高明玲 尹紅彬

山東理工大學(xué) 山東 淄博 255049

引言

隨著全球環(huán)境與能源危機(jī)的加深，節(jié)能與新能源汽車發(fā)展成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。永磁電機(jī)是節(jié)能與新能源汽車9大關(guān)鍵領(lǐng)域之一，《現(xiàn)代汽車電機(jī)與控制》是車輛工程、交通運(yùn)輸、能源與動(dòng)力專業(yè)新增設(shè)的核心課程之一，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。

構(gòu)建基于OBE理念的教學(xué)方法有利于提高學(xué)生的參與度和解決工程實(shí)踐的能力[1-3]。本文以《現(xiàn)代汽車電機(jī)與控制》實(shí)驗(yàn)為例，反思了傳統(tǒng)教學(xué)過程的不足，構(gòu)建基于OBE理念的教學(xué)方法[4]。對(duì)兩種教學(xué)過程進(jìn)行對(duì)比，為其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程存在問題

1.1 教學(xué)高階性不夠

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的指導(dǎo)步驟進(jìn)行，沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)方法做深度思考。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)表格都是固定的，沒有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是停留在表面，無法培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)具體問題制定實(shí)驗(yàn)方案的能力。

1.2 學(xué)生參與度不夠

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，教學(xué)課時(shí)有限，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，只有部分學(xué)生可以參與實(shí)驗(yàn)操作，其余學(xué)生只是參觀與記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生參與度不夠，學(xué)習(xí)興趣下降。

1.3 創(chuàng)新性不夠

目前，實(shí)驗(yàn)過程采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是經(jīng)過設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，各個(gè)模塊的連接都有符號(hào)、顏色標(biāo)記，線束連接與調(diào)節(jié)過程都是固定不變的，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

2 基于OBE理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性、創(chuàng)新性，提高學(xué)生的參與度，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法解決工程實(shí)踐問題的能力。課題組根據(jù)OBE理念對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了改革。基于OBE理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以目標(biāo)為導(dǎo)向，對(duì)教學(xué)方案、教學(xué)手段、考核方式進(jìn)行了改革，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)其解決工程實(shí)踐問題的能力。

2.1 教學(xué)方案的改革

教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)如何利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備解決問題，目標(biāo)是授予學(xué)生“漁”。成績(jī)?cè)u(píng)定根據(jù)學(xué)生給出的實(shí)驗(yàn)方案，即解決問題的過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出實(shí)驗(yàn)部分成績(jī)，課程過程更加注重過程評(píng)價(jià)。首先，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)科學(xué)問題，把科學(xué)問題作為任務(wù)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)。第二，講解目前具備的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備。第三，讓學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案。第四，對(duì)學(xué)生制定的方案進(jìn)行討論與評(píng)估，確定實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 問題提出及實(shí)驗(yàn)條件介紹。問題提出及實(shí)驗(yàn)條件介紹階段是老師凝練問題和學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)階段。該階段還未涉及學(xué)生動(dòng)手操作的問題。但是，問題提出的好壞直接影響學(xué)生對(duì)該次實(shí)驗(yàn)的興趣，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知學(xué)習(xí)的質(zhì)量直接影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和操作安全。

比如以直流電機(jī)調(diào)速與換向?qū)嶒?yàn)為例，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)過程，老師凝練出本次實(shí)驗(yàn)需要解決的問題。

直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流存在什么樣的關(guān)系？

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和那些因素有關(guān)，如何通過現(xiàn)有器材調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速？

根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的換向？

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方案制定。實(shí)驗(yàn)方案的制定階段是培養(yǎng)學(xué)生思考、創(chuàng)新能力的重要階段。該階段根據(jù)學(xué)生的特長(zhǎng)，把具有不同特質(zhì)的學(xué)生進(jìn)行分組，在老師引導(dǎo)、學(xué)生為主的模式下完成實(shí)驗(yàn)方案的制定工作。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)方案制定過程中出現(xiàn)的問題，不應(yīng)直接否決，應(yīng)該以組內(nèi)討論、組間討論的方法解決，在不影響安全的前提下，也可以通過實(shí)驗(yàn)的方法解決。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方案討論及實(shí)施。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中大量使用演示實(shí)驗(yàn)，以老師演示，學(xué)生觀摩為主。在以O(shè)BE理念為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)體系中采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)優(yōu)先于虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)先于演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)先級(jí)。增多同學(xué)們的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。本次實(shí)驗(yàn)過程中，首先老師與同學(xué)一起討論給出的實(shí)驗(yàn)方案、試驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行修改。然后，同學(xué)們根據(jù)修改后的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 教學(xué)手段的改革

傳統(tǒng)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)都是在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)次數(shù)與時(shí)間受到教學(xué)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、教學(xué)計(jì)劃安排的限制，學(xué)生很難做到人人可以操作，整體參與度較低。為了解決以上問題，引入實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)，使同學(xué)們?cè)趥€(gè)人電腦上就可以完成實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

