吳鵬?尹力?冷欣

摘要：傳統(tǒng)型、探究型和研究型教學(xué)模式是目前最具代表性的幾種教學(xué)模式。在“電工學(xué)”教學(xué)中應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)理念，把計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引進(jìn)“電工學(xué)”課程，為傳統(tǒng)型教學(xué)到研究型教學(xué)模式的運(yùn)用提供廣闊的仿真空間。長(zhǎng)達(dá)4年的教學(xué)實(shí)踐證明，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“電工學(xué)”由傳統(tǒng)型教學(xué)到研究型教學(xué)的良好手段。

關(guān)鍵詞：電工學(xué)；傳統(tǒng)型教學(xué)；探究型教學(xué)；研究型教學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真

作者簡(jiǎn)介：吳鵬（1980-），男，吉林延吉人，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，副教授；尹力（1961-），男，黑龍江依蘭人，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，講師。（黑龍江 哈爾濱 150040）

基金項(xiàng)目：本文系省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃省青年專項(xiàng)課題（課題編號(hào)：GBD1212007）、2011年度東北林業(yè)大學(xué)“電工學(xué)”重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：A0019）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0049-02

“電工學(xué)”作為高校非電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)內(nèi)容幾乎涉及電工與電子學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，在高等教育本科教學(xué)中占有很重要的地位。[1]近幾年來，我國(guó)高等教育的改革與發(fā)展取得重大進(jìn)展，社會(huì)各方面都對(duì)高等教育人才培養(yǎng)的質(zhì)量提出了新的高層次要求。為了使學(xué)生在校期間能夠接觸和了解先進(jìn)、前沿的科學(xué)技術(shù)，同時(shí)使他們?cè)诋厴I(yè)后能夠盡快適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需求，必須不斷對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革。

傳統(tǒng)型教學(xué)模式主要以教師為中心，學(xué)生只是被動(dòng)的參與者。這種教學(xué)模式在方法上是灌輸和強(qiáng)制的，是一種學(xué)生被動(dòng)參與式的教學(xué)模式。[2]

探究型與研究型教學(xué)模式是近年來最具代表的兩種教學(xué)模式。探究型教學(xué)模式指教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)當(dāng)前所學(xué)內(nèi)容以“自主、探究、合作”的方式進(jìn)行深入學(xué)習(xí)的一種教學(xué)模式。[3，4]

研究型教學(xué)是對(duì)探究型教學(xué)的深化與拓展，[5]是以培養(yǎng)學(xué)生能力為主要的內(nèi)容，將學(xué)習(xí)、研究、實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在研討中學(xué)習(xí)知識(shí)，培養(yǎng)能力和創(chuàng)新思維，達(dá)到培養(yǎng)高層次、復(fù)合型、多樣化的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的一種教學(xué)模式。

筆者結(jié)合近四年的教學(xué)改革實(shí)踐，針對(duì)“電工學(xué)”課程的特點(diǎn)，[6]把計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引進(jìn)“電工學(xué)”課程，為研究型教學(xué)模式的運(yùn)用提供廣闊的仿真空間。通過教學(xué)實(shí)踐證明，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“電工學(xué)”由傳統(tǒng)型教學(xué)到研究型教學(xué)的良好手段。

一、傳統(tǒng)型教學(xué)、探究型教學(xué)和研究型教學(xué)簡(jiǎn)單總結(jié)

傳統(tǒng)型教學(xué)模式突出教師在教學(xué)中心的地位。在這種教學(xué)模式下，教師既是教學(xué)活動(dòng)的中心，同時(shí)又是教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)者，教師對(duì)學(xué)生的教學(xué)是灌輸和強(qiáng)制的，學(xué)生被動(dòng)地參與教師教學(xué)。而且教師與學(xué)生之間的交流非常少，學(xué)生大多機(jī)械地記憶教師課堂上所講內(nèi)容，甚至機(jī)械地背下教師所留的題目。

傳統(tǒng)教學(xué)模式的特征是單一地考試，學(xué)生背的多，得分就高，學(xué)生沒有時(shí)間也沒有心思在學(xué)習(xí)的過程中進(jìn)行創(chuàng)新。這種教學(xué)模式把分?jǐn)?shù)作為衡量學(xué)生成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，忽略了其他方面的培養(yǎng)。

探究型教學(xué)模式因?yàn)椴捎谩白灾?、探究、合作”的學(xué)習(xí)方式，因此教師在教學(xué)過程中要強(qiáng)調(diào)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行小組交流合作。教師所起的作用是引導(dǎo)，而學(xué)生應(yīng)該努力發(fā)揮學(xué)習(xí)的積極性。

在研究型教學(xué)模式中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，而教師只是教學(xué)過程中的引導(dǎo)者，[7]它能夠引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中運(yùn)用科學(xué)的研究方法去求取知識(shí)、理解知識(shí)。因此這種教學(xué)模式由傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)轉(zhuǎn)向?qū)W生自主式學(xué)習(xí)，學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中都會(huì)積極參與和探索交流。

