羅成名， 王 彪

（江蘇科技大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

世界范圍內(nèi)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革的加速進(jìn)行，要求科技人員具有更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力，專業(yè)授課老師往往更加關(guān)注教書環(huán)節(jié)而忽視育人環(huán)節(jié)，存在專業(yè)課程與思政教育“兩張皮”的突出問題。習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)：“把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”［1］。因此，圍繞“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一根本問題，立德樹人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)［2］。全課程思政育人已經(jīng)成為新時代中國高等教育的主旋律［3］。我校立足于船舶海洋行業(yè)特色聚力課程思政，不斷夯實(shí)學(xué)校人才培養(yǎng)質(zhì)量提升工程，涌現(xiàn)出一批主動服務(wù)國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的當(dāng)代大學(xué)生［4］。聚焦到電機(jī)拖動類課程，其作為電氣工程與自動化專業(yè)的核心課程，涉及電機(jī)與拖動和電力拖動自動控制等相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生掌握電動機(jī)與控制部分基礎(chǔ)理論的推導(dǎo)演繹，使學(xué)生在船舶與海洋工程電氣自動化方面具有一定的實(shí)踐能力［5］。針對電機(jī)拖動類課程教學(xué)過程中存在重教書輕育人、重理論弱實(shí)踐、重課程少關(guān)聯(lián)等問題，在新工科視域下嘗試?yán)碚摻虒W(xué)中融入思政元素的探索［6］，開展電機(jī)拖動類課程理論聯(lián)系實(shí)際的協(xié)同育人［7］，基于課程群框架內(nèi)的知識點(diǎn)交叉融合培養(yǎng)具有船魂特質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才。

1 電機(jī)拖動類課程教學(xué)融入思政理念的可行性分析-專業(yè)思政同向

電機(jī)拖動類課程是專業(yè)性極強(qiáng)的工學(xué)課程，傳統(tǒng)的教學(xué)更加注重知識的輸送，如何在輸送知識的同時進(jìn)行思政育人是提高立德樹人成效的重要手段［8］。課程思政基礎(chǔ)在課程，根本在思政，重點(diǎn)在課堂，關(guān)鍵在教師，成效在學(xué)生［9］。因此，進(jìn)行專業(yè)課程思政建設(shè)要注意課程特點(diǎn)，不能生搬硬套，更不能為了思政而思政［10］。面對電機(jī)拖動類課程的思政建設(shè)可以嘗試遵循以下幾點(diǎn)：

（1）明確任課老師和學(xué)生均是課程思政教育的主體。多數(shù)理工科專業(yè)老師對課程思政存在認(rèn)識不到位和水平有待提高的問題，打鐵還需自身硬，可通過優(yōu)秀思政課程觀摩和師德師風(fēng)建設(shè)等方式加強(qiáng)認(rèn)識提升水平；而對學(xué)生則要加強(qiáng)思政教育方面的引導(dǎo)和實(shí)踐，可通過學(xué)習(xí)強(qiáng)國平臺和小組學(xué)習(xí)研討等方式讓他們逐漸接受課程思政的理念，引導(dǎo)他們堅定信念勇于擔(dān)當(dāng)。

（2）根據(jù)不同章節(jié)的特點(diǎn)有針對性地開展課程思政設(shè)計。要用好課堂教學(xué)這一實(shí)施思政教育的“主渠道”，確定電機(jī)拖動類課程開展思政教育的方向，保質(zhì)保量完成電機(jī)拖動課程專業(yè)知識點(diǎn)的講授，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；同時，可以根據(jù)章節(jié)特點(diǎn)有針對性地融入思政元素，利用思政內(nèi)容來豐富枯燥的電機(jī)拖動課堂教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性和自主性。

（3）基于課程培養(yǎng)目標(biāo)調(diào)整的師生評價方式和考核方式。對教師的評價和學(xué)生的考核要遵循課堂思政教學(xué)的特點(diǎn)，以電機(jī)拖動類課程專業(yè)知識點(diǎn)的考核為主體，評估教師對于課程內(nèi)容的把控能力和考查學(xué)生對于知識點(diǎn)的掌握能力，不斷提升學(xué)生對教師所授課程的喜愛程度和學(xué)生對專業(yè)知識點(diǎn)的接受程度，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生尊重科學(xué)，在科研實(shí)踐中汲取力量。

