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“電磁場工程應(yīng)用”高階課堂探索

2021-04-02 03:31:58譚陽紅帥智康
電氣電子教學(xué)學(xué)報 2021年1期
關(guān)鍵詞:電導(dǎo)問號電阻

譚陽紅, 帥智康, 汪 沨, 李 勇

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

0 引言

灌輸課堂、封閉課堂、重知輕行、重學(xué)輕思是典型的低階課堂[1,2]。與之相對應(yīng),高階課堂的典型特點是對話課堂、開放課堂、知行合一、學(xué)思結(jié)合[2]。在認知過程的6個層次中,從“記憶、理解、應(yīng)用”向“分析、評價、創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。在低階課堂中,學(xué)生學(xué)會“是什么”、“為什么”和“怎么樣”即可[2]。因此,學(xué)生只需要 “張嘴”,只需要即聆聽、理解和記憶即可。而高階課堂教會的是學(xué)生“覓食”的能力,培養(yǎng)學(xué)生的策略性思維,即教會學(xué)生如何實現(xiàn)從已知狀態(tài)向目標狀態(tài)的轉(zhuǎn)化、如何分析解決復(fù)雜工程任務(wù)等。培養(yǎng)學(xué)生的問題分析、獲取隱性知識、方案決策、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作、工程倫理、項目管理和自主學(xué)習(xí)能力等[3]。

因此,淘汰低階性、陳舊性和不用心的“水課”,提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度,合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣。建設(shè)有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”,是每個教師都面臨的挑戰(zhàn)。我校電氣工程學(xué)院一直堅持“以學(xué)生位中心”,課程內(nèi)容具有前沿性和挑戰(zhàn)度,采用探究性教學(xué)方法,堅持知識、能力和素質(zhì)“三位一體”的培養(yǎng)模式,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜電氣工程問題的綜合能力和創(chuàng)新思維。我?!半姶艌龉こ虘?yīng)用”是湖南省國家精品在線開放課程,正在申請國家精品在線開放課程。本文以該課程的“電導(dǎo)和接地電阻”為例,介紹其高階課堂的探索過程。

1 課程的教學(xué)目標

“電磁場工程應(yīng)用”是電類專業(yè)的基礎(chǔ)課之一,通過本課程的教學(xué)使學(xué)生具備下列能力:

(1) 工程分析能力:培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐學(xué)習(xí)能力,鼓勵學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主查閱電磁場工程實例,研究得到工程問題的單元或模塊分解,給出解決思路和方案;

(2) 建模和求解能力:能夠運用矢量代數(shù)和場的思維方法,定量分析場的特性,確定場滿足的方程和邊界條件,建立場和波的數(shù)學(xué)模型,并正確求解;

(3)團隊合作和仿真能力:能夠和團隊進行問題分解和任務(wù)分配,使用Maxwell對單元模塊或系統(tǒng)進行仿真,并對結(jié)果進行分析,得到模型參數(shù)或完成系統(tǒng)的仿真或測試;

(4)文字表達和溝通能力:能夠?qū)⒆约旱姆桨负退悸?、實現(xiàn)過程、仿真和實驗測試等過程撰寫成符合規(guī)范要求的技術(shù)報告與文檔,并在課堂表述自己的觀點和意見、與同學(xué)互動和討論;

(5)項目影響評價能力:能正確認識和評價電磁場工程項目的實施對社會、健康、安全、環(huán)境的影響,理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

2 課程教學(xué)的設(shè)計和特點

在課程教學(xué)中,采取線上線下混合式教學(xué)模式。在線下課程中,采取“思考+ 討論”的“問號課堂”,激發(fā)學(xué)生思考和討論。讓學(xué)生盡量做到“思中學(xué)”、“做中學(xué)”。同時,更加注重拋出問題,在一定程度上采取“吊胃口”的方式,達到“既疑又懂”的效果,培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣,結(jié)合課后的實作演練,提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力。和傳統(tǒng)課堂相比,其特點有:

1)對話課堂

傳統(tǒng)課堂中,教師的任務(wù)是做PPT,念PPT,學(xué)生的任務(wù)是聆聽、理解和記憶[1],只須“張口”等待教師“喂食”即可。在“問號課堂”中,教師是導(dǎo)演,學(xué)生是演員。教師以精心設(shè)計的“問號”引導(dǎo)學(xué)生思考和討論,課堂內(nèi)容一直在師生對話中完成。

