文 麗

(廣州城市理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,廣州 510800)

“電機(jī)及拖動”課程是廣州城市理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院自動化專業(yè)的核心課程,以先修課程“大學(xué)物理”“電路”為基礎(chǔ),也為“電力拖動自動控制系統(tǒng)”“綜合控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”等后續(xù)課程打下基礎(chǔ),課程理論性很強(qiáng),還兼具一定的實(shí)踐動手要求。如果要深入開展學(xué)習(xí),該課程涉及的知識點(diǎn)就非常多。該課程理論56學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí),課程內(nèi)容又涉及電機(jī)學(xué)和電機(jī)拖動兩大部分,由于學(xué)時(shí)較少,導(dǎo)致不能過多深入開展。

1 課程現(xiàn)狀

“電機(jī)及拖動”課程教學(xué)內(nèi)容概念多,理論抽象,存在教師難教、學(xué)生難學(xué)的狀況[1-4],課程涉及的物理和電路學(xué)知識,很多學(xué)生學(xué)得不是很扎實(shí),但是該課程又是專業(yè)核心課程,是學(xué)生必修的課程。該課程很多知識點(diǎn)學(xué)生學(xué)了,卻似懂非懂,比如直流電機(jī)的啟動、調(diào)速方法,說起來簡單,但是實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候就不知如何下手,在實(shí)驗(yàn)中會顯露出來這個(gè)問題。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常是教師使用PPT結(jié)合板書進(jìn)行授課,學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識,然后完成課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn),完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。該課程理論抽象,學(xué)生接受不易。廣州城市理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院的學(xué)生理論基礎(chǔ)較弱,普遍對原理分析不是特別感興趣,一旦學(xué)到困難處學(xué)不動了,就會停滯不前,甚至徹底放棄。

廣州城市理工學(xué)院定位是應(yīng)用型本科院校,目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才,那么該課程就要本著“應(yīng)用”的本質(zhì),結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特征和實(shí)際情況,適當(dāng)?shù)剡x擇合適的教學(xué)內(nèi)容,運(yùn)用靈活的教學(xué)方法,才能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高他們的信心。

針對以上情況,“電機(jī)及拖動”課程的改革勢在必行。

2 面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程改革

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo),旨在理論與實(shí)踐兼顧,以“應(yīng)用”為主,降低課程理論學(xué)習(xí)難度,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課件與考核方式等方面進(jìn)行了改革探索,尋求形成與應(yīng)用型培養(yǎng)目標(biāo)一致的線上線下混合教學(xué)模式,以獲取更好的教學(xué)效果。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo),根據(jù)學(xué)生理論基礎(chǔ)的差異,教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)拘泥于教材,而所用教材偏重于理論,所以課堂教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有調(diào)整。

教學(xué)內(nèi)容調(diào)整可適當(dāng)弱化原理部分,公式的推導(dǎo),比如電磁感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo)可以略過,只需要學(xué)生記住公式,會在一定的條件下使用公式分析問題就好。教學(xué)中簡單介紹電機(jī)內(nèi)部的繞組規(guī)律,只要讓學(xué)生掌握不同繞組形式的電機(jī)具有什么樣的特點(diǎn),大電流的電機(jī)、大電壓的電機(jī)根據(jù)需要正確選擇電機(jī)即可;讓學(xué)生了解電機(jī)的運(yùn)行原理,著重掌握電機(jī)的拖動特性,結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)著重學(xué)習(xí)電機(jī)的啟制動和調(diào)速原理與方法;把變壓器的參數(shù)計(jì)算分析,放在變壓器實(shí)驗(yàn)報(bào)告里去完成,結(jié)合實(shí)驗(yàn)掌握變壓器的端電壓特性,弱化三相變壓器的聯(lián)接組別相量圖,掌握三相變壓器的磁路分析、空載電勢波形以及并聯(lián)運(yùn)行的條件;弱化三相異步電動機(jī)的計(jì)算,掌握結(jié)構(gòu)和基本工作原理,著重掌握三相異步電動機(jī)的啟動問題,掌握三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法和制動。整體來說,在學(xué)習(xí)基本原理的基礎(chǔ)上,特別注重電機(jī)拖動特性的分析和學(xué)習(xí),讓學(xué)生主要掌握控制電機(jī)的方法。

另外結(jié)合課程思政,還可在課程中穿插一些電機(jī)的歷史小知識以及其他電機(jī)相關(guān)的趣事或業(yè)界最新的發(fā)展,推薦相關(guān)的微信公眾號(如電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用)、網(wǎng)絡(luò)資源等,讓學(xué)生了解我國電機(jī)的發(fā)展和未來的方向,激發(fā)學(xué)生科技興國的志向,對他們今后的就業(yè)引導(dǎo)也有很大的幫助。