（4）基于工程認(rèn)證理念持續(xù)改進(jìn)電機(jī)拖動課程育人效果。電機(jī)拖動類課程作為專業(yè)性極強(qiáng)的工科課程，要基于工程認(rèn)證理念持續(xù)做好電機(jī)拖動類課程培養(yǎng)效果的提升，在遵循授課規(guī)律、充實(shí)課程內(nèi)容、優(yōu)化授課方式、調(diào)整評價方式、以及拓展應(yīng)用范圍等方面多維度開展持續(xù)改進(jìn)，同時引導(dǎo)學(xué)生主動進(jìn)行自動控制以及電力電子等與電機(jī)拖動相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。

2 電機(jī)拖動系統(tǒng)調(diào)速的核心在于電磁轉(zhuǎn)矩控制-抓住主要矛盾

電動機(jī)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)，電力拖動實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換。如圖1所示為電動機(jī)-負(fù)載結(jié)構(gòu)圖，通過控制電動機(jī)的電壓、電流及頻率等來改變負(fù)載的轉(zhuǎn)矩、速度及位移等參量。

圖1 電動機(jī)-負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

電動機(jī)調(diào)速過程中大部分能量消耗在工作負(fù)載上，少部分消耗在機(jī)械摩擦以及電磁損耗中。在此，抓住調(diào)速這一主要矛盾而忽略次要矛盾，僅考慮電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL建立基本運(yùn)動方程：

式中：J為機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。

根據(jù)基本運(yùn)動方程，可以通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩Te達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的，電磁轉(zhuǎn)矩控制是電機(jī)拖動系統(tǒng)中調(diào)速部分的主要矛盾［11］。引入三相異步電動機(jī)，主要由定子電路、轉(zhuǎn)子電路以及勵磁電路組成，通過氣隙磁場耦合進(jìn)行定子能量向轉(zhuǎn)子部分的傳輸，由機(jī)械軸連接帶動工作負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)動［12］。前移勵磁支路阻抗，得到三相異步電動機(jī)Γ型等效電路圖，如圖2所示。

圖2 三相異步電動機(jī)Γ型等效電路圖

三相異步電動機(jī)為并聯(lián)電路，定子相電壓為˙U1，定子相電流和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流為˙I1和˙I′2，定子每相繞組電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相繞組為r1和r′2，定子每相繞組漏電抗和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相繞組漏電抗為x1和x′2，供電電源頻率為f1，電動機(jī)極對數(shù)為p，轉(zhuǎn)差率為s。基于Γ型等效電路，可以得到三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te的參數(shù)表達(dá)式為：

三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由定子電壓、電源頻率、轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)及定轉(zhuǎn)子電阻和電感等參數(shù)決定，當(dāng)采用額定電壓、額定頻率及固有參數(shù)可得到固有機(jī)械特性，當(dāng)改變異步電動機(jī)任一參數(shù)可得到人為機(jī)械特性。因此，通過改變定子電壓、定子回路電抗以及轉(zhuǎn)子回路電抗，可以改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)差率、同步轉(zhuǎn)速、臨界轉(zhuǎn)矩、臨界轉(zhuǎn)差率以及電磁轉(zhuǎn)矩。

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律。我國的第一艘航空母艦作為采用以蒸汽汽輪機(jī)的全電推進(jìn)技術(shù)，通過將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能繼而轉(zhuǎn)化為電能用于艦船的推進(jìn)。因此，基于能量守恒的電機(jī)拖動技術(shù)其調(diào)速核心在于電磁轉(zhuǎn)矩的控制［13］。