2)開放課堂

傳統(tǒng)課堂的時間、地點、教學(xué)內(nèi)容都是固定的,而在“問號課堂”中,時間上從課內(nèi)延伸至課外、空間上從教室拓展至包括圖書館和實驗室在內(nèi)的多個空間組合、教學(xué)內(nèi)容上從教材擴充至各種參考資料。在設(shè)計這些問號的時候,需采取“吊胃口”的方式,課堂上,一方面需引導(dǎo)學(xué)生解決問號的能力,更重要的是激發(fā)學(xué)生主動“覓食”的興趣。

3)學(xué)思合一

傳統(tǒng)課堂中,教師解決教材上的重點、難點和疑點,成功畫出一個個“句號”,學(xué)生“張口”等待教師“喂食”過程中深信不疑?!皢柼栒n堂”中,通過教師不斷畫“問號”,引導(dǎo)學(xué)生主動思考,鼓勵學(xué)生自己將“問號”變成“句號”。讓學(xué)生“既懂又疑”,不安所學(xué),敢于向傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。讓學(xué)生做到“學(xué)中思、思中學(xué)”,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。

4)知行合一

傳統(tǒng)課堂存在重知輕行,理論與實踐部分脫節(jié)的現(xiàn)象,部分學(xué)生甚至是“聽”實踐、“看”實踐、“抄”實踐?!皢柼栒n堂”將“坐中學(xué)”轉(zhuǎn)化為“做中學(xué)”。培養(yǎng)學(xué)生主動思考和主動實踐能力。將課堂上的疑問、新觀點、一時難以解決的內(nèi)容等記錄下來,在課后通過與同學(xué)討論、查閱資料、仿真或者實驗等方式,解決疑問、加深理解,做到“學(xué)中做、做中學(xué)”,提高分析和實踐能力。

3 課程教學(xué)改革探索示例

“電導(dǎo)和接地電阻”是“電磁場工程應(yīng)用”課程中的一個很重要的內(nèi)容,在傳統(tǒng)教材和教學(xué)中,只強調(diào)典型電導(dǎo)的計算與應(yīng)用。學(xué)生對電導(dǎo)和接地電阻的應(yīng)用和設(shè)計規(guī)范并不理解;也沒有深入理解:接地體的形狀、尺寸和埋入深度對接地電阻的影響,以及在設(shè)計中如何考慮這些因素。

在教學(xué)中,從工程應(yīng)用出發(fā),引入漏電導(dǎo)的概念,說明工程問題中電導(dǎo)和接地電阻的建計算方法,分析典型工程應(yīng)用和設(shè)計規(guī)范。并要求學(xué)生在課后對典型工程應(yīng)用進行分析和設(shè)計,利用軟件Maxwell進行仿真分析和驗證。

線下教學(xué)采用全“問號”方式,課堂全程為對話方式。具體過程分成4個步驟:MOOC檢查拓展、延伸思考、深入討論和課后實踐。MOOC檢查拓展是針對課前布置的MOOC內(nèi)容,設(shè)計針對性的問題,對MOOC實施效果進行檢查和拓展。

延伸思考指的是針對MOOC的內(nèi)容,提出若干思考題。在2019年春季學(xué)期的“電導(dǎo)和接地電阻”教學(xué)中,提出了以下思考題,各思考題之間層層遞進。

(1)電導(dǎo)的計算思路有哪幾種?每種方法的應(yīng)用條件是什么?各自有何優(yōu)缺點?

(2)這里計算的電阻和R=ρL/S表示的電阻有何異同?

(3)什么是“漏電阻”?如何打算?

(4)漏電阻能不能用歐姆表測量?應(yīng)該如何測量?

(5)什么是接地?舉例說明接地有何作用?

(6)接地電阻的組成

在討論完這些思考題后,進入深入討論環(huán)節(jié)。“電導(dǎo)和接地電阻”的深入討論內(nèi)容包括:接地電阻的計算、接地電阻的計算方法總結(jié)、接地電阻的應(yīng)用和接地電阻的實際設(shè)計。其中,最重要的是接地電阻的計算。以深埋的球形接地器作為實例,首先討論埋入深度不同時的接地電阻的異同,求得淺埋球形接地器的接地電阻。接著討論接地器形狀的不同對接地電阻的影響:包括半球形、棒形和其他形狀分別在淺埋和深埋時的接地電阻計算,如圖1所示。

圖1 接地電阻計算的討論內(nèi)容

接地電阻的應(yīng)用包含三個實例,如圖2所示。

圖2 接地電阻應(yīng)用的討論內(nèi)容

(1)別墅起火:包括起火原因分析、如何解決、如何防范等內(nèi)容;

(2)油層探測和地震預(yù)測:包括探測(預(yù)測)原理分析、需要的設(shè)備分析以及探測結(jié)果(油層所在位置的深度、地震預(yù)測結(jié)果)分析等內(nèi)容。

(3)跨步電壓:包含跨步電壓存在的原因分析、安全半徑分析、如何減少跨步電壓、日常市場生活需要注意的事項分析等。

在討論接地電阻的實際設(shè)計時,大多近似計算、一般以無窮遠處為參考電位,且實際接地電阻不宜太大,具體數(shù)值需要參考各種設(shè)計規(guī)范,如《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、《智能變電站防雷技術(shù)規(guī)程》等。同時,給學(xué)生三道提,各題難度遞進:

(1)某1kV大電流設(shè)備線路接地電阻要求R<0.5Ω。若使用球形接地器,設(shè)土壤電導(dǎo)率為10-2S/m,問其半徑應(yīng)多大?