比如講到電機(jī)的功率流圖和效率特性時(shí),可以結(jié)合當(dāng)前的政策,引出“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃,力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國電機(jī)耗電量在工業(yè)總用電量中的占比約為六到七成,但中國高效節(jié)能電機(jī)市場份額僅3%左右,電機(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率較發(fā)達(dá)國家低20%左右。電機(jī)能效提升在“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃中將是關(guān)鍵重要角色。隨著碳達(dá)峰、碳中和被寫入政府報(bào)告,綠色低碳可持續(xù)發(fā)展路徑成為了企業(yè)的必然選擇,節(jié)能高效的電機(jī)對制造業(yè)變得尤為重要。那么,如何提升電機(jī)的能效呢?這就是激發(fā)學(xué)生思考并為之奮斗的動力。

2.2 教學(xué)方法的靈活運(yùn)用

以往教學(xué)一般是按照PPT和板書結(jié)合的方式進(jìn)行,然后按直流電機(jī)、變壓器、三相異步電動機(jī)三大模塊開展,每個(gè)模塊結(jié)束后會由相應(yīng)的練習(xí)。由于一個(gè)模塊講授的時(shí)間比較長,知識點(diǎn)較多,學(xué)生很容易忘記,本文介紹了新的教學(xué)方式。課堂教學(xué)把每個(gè)部分按知識點(diǎn)講授,然后對應(yīng)每個(gè)知識點(diǎn)開展鞏固練習(xí),實(shí)現(xiàn)課程知識點(diǎn)和跟隨練習(xí)緊密結(jié)合,最后再把該部分的知識點(diǎn)串起來歸納、測驗(yàn)。這樣上課的效果比較好,能幫助學(xué)生快速汲取知識,教學(xué)方法上靈活多變,師生互動得到加強(qiáng)。

1)直觀教學(xué)法

電機(jī)從外觀上看幾乎都是一個(gè)模樣,但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)是學(xué)生要了解的,否則學(xué)習(xí)起來就覺得抽象,課程教學(xué)時(shí)利用圖片剖析、視頻、三維動圖等方式把電機(jī)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來,給學(xué)生直觀的印象。學(xué)習(xí)變壓器時(shí),學(xué)生可以從手邊的廢舊充電器著手拆解,從實(shí)物結(jié)合原理了解變壓器的結(jié)構(gòu),也可以變廢為寶,課外動手制作不同電壓的變壓器,加深理解電機(jī)結(jié)構(gòu);或者拆解遙控小車、電動玩具之類的電動機(jī),看看微型電動機(jī)有什么區(qū)別。

同時(shí),電機(jī)及拖動基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室還配備了直流電機(jī)、變壓器、三相鼠籠式異步電動機(jī)和繞線型異步電動機(jī)的教學(xué)模型,可用于課堂同步展示,便于學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。

2)采用比較法講授知識點(diǎn)

課程按照直流電機(jī)、變壓器、三相異步電動機(jī)三個(gè)模塊進(jìn)行,三個(gè)模塊看似沒什么關(guān)系,但是在有些原理分析方法上通過對比是容易分析的。在教學(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)共性,對比個(gè)性,一步步去挖掘。講述啟動、制動和調(diào)速時(shí),也可以對比分析交直流電機(jī)各自的方法和相通點(diǎn),在變壓器和三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系、等效電路知識點(diǎn)上,分析方法也基本相同。這樣可以讓學(xué)生對比學(xué)習(xí)前后知識點(diǎn),加深印象。

3)采用提問式教學(xué)

提出下一節(jié)要解決的問題,讓學(xué)生做好預(yù)習(xí),采用分組討論,再來分析印證,可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,啟發(fā)他們的思維。比如,講解直流電機(jī)原理時(shí),請學(xué)生利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律,分析電機(jī)模型中線圈的電勢方向和電流方向,引出直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上電刷和換向裝置的整流作用。在講解三相異步電動機(jī)的工作原理時(shí),對比直流電機(jī)的機(jī)構(gòu),發(fā)現(xiàn)三相異步電動機(jī)內(nèi)部沒有主磁極,從而引出旋轉(zhuǎn)磁場的形成原理,啟發(fā)學(xué)生思考磁場與定子之間的相對運(yùn)動、磁場與轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動、轉(zhuǎn)子與定子之間的相對運(yùn)動,從而理解同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系[2-3]。

4)線上線下混合教學(xué)