例如，在講解一些基本元件或較為復(fù)雜的器件時(shí)，教師視情況可以作現(xiàn)場(chǎng)拆裝，向?qū)W生展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解其性能、使用環(huán)境、主要參數(shù)、注意事項(xiàng)以比較與其他同類產(chǎn)品的異同。對(duì)于書本上一些難以理解的電路，教師可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真演示。例如，教師可以在課堂講解一部分計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，接著指導(dǎo)學(xué)生在課內(nèi)上機(jī)進(jìn)行模擬仿真。通過仿真結(jié)果顯示，學(xué)生會(huì)形象地“看”到所建立模型的運(yùn)行過程，幫助學(xué)生更好地明白其工作原理及工作過程。

二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助教學(xué)是實(shí)現(xiàn)研究型教學(xué)的良好手段

在“電工學(xué)”教學(xué)過程中，如果筆者借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，緊密結(jié)合多媒體課件教學(xué)，不僅可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)新性，而且可以彌補(bǔ)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件不足；同時(shí)也不受學(xué)時(shí)限制，從而更能進(jìn)一步確立學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位。通過自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并分析其結(jié)果后，學(xué)生能夠有所收獲，有所提高，與被動(dòng)接受相比，這種熱情是自發(fā)的、內(nèi)在的，具有長(zhǎng)久和深刻的效果。

下面通過實(shí)例探討Matlab/Simulink仿真方法在“電工學(xué)”電動(dòng)機(jī)部分的應(yīng)用。

本文首先給出電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用Matlab中的Simulink建立三相異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型，為以后研究三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性、機(jī)械特性、起動(dòng)與調(diào)速方法的研究奠定基礎(chǔ)。

1.三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

異步電動(dòng)機(jī)[8]的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

式中為電動(dòng)機(jī)的同步角速度。

由近似等效電路可得

式中。

將式（1），（3）代入式（2）可得異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中p為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；L1為定子漏電感；L2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏電感。

其中r1為定子電阻；x1為定子漏電抗；rm為勵(lì)磁電阻，模擬鐵芯損耗；xm為勵(lì)磁電抗，對(duì)應(yīng)于氣隙主磁通的電抗；r2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻；x2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏電抗；s為轉(zhuǎn)差率；為電子電流相量；為電子電壓相量；為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流相量；為勵(lì)磁電流相量。

2.基于Matlab/Simulink的三相異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型

由三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可得到靜態(tài)的電機(jī)模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中虛線表示三相異步電動(dòng)機(jī)靜態(tài)模型。

三相異步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：，，，，，，，，，。

基于Matlab/Simulink的三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)如圖2所示，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的速度曲線如圖3所示。

由圖3所示，可以直觀地觀察到電動(dòng)機(jī)的速度變化曲線。

通過對(duì)Simulink在三相異步電動(dòng)機(jī)教學(xué)過程中的應(yīng)用研究，可讓學(xué)生在Matlab環(huán)境下，動(dòng)手搭建三相異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型；并從所搭建仿真模型中，直觀地學(xué)習(xí)三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性、機(jī)械特性、起動(dòng)與調(diào)速等相關(guān)知識(shí)。

教學(xué)實(shí)踐表明，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入“電工學(xué)”教學(xué)，是開展研究型教學(xué)的良好手段，學(xué)生反映良好。在“電工學(xué)”教學(xué)引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使學(xué)生們對(duì)所學(xué)知識(shí)感到形象直觀，能更好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)。通過學(xué)生自己設(shè)計(jì)電路模型，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，同時(shí)能夠激發(fā)創(chuàng)造力和創(chuàng)新性，讓學(xué)生參與到科研過程中。

（2）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)所提供的功能非常強(qiáng)大，且不存在燒壞器件的現(xiàn)象，因此學(xué)生在利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)搭建模型時(shí)，不必?fù)?dān)心像在實(shí)驗(yàn)室里把電路板燒壞一樣，可大膽進(jìn)行分析、建模、編程、仿真，在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)了動(dòng)手、研究及解決問題的能力。

（3）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)只需在電腦上進(jìn)行操作，學(xué)生可以通過課后自行上機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張，解決教學(xué)過程中課時(shí)有限的問題。

（4）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助教學(xué)的應(yīng)用，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課之前掌握一些仿真軟件工具，為學(xué)生將來做一些較為復(fù)雜的綜合性設(shè)計(jì)題目及畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

由此可見，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“電工學(xué)”研究型教學(xué)的一種行之有效的方法。

三、結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，“電工學(xué)”的內(nèi)容不斷更新，新理論與技術(shù)不斷涌現(xiàn)。傳統(tǒng)型教學(xué)模式的教學(xué)已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)綜合型和創(chuàng)新型人才的需要。培養(yǎng)學(xué)生掌握新知識(shí)、新技術(shù)的能力，是目前社會(huì)和企業(yè)對(duì)高校教學(xué)提出的迫切要求。本文以“電工學(xué)”教學(xué)為例，較詳細(xì)地闡述了傳統(tǒng)型、探究型和研究型教學(xué)模式在該門課程中的特點(diǎn)。

通過筆者近四年的教學(xué)實(shí)踐證明，把計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到“電工學(xué)”教學(xué)中，能有力地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的積極性。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一種可以實(shí)現(xiàn)“電工學(xué)”教學(xué)由傳統(tǒng)型到研究型教學(xué)模式的教學(xué)方法。

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（責(zé)任編輯：王意琴）