3 仿真與平臺實(shí)驗(yàn)相結(jié)合-理論聯(lián)系實(shí)際

課堂教學(xué)過程主要完成對專業(yè)知識點(diǎn)的講解，但是理論推導(dǎo)環(huán)節(jié)學(xué)生往往會覺得抽象生澀［14］。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)易于理解的優(yōu)勢，將Matlab仿真和電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺相結(jié)合，開展三相異步電動機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)一體化的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，通過理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)一步加深學(xué)生對電機(jī)拖動知識的理解，提高電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果［15］。設(shè)定異步電動機(jī)相數(shù)和極對數(shù)為3，定子相電壓U1為220 V，電源頻率f1為50 Hz，定子繞組電阻r1為2 Ω，轉(zhuǎn)子繞組電阻折算值r′2為1 Ω，定子漏電抗x1為3 Ω，轉(zhuǎn)子漏電抗折算值x′2為4 Ω。

保持頻率和極對數(shù)不變，保持定子和轉(zhuǎn)子阻值不變，將定子相電壓從220 V降低到165、110、55 V。如圖3（a）所示，降低定子相電壓其旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速不變，啟動轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩與臨界轉(zhuǎn)矩較定子相電壓成平方倍下降，而臨界轉(zhuǎn)差率與定子相電壓無關(guān)，降低定子相電壓適用于風(fēng)機(jī)類負(fù)載的調(diào)速。

保持頻率和極對數(shù)不變，保持定子相電壓和定子阻值不變，將轉(zhuǎn)子電阻折算值從1Ω增加到2、3、4 Ω。由圖3（b）所示可以得出，轉(zhuǎn)子回路串電阻其旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速不變，啟動轉(zhuǎn)矩變大、臨界轉(zhuǎn)矩不變而額定電磁轉(zhuǎn)矩變小，臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻值無關(guān)，轉(zhuǎn)子回路串電阻主要適用于繞線型式感應(yīng)電動機(jī)起動和調(diào)速。

如圖3（c）所示，基頻50 Hz以下保持定子電壓與電源頻率之比不變，將頻率從50 Hz降低到40、30 Hz，將定子電壓同步從220 V降低到176、132 V，旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速從1000 r/min降低到800、600 r/min，啟動轉(zhuǎn)矩增大而額定轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)矩減少，轉(zhuǎn)速降落差保持不變，基頻以下恒壓頻比調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。將頻率從50 Hz增加到60、70 Hz，額定電壓保持在220 V不變，旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速從1000 r/min升高到1200、1400 r/min，啟動轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩增大，臨界轉(zhuǎn)矩減少而轉(zhuǎn)速降落差增大，基頻以上變頻調(diào)速為恒功率調(diào)速。 如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)室電動機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行三相異步電動機(jī)的工作特性及調(diào)速實(shí)驗(yàn)。

圖3 不同工況下電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

圖4 三相異步電動機(jī)實(shí)驗(yàn)接線圖

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定所需要的儀器設(shè)備，包括三相異步電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、校正直流電機(jī)、交流電壓表、交流電流表、三相智能功率表、直流電壓表、直流電流表、三相可調(diào)電阻器以及波形測試開發(fā)板。

（2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率計算、工作特性、起動調(diào)速性能以及相關(guān)電機(jī)參數(shù)測量；同時掌握多種起動調(diào)速方式，能夠根據(jù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)來改變調(diào)速性能。

（3）實(shí)驗(yàn)記錄。通過電壓表、電流表和功率表讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄，同時實(shí)驗(yàn)過程中要注意儀器設(shè)備的量程，能夠正常的使用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（4）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。通過三相異步電動機(jī)實(shí)驗(yàn)，能夠掌握三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性，比較包括調(diào)壓調(diào)速、串電阻調(diào)速在內(nèi)的不同調(diào)速方式下的調(diào)速性能。

以異步電動機(jī)改變轉(zhuǎn)子繞組調(diào)速為例，同軸聯(lián)接校正直流電動機(jī)作為繞線式異步電動機(jī)的負(fù)載，電路接好后將轉(zhuǎn)子電阻調(diào)至最大；合上開關(guān)后電動機(jī)空載啟動，保持調(diào)壓器輸出電壓為220 V，轉(zhuǎn)子附加電阻調(diào)至0；同時，調(diào)節(jié)電動機(jī)勵磁電流的校正值到100 mA；

再調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的負(fù)載電流，使電動機(jī)輸出功率接近額定功率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩為1.3 N.m。如表1所示，改變轉(zhuǎn)子附加電阻，繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻可實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速，串入的電阻越大，起動電流越小，起動轉(zhuǎn)矩越大。隨著串入轉(zhuǎn)子繞組電阻的增大其轉(zhuǎn)速逐漸下降。

