朱珠

基于CDIO模式的“電機學(xué)”教學(xué)探索＊

朱珠

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

探討了基于CDIO模式的“電機學(xué)”教學(xué)改革的可行性。論述了如何從教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容三個方面有效提高“電機學(xué)”課程教學(xué)效果。從而充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)課程全過程的積極性，并切實提高他們解決具體問題的能力。

CDIO理念；“電機學(xué)”課程；教學(xué)改革；教學(xué)方法

工程師開發(fā)產(chǎn)品的一般步驟是構(gòu)想（Conceive）—設(shè)計（Design）—實施（Implement）—操作（Operate），即CDIO四部曲。美國麻省理工學(xué)院率先將CDIO理念引入工科工程教育中并成效顯著[1]。俄羅斯、日本和歐洲部分國家也相繼展開相近研究并取得一定成果[2-4]。國內(nèi)多所高校也開始嘗試發(fā)揮CDIO理念在工科工程教育中的作用。浙江科技大學(xué)以信息與電子工程學(xué)院為例，基于CDIO開展了教學(xué)改革與創(chuàng)新，全面修訂課程體系和評估方法，并將CDIO寫入教學(xué)大綱[5]。上海第二工業(yè)大學(xué)基于CDIO模式對“軟件測試”課程進行了教學(xué)改革，取得良好的教學(xué)效果并達(dá)到現(xiàn)代工程教育改革的目標(biāo)[6]。這些案例均體現(xiàn)CDIO理念的特性之一，即在一定程度上用“做中學(xué)”替代傳統(tǒng)的“聽中學(xué)”。這種“主動學(xué)習(xí)”替代“被動學(xué)習(xí)”的方式可以充分調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)課程全過程中的積極性，鍛煉他們解決工程具體問題的能力。

電氣工程專業(yè)是工科工程教育的一個重要分支，而“電機學(xué)”是本專業(yè)本科教學(xué)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。教學(xué)內(nèi)容涉及各類電機的結(jié)構(gòu)、工作原理、運行特性，相關(guān)的電磁理論，以及運用等效電路、相量圖等方法解決電機起動、調(diào)速、拖動、并網(wǎng)等具體問題。雖然電機被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場，但對初次接觸這門課程的學(xué)生而言仍很陌生。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)初期便產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)過程中慢慢喪失學(xué)習(xí)興趣，最終沒有完全掌握課程內(nèi)容。遺憾的是假若沒有掌握這門課程內(nèi)容，一方面會直接影響后續(xù)“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)分析”“電力系統(tǒng)繼電保護”等課程的學(xué)習(xí)，另一方面可能會影響日后在機電行業(yè)中的工作開展，所以進行“電機學(xué)”課程的教學(xué)改革探索刻不容緩。本文將基于CDIO模式從教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容三方面探討如何有效提高電機學(xué)課程教學(xué)效果。

1 教學(xué)模式探索

目前“電機學(xué)”傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要包括理論教學(xué)環(huán)節(jié)與課內(nèi)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。理論教學(xué)環(huán)節(jié)以經(jīng)典教材為依托，按章節(jié)順序采用多媒體PPT與板書結(jié)合的方式進行。以李發(fā)海主編教材《電機學(xué)》為例，除緒論部分外主要內(nèi)容包括變壓器篇、交流電機篇、同步電機篇、異步電機篇和直流電機篇[7]。因知識點多、細(xì)致，在規(guī)定學(xué)時內(nèi)只能采用“灌輸式”方法讓學(xué)生從“聽中學(xué)”。課內(nèi)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)常通過教學(xué)實驗平臺開展若干驗證性實驗，來加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解與掌握。但這些實驗通常先由教師講解并示范一遍，然后由學(xué)生對照實驗指導(dǎo)書進行操作，最終得到唯一正確的結(jié)果并記錄數(shù)據(jù)?？梢娬麄€實驗過程在培養(yǎng)學(xué)生解決具體問題能力的作用方面十分有限。當(dāng)結(jié)束理論與課內(nèi)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)后，一般通過期末閉卷考試的方式測評學(xué)生。但這一單閉環(huán)教學(xué)測評方式時間長達(dá)一學(xué)期，無法在教學(xué)進程中根據(jù)“學(xué)”的實際情況及時負(fù)反饋來有效改善“教”的效果。