通過網(wǎng)絡(luò)、課堂、實(shí)驗(yàn)室把教師和學(xué)生建立聯(lián)系,多渠道獲取教學(xué)資源,加強(qiáng)溝通互動。借助豐富的網(wǎng)絡(luò)資源如MOOC、雨課堂、學(xué)堂在線等等,選擇一些合適的課程資源,放在學(xué)校超星學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)平臺課程里,實(shí)現(xiàn)資源共享。學(xué)完一部分內(nèi)容,發(fā)布線上作業(yè)、測試,及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。作業(yè)批改實(shí)行生生互評,這種方式讓學(xué)生參與到作業(yè)批改環(huán)節(jié),可以讓學(xué)生通過批改其他同學(xué)作業(yè)的過程,對比教師給出的答案解析,進(jìn)而了解這個(gè)知識點(diǎn)難易程度,更容易掌握知識點(diǎn),同時(shí)安排課堂講解和線上線下答疑,學(xué)生也可以通過學(xué)習(xí)通、QQ、微信等方式及時(shí)和教師溝通。

網(wǎng)絡(luò)課程平臺建立了題庫,包含了選擇題、填空題、判斷題、簡答分析題、計(jì)算題等多種題型,涉及的知識點(diǎn)面廣,分為易、中、難三個(gè)級別。學(xué)生平時(shí)作業(yè)練習(xí)基本上都在題庫里,只要做好課前預(yù)習(xí),課后認(rèn)真完成作業(yè),考前認(rèn)真復(fù)習(xí),考試就不成問題。教師也能根據(jù)平臺的統(tǒng)計(jì)分析,了解哪些學(xué)生未完成作業(yè),哪些題目學(xué)生容易出錯(cuò),再針對問題加以解決,以提升教學(xué)效果。

2.3 教學(xué)課件的制作

為了授課PPT給學(xué)生有更好的觀感,作為主講教師需學(xué)習(xí)許多PPT制作和多媒體制作技巧。原來的教學(xué)PPT文字類描述較多,比較單一,排版也比較粗獷,為了幻燈片內(nèi)容看起來生動形象、一目了然,需增加了大量圖片、動畫和視頻。

“電機(jī)及拖動基礎(chǔ)”本身的知識點(diǎn)比較抽象,理論性很強(qiáng),學(xué)生的學(xué)習(xí)能力相對偏弱,所以過多的純文字講解和計(jì)算公式的分析,反而會讓他們覺得枯燥。因此,實(shí)物圖片、三維圖片、動畫和短視頻元素的加入,如圖1三相鼠籠式異步電動機(jī)的部件拆分,讓學(xué)生能直觀地看到三相鼠籠式異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),再把短視頻和原理分析結(jié)合起來,進(jìn)一步加深學(xué)生的印象。為了吸引學(xué)生的注意力,課件加入了大量動畫效果,配以規(guī)范的字體和舒適的顏色,更好地對知識點(diǎn)一步步分析,課后也方便了學(xué)生自行復(fù)習(xí)。

圖1 三相鼠籠式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.4 考核方式的改革

要突顯學(xué)生的真實(shí)水平,考核方式也很重要。除了理論考核,實(shí)踐動手能力也要體現(xiàn)出來,考核評比就要進(jìn)行合理的分配。

原有課程考核方式按照卷面70%+平時(shí)成績30%的比例實(shí)施。為了突出實(shí)踐的重要性,提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的重視程度,考核方式改為卷面60%+平時(shí)成績20%+實(shí)驗(yàn)成績20%。實(shí)驗(yàn)成績直接由實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)考核評定,平時(shí)成績包含了考勤和作業(yè)完成情況?？记诘姆绞匠穗S機(jī)點(diǎn)名,也采用學(xué)習(xí)通課程平臺的簽到方式進(jìn)行,如果考勤表現(xiàn)惡劣,沒有完成作業(yè)則取消考試資格。如果課堂積極回答問題,作業(yè)完成優(yōu)異或者實(shí)驗(yàn)做得非常好,都可以得到加分。若是學(xué)生參加省級以上的比賽獲獎(jiǎng),還可以在已有成績的基礎(chǔ)上乘以1.2的系數(shù)。這些措施激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。

因?yàn)椤靶鹿凇币咔榈挠绊?考試可以靈活地安排為線上或線下進(jìn)行,線上開展的優(yōu)勢在于不用浪費(fèi)紙張,試卷電子存檔也方便,備用試卷多且靈活。只要學(xué)生認(rèn)真完成網(wǎng)絡(luò)作業(yè),考試就變得容易多了。

