題庫的建設(shè),網(wǎng)絡(luò)版和課堂版教學軟件,是較有特色的。多年來,各學期末學生給課程的教學評分,都位列在學院的前列。
電機學課程教學中,實驗內(nèi)容十分重要,因此多年來,雖然課程總學時一再縮減,但實驗課時,一直堅持不減,并且從2010年起,在專業(yè)新修訂的培養(yǎng)計劃中,完善了教學大綱,實現(xiàn)了32學時的實驗單獨設(shè)課,獨立考核。
六、課程輻射
課程主講教師曾經(jīng)的一個電機專業(yè)教學“一條龍”不間斷培養(yǎng)的設(shè)想,在一些學生身上實現(xiàn)了。例如,一個電機課代表,對電機產(chǎn)生了濃厚的興趣,在課程學習后期主動找到主講教師,要求參加科研項目,當時一個與電機相關(guān)的科研項目是小型離網(wǎng)風力發(fā)電,于是,學生從擰螺絲釘固定機組開始,到學習變頻電動機控制、異步發(fā)電機的并接電容器自勵,到完整的進行科研實驗測試、撰寫文章,不到一年的時間,全面進入科研角色;在大四免試推薦研究生階段,僅在最后一刻,與一所國內(nèi)一流大學失之交臂,但隨后,被另一所首批國家 “985工程”的大學很快錄取了,理由就是科研能力好(當然學習成績也不差);在之后自然選擇主講教師作為指導教師的畢業(yè)設(shè)計中,由于題目的前期積累,也獲得了學校百篇優(yōu)秀本科畢業(yè)論文的獎勵。一門專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容,能夠延續(xù)到畢業(yè)論文階段,作為課程教師,我們深感欣慰。
近幾年來,作為研究生導師,我們還主講了與電機相關(guān)的研究生課程“電機專題”和“新能源發(fā)電技術(shù)”。教學實踐中發(fā)現(xiàn),教學所涉及的內(nèi)容很寬泛,多學科融合與應(yīng)用的發(fā)展異常迅猛,沒有一本十分適用于學校本學科研究生教學的參考書,如果羅列參考書,將是10本以上的數(shù)量。在多年電機學的教學經(jīng)驗以及本科電機學教材編寫的基礎(chǔ)上,我們編寫了一本學校研究生教材《電機與新能源發(fā)電技術(shù)》,已由中國農(nóng)業(yè)大學出版社正式出版發(fā)行。
七、科研拉動
對于高校工科教師而言,教學與科研相得益彰。比如,結(jié)合與企業(yè)合作設(shè)計生產(chǎn)雙速自制動三相異步電動機的項目,直接參與了雙速繞組、鐵芯、磁場與性能校驗等電磁設(shè)計,以及樣機試制、實驗,到批量生產(chǎn)的全過程。這些一手電機設(shè)計與生產(chǎn)經(jīng)驗,不僅加深了對課程相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握,同時很大程度的豐富了教學內(nèi)容,課堂以及實驗教學實踐中,自然心中有底,言之有物。又例如,在我們所承擔的有關(guān)農(nóng)村新能源發(fā)電的國家“十一五”科技支撐項目子課題中,所涉及的內(nèi)容較為繁多,但多年來電機學課程教學所積累的較為扎實的基本概念和學科知識,使我們能夠與團隊成員一起,交出了較為圓滿的課題任務(wù)答卷,取得了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果、技術(shù)與裝備。
八、結(jié)束語
“電機學”課程是一門自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)等專業(yè)的傳統(tǒng)課程,在新形勢下,需要教師實際投入。從課程教學內(nèi)涵而言,應(yīng)該多思考,勤實踐,不斷豐富和完善課程教學體系;從課程教學外延來看,應(yīng)該從專業(yè)系統(tǒng)培養(yǎng),工程應(yīng)用需求,動手能力培養(yǎng),后續(xù)課程拉動等多方面、多角度,去思考課程教學的改革與內(nèi)容的更新。
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