基于CDIO理念，“電機學(xué)”可以采用上機模式，每節(jié)每章留給學(xué)生由易到難的設(shè)計案例。以電機調(diào)速為例，給定不同的調(diào)速范圍和速度運行曲線讓學(xué)生設(shè)計裝料車傳動系統(tǒng)。這種模式讓學(xué)生在“做中學(xué)”，給予他們統(tǒng)籌關(guān)聯(lián)各個分散知識點的機會。同時通過內(nèi)環(huán)（章節(jié)反饋）反饋與外環(huán)（期末考試）反饋相結(jié)合的方式，有效提高本課程教學(xué)效果。

2 教學(xué)方法探索

目前“電機學(xué)”傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是講授法。這種方法的弊端是學(xué)生被動學(xué)習(xí)，單純掌握書本知識卻很難加以運用。基于CDIO理念可以采用講授與任務(wù)驅(qū)動相結(jié)合的方法，教師簡要講授各節(jié)重難點后，把大部分時間留給學(xué)生。引導(dǎo)學(xué)生主動探索，從而充分激發(fā)他們的創(chuàng)新精神。在學(xué)習(xí)了每節(jié)每章后，教師留出設(shè)計案例，學(xué)生需在團隊合作中自主分解設(shè)計任務(wù)，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，了解最新研究動態(tài)，有針對性地解決實際問題。隨著電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的普及，常見的系統(tǒng)仿真軟件有PSASP、PSCAD和MTLAB等。同時學(xué)校預(yù)配備基于積件概念開發(fā)的靜一軟件，提供電機教學(xué)所使用的元件庫，同時采集實物裝置的外觀模型，達(dá)到實驗過程的三維可視化效果，使學(xué)生能夠感知實物設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)。

靜一軟件井字架起重場景和設(shè)備如圖1所示。靜一軟件井字架起重參考控制電路如圖2所示。

圖1 靜一軟件井字架起重場景和設(shè)備

圖2 靜一軟件井字架起重參考控制電路

3 教學(xué)內(nèi)容探索

秉承“電機學(xué)”經(jīng)典教材中的知識脈絡(luò)，采用任務(wù)驅(qū)動法突出重難點，使學(xué)生在具體場景中提升解決問題的能力。下面以設(shè)計井字架起重設(shè)備控制電路，并繪制三相交流異步電機特性曲線為例。首先可從多角度查看場景和設(shè)備，滿足不同學(xué)生的認(rèn)知需求；然后從元件庫中選取元件自由搭建并與控制對象進行關(guān)聯(lián)；最后通過具體操作及采集表計的數(shù)據(jù)，篩選分析后繪制特征曲線。靜一軟件三相交流異步電機特性曲線如圖3所示。

基于工科工程教育新模式——CDIO模式，本文從教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容三個方面探討“電機學(xué)”教學(xué)改革方案。借助先進的仿真軟件，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性，鍛煉他們解決實際具體問題的能力，同時為電氣工程類其他專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革積累有用的經(jīng)驗。

圖3 靜一軟件三相交流異步電機特性曲線

［1］CRAWLEY E F.Creating the CDIO syllabus，a universal template for engineering education［C］//32nd Annual Frontiers in Education，2002.

［2］ZAMYATINA O M，MOZGALEVA P I，GULYAEVA K V.Elite engineering education programme development based on CDIO standarts［C］//2014 International Conference on Interactive Collaborative Learning （ICL），2014.

［3］YANAGIBASHI H，NAOE N，OGUNTOYINBO B，et al.SPA plant factory system construction for Technical College，s engineering education［C］//2015 IEEE 7th International Conference on Engineering Education，2015.

［4］CUHA J C，AMARO J P，MARQUES L.A joint academy-industry initiative for the development of an engineering program the master in embedded systems［C］//2013 1st International Conference of the Portuguese Society for Engineering Education （CISPEE），2013.

［5］LIU Y，YANG C，YANG X.Teaching reform and innovation based on CDIO［C］//Teaching Reform and Innovation Based on CDIO，2009.

［6］BIN Z，SHIMING Z.Experiment teaching reform for software testing course based on CDIO［C］//2014 9th International Conference on Computer Science & Education，2014.

［7］李發(fā)海.電機學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.027

2095－6835（2020）13－0073－02

2018年度安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程教學(xué)研究一般項目（編號：2018jyxm0270）

朱珠（1987—），女，河海大學(xué)在讀博士研究生，銅陵學(xué)院講師，研究方向為電氣工程（電力系統(tǒng)及其自動化）。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