表1 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速參數(shù)

4 專業(yè)核心課程群內(nèi)多舉措并行育人塑造特質(zhì)人才-服務(wù)重大項(xiàng)目

電機(jī)拖動類課程作為電氣工程與自動化專業(yè)應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，涉及電力電子技術(shù)、自動控制原理等先修知識，需要在專業(yè)核心課程群內(nèi)進(jìn)行關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)的梳理，例如電動機(jī)反饋控制知識點(diǎn)與自動控制原理相關(guān)聯(lián)；積極改進(jìn)學(xué)生的評價方式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)對理論教學(xué)不感興趣而樂于進(jìn)行實(shí)際動手訓(xùn)練的學(xué)生，可以鼓勵這類學(xué)生積極參加全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及教師科研項(xiàng)目等實(shí)踐活動，針對電機(jī)拖動類課程所學(xué)的相關(guān)知識點(diǎn)開展實(shí)際應(yīng)用；結(jié)合傳感器技術(shù)、電動機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)編程技術(shù)以及C語言編程技術(shù)等，通過包括回歸課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生競賽以及科研項(xiàng)目在內(nèi)的多種舉措，在專業(yè)核心課程群內(nèi)不斷加深學(xué)生對相關(guān)課程的理解和應(yīng)用能力，開展多舉措并行育人，如圖5所示。

圖5 電機(jī)拖動知識點(diǎn)在課外實(shí)踐活動中的應(yīng)用

基于理論和實(shí)踐相結(jié)合的扎實(shí)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生具有“吃得了苦、扎得下根、聚得齊心、干得成事”的特質(zhì)，增強(qiáng)他們服務(wù)國家重大科技項(xiàng)目的信心和能力，將課程思政所學(xué)的內(nèi)容很好地應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)知識教育和思想教育相結(jié)合，學(xué)校已經(jīng)涌現(xiàn)出了一批先進(jìn)的典型事跡：諸如參與我國第一艘國產(chǎn)航空母艦設(shè)計建造、參與“蛟龍?zhí)枴?000 m載人潛水器研發(fā)、以及主持滬東中華造船公司LNG船的建造等一批優(yōu)秀學(xué)子愿意將服務(wù)國家海洋戰(zhàn)略作為自己的職業(yè)理想，育特質(zhì)人才為重大項(xiàng)目提供智力支持。

5 結(jié)語

面對“中國制造2025”和海洋大開發(fā)等國家戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)具有家國情懷和工程應(yīng)用能力的特質(zhì)人才是我校工程教育內(nèi)涵式改革的重要內(nèi)容。電機(jī)拖動類課程作為電氣工程與自動化專業(yè)的核心課程，涉及電機(jī)拖動工作原理、交直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成、調(diào)速控制方法及性能特點(diǎn)等內(nèi)容，相關(guān)拖動理論和實(shí)踐知識可有效支撐學(xué)校船舶與海洋工程電氣自動化的建設(shè)，明確電機(jī)拖動類課程“培養(yǎng)什么人”的問題。以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力為核心，回歸理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的教學(xué)模式，積極引導(dǎo)學(xué)生參加包括創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽以及科研項(xiàng)目在內(nèi)的課外實(shí)踐活動，構(gòu)建多元協(xié)同的電機(jī)拖動類課程教學(xué)體系，明確電機(jī)拖動類課程“怎么培養(yǎng)人”的問題。立足于高等教育立德樹人的根本任務(wù)，尊重電機(jī)拖動類課程的學(xué)科特點(diǎn)，專業(yè)課程教學(xué)中主動融入與課程內(nèi)容相契合的思政元素，培養(yǎng)具有船魂特質(zhì)主動服務(wù)國家海洋戰(zhàn)略的專業(yè)技術(shù)人才，明確電機(jī)拖動類課程“為誰培養(yǎng)人”的問題。通過開展新工科視域下電機(jī)拖動類課程融入思政理念的教學(xué)探索，不斷提高學(xué)校教書育人的質(zhì)量。