2.5 實(shí)驗(yàn)改革

1)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)容調(diào)整

實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)由原來的8個(gè)學(xué)時(shí)增加到12個(gè)學(xué)時(shí),使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在原來的基礎(chǔ)上得到擴(kuò)展。在直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容里,將電機(jī)的各種特性進(jìn)行量化測量,加深學(xué)生的認(rèn)知;實(shí)驗(yàn)二增加三相變壓器的聯(lián)接組和不對稱短路試驗(yàn),讓學(xué)生對三相變壓器的運(yùn)用有一定的掌握;實(shí)驗(yàn)三補(bǔ)足了三相電機(jī)的基本特性測試,可以更好地認(rèn)知三相電機(jī)的運(yùn)行原理。改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更全面,更具應(yīng)用性。實(shí)驗(yàn)課上教師會全程跟進(jìn),數(shù)據(jù)要現(xiàn)場檢查完畢后方能離開。實(shí)驗(yàn)報(bào)告告別傳統(tǒng)的紙質(zhì)版上交方式,采用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的虛擬仿真平臺上交、批改,既適當(dāng)?shù)販p輕了實(shí)驗(yàn)教師的工作壓力,又方便報(bào)告存檔。

2)引入仿真,虛實(shí)結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再單純依靠實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作,把仿真引入實(shí)驗(yàn),做到虛實(shí)結(jié)合。自動化專業(yè)學(xué)生課前學(xué)習(xí)了Matlab 軟件的使用方法,因而可以使用Matlab/Simulink 進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)前后,學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬,通過建立仿真模型,進(jìn)行動態(tài)過程仿真模擬,增加感性和理性認(rèn)識,反過來結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析,更好地掌握知識。例如,電機(jī)的啟動、調(diào)速過程中的速度、電流等隨時(shí)間的動態(tài)變化,可以很清晰地在仿真圖形里表現(xiàn)出來,再結(jié)合實(shí)操,學(xué)生就能獲得更清楚的認(rèn)知[4]。

3)實(shí)驗(yàn)考核方式改革

實(shí)驗(yàn)在課程考核方式中占20%的比重,因此實(shí)驗(yàn)課程的考核也進(jìn)行了改革。平時(shí)學(xué)生5人一組,做完實(shí)驗(yàn)每人交一份報(bào)告,教師根據(jù)報(bào)告和現(xiàn)場完成情況打分。這種方式會讓學(xué)生產(chǎn)生可以混的思想,一組只要有一個(gè)人做了,大家都有報(bào)告了,并不能體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)水平。為了讓學(xué)生真正動起手來,教師給出6個(gè)考核題目,考核題目如表1,題目在平時(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了設(shè)計(jì)性和綜合性[5]?？记?實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生開放。現(xiàn)場考核時(shí),學(xué)生隨機(jī)抽取題目并動手操作,最終根據(jù)平時(shí)實(shí)驗(yàn)和最后考核的情況,給出合理的實(shí)驗(yàn)成績。

表1 “電機(jī)及拖動”實(shí)驗(yàn)考核安排

其中,實(shí)驗(yàn)流程由學(xué)生自己設(shè)計(jì),整體要求和具體實(shí)施步驟由教師把關(guān)指導(dǎo)。學(xué)生要完成題目的設(shè)計(jì)并驗(yàn)證,就需要回過頭把書本上的知識理解透徹,再把理論運(yùn)用于實(shí)踐,同時(shí)鍛煉了應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力、實(shí)操能力,也能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。學(xué)生有了電機(jī)控制的基礎(chǔ),在“PLC可編程控制技術(shù)”、“運(yùn)動控制系統(tǒng)”、畢業(yè)設(shè)計(jì)中,才能更好地綜合運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行電力拖動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),也為今后從事電機(jī)控制相關(guān)工作打下了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

本文面向應(yīng)用型人才,對“電機(jī)及拖動”課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)課件、考核方式的改變和實(shí)驗(yàn)改革等方面進(jìn)行了探討。經(jīng)過兩年的實(shí)踐,“電機(jī)及拖動”課程改革與實(shí)驗(yàn)改革取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生課堂注意力集中,增加了互動,學(xué)習(xí)興趣得到了極大的提高,對教師課堂的質(zhì)量評價(jià)也逐年提升?？己朔绞降恼{(diào)整和實(shí)驗(yàn)考核的改革使對學(xué)生的考評更為合理,網(wǎng)絡(luò)課程體系的建立為學(xué)生在預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)提供了極大的幫助,該課程的考試通過率也得到了提高。

但為了取得更好的教學(xué)效果,進(jìn)一步適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求,還需要更多的努力。接下來,可以開發(fā)更強(qiáng)大的教學(xué)工具,比如AI課件的研究,利用“互聯(lián)網(wǎng)+”繼續(xù)開展網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè),把線上線下的混合教學(xué)模式靈活運(yùn)用好,堅(jiān)持以學(xué)生為本,開發(fā)一些開放性、創(chuàng)新性的課程和實(shí)驗(yàn),改變上課形式,把理論課搬到實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)把重點(diǎn)內(nèi)容制作成簡潔明了的專題微課,充分調(diào)動學(xué)生的積極性,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好知識,運(yùn)用好知識,進(jìn)一步提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。