(2)半徑為a的兩半球形接地器系統(tǒng)中,接地器間的距離為D,D?a,兩接地器間加電壓U,設(shè)大地的電導(dǎo)率為γ0。求其接地電阻(理論分析),如果將它用于民用建筑物,是否符合設(shè)計規(guī)范?

(3)分析雷擊輸配電桿塔時的電流、電場和磁場,設(shè)雷電流可用雙指數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型表述,即,i(t)=AIm(e-αt-e-βt),采用T1/T2模式,如8/20μs具體的雷電流參數(shù)如表1所示,波形如圖3所示。其中,I是峰值電流(幅值)、T1、T2分別是波頭時間和半值時間,α,β是衰減系數(shù)。

表1 雷電流參數(shù)

圖3 雷電流波形

要求:

(1)分析雷擊輸配電桿塔時(不同接地器)的電流(密度)、電場和磁場分布,并和理論分析進行對比。

(2) 桿塔附近有生物(池塘的魚,民房的人和動物等),離接地體不同距離,不同規(guī)格(如池塘的半徑,民房的size等)情況下,生物的電流(密度)、電場和磁場分布。

(3)改善措施及其效果分析。

每組側(cè)重1-2個點(每組不一樣),進行深入研究,下次課前先進行答辯和討論。

例如,其中一組學(xué)生研究了接地體的5種不同材料、5種不同尺寸以及3種不同埋入深度對魚塘內(nèi)的電流密度和電場分布的影響,其中雷電流在Maxwell中的表達式為1.058*30000*(exp(-1500*time)-exp(-1860000*time))。為了節(jié)省篇幅,這里只給出其中的一種情況。

當(dāng)魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數(shù)如表2所示時,在地面下1m處,電流密度隨時間和距離的分布圖如圖4所示。

表2 魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數(shù)

圖4 電流密度隨時間和距離的分布

在地面下1m處,電流密度和電場隨距離的分布如圖5、6所示。

圖5 電流密度隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和A/m)

圖6 電場隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和V/m)

可以看出,接地體的邊緣處,電流密度的值最大,然后,在接地體內(nèi)減少,但是,它不是簡單的單調(diào)遞減函數(shù)。分別在魚塘和接地體邊緣,電流密度和電場都會出現(xiàn)突變。

4 教學(xué)效果分析

為了進行對比分析,我們從2016-2018年進行了改革和跟蹤分析:全院四個專業(yè),共500人,分成16個班,全體學(xué)生都自由選課。每年保持了8個班級的傳統(tǒng)教學(xué), 8個班級是改革班級。采用統(tǒng)一的期末試卷,流水式改卷方式,其對比如圖7所示。

從圖7上可以看出,改革班級的卷面平均成績比傳統(tǒng)授課班級的卷面7-11分,傳統(tǒng)授課班級的總評成績和卷面成績之差一般維持在9分左右,而改革班級則只有3分。因此,改革班級的總評成績和卷面成績更接近,說明改革班級的形成性評價更能反映學(xué)生的真實水平。且對學(xué)生的調(diào)查分析表明,95%以上的改革班級學(xué)生認為自己主動學(xué)習(xí)和主動實踐能力提高了。

圖7 改革班級和傳統(tǒng)班級的對比分析

5 結(jié)語

在“電磁場工程應(yīng)用”課程教學(xué)中,采取線上線下混合式教學(xué)模式。在線下課程中,采取“思考+討論”的“問號課堂”,激發(fā)學(xué)生思考和討論。對比分析表明,改革班級的卷面成績高于其他班7-11分,總評成績和卷面成績更接近,說明改革班級的形成性評價更能反映學(xué)生的真實水平。(譚陽紅等文)

采取適當(dāng)“吊胃口”的方式,達到讓學(xué)生“既疑又懂”的效果,盡量做到“思中學(xué)”、“做中學(xué)”, 有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和主動實踐能力,提高學(xué)習(xí)的 興趣,增強學(xué)習(xí)的積極性和主動性,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的綜合研究能力,這對應(yīng)用型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)都將是非常有益的。

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