JMAG是一種先進(jìn)的低頻電磁分析工具；它具有強(qiáng)大的耦合計(jì)算功能，其自身有溫度、結(jié)構(gòu)、振動(dòng)噪聲分析功能，還可以和Star-CCM+、Abquas、LMS等進(jìn)行雙向耦合分析；支持單、雙相異步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、永磁直流電機(jī)、調(diào)速永磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)、串激電機(jī)、凸極發(fā)電機(jī)等多種電機(jī)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，步驟如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 建模。通過JMAG直接建?；蛴肅AD導(dǎo)入事先圖紙，根據(jù)自己電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出完整的磁路結(jié)構(gòu)，畫出轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、繞組和磁鐵，如圖2所示為電機(jī)1/4模型示意圖。

圖2 電機(jī)建模示意圖

2.2.2 設(shè)定。創(chuàng)建一個(gè)新的研究，這里分有很多種類，有電磁分析、結(jié)構(gòu)分析和聲場(chǎng)分析，這里選擇電磁瞬態(tài)的Transient Analysis study。

2.2.3 條件。在Designer的右側(cè)的有Toolbox，里面有Materials、Conditions、模板庫(kù)和腳本庫(kù)。Toolbox欄下Materials里是軟件的材料庫(kù)，可以給電機(jī)的各個(gè)部件設(shè)置材料。定子和轉(zhuǎn)子的材料都設(shè)置為50JN1300，緊接著磁鐵和繞組分別設(shè)置釹鐵硼和銅。具體設(shè)置方法如圖4所示。

圖4 定轉(zhuǎn)子材料設(shè)置示意圖

2.2.4 電路。電路為三相電路，每個(gè)繞組上設(shè)置好阻抗和線圈匝數(shù)，在繞組前端加上電壓表，至此空載的電路圖設(shè)置完成，如圖5所示。

圖5 三相電路圖

2.2.5 條件及繞組設(shè)置。從Toolbox里的Condition里選擇Rotion設(shè)置旋轉(zhuǎn)條件，選擇轉(zhuǎn)子和磁鐵，從Winding里面設(shè)置周期范圍以及繞組的纏繞，具體設(shè)置如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)便捷條件及繞組設(shè)置

2.2.6 網(wǎng)格劃分及計(jì)算。網(wǎng)格要求對(duì)計(jì)算精度非常關(guān)鍵，再磁通變化非常快的區(qū)域通常要求細(xì)分網(wǎng)格。電機(jī)的氣隙網(wǎng)格尤其關(guān)鍵。也可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，這種方法配合網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)，通過控制計(jì)算精度來生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。用戶不需要設(shè)置任何網(wǎng)格參數(shù)，完全自動(dòng)生成。

2.2.7 顯示結(jié)果。這里主要顯示空載轉(zhuǎn)矩、空載反電動(dòng)勢(shì)、磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和磁感線矢量流向云圖。圖9、圖10分別為磁感線分布圖和齒槽轉(zhuǎn)矩分布圖。

圖7 磁感線分布圖

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩分布圖

2.3 考核方式的改革

增加過程性考核，可以顯著提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)工程中的參與積極性，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工程中，成績(jī)?cè)u(píng)定重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告、輕視實(shí)驗(yàn)過程考核的問題，在考核方式中增加了過程性考核。

2.3.1 增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程的考核比例。學(xué)生課下整理實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回答老師提出的問題，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。然后，老師根據(jù)課上同學(xué)給出的實(shí)驗(yàn)方案和課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)，并且根據(jù)具體情況提高實(shí)驗(yàn)方案制定過程的成績(jī)比例。

2.3.2 提高對(duì)虛擬仿真建模過程及數(shù)據(jù)分析的考核。對(duì)使用JMAG有限元仿真軟件、Matlab/simulink仿真軟件進(jìn)行電機(jī)本體及控制算法實(shí)驗(yàn)的部分，加強(qiáng)考核學(xué)生建模過程、建模能力及數(shù)據(jù)分析能力，將建模的過程評(píng)定成績(jī)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)綜合考慮，確定最總成績(jī)。

最終形成學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案考核、虛擬實(shí)驗(yàn)建模過程考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核的多種評(píng)價(jià)機(jī)制，并根據(jù)實(shí)際情況，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、虛擬實(shí)驗(yàn)建模過程的分值比例。

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高階性不夠、參與度不夠、創(chuàng)新性不夠的問題，提出了基于OBE理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。與傳統(tǒng)的教學(xué)過程相比，基于OBE理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以目標(biāo)為導(dǎo)向，通過讓學(xué)生根據(jù)要解決的問題制定實(shí)驗(yàn)方案，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，提高了學(xué)生的參與度。成績(jī)考核參考學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案的過程與可行性、虛擬實(shí)驗(yàn)建模過程及數(shù)據(jù)分析能力，有益于過程評(píng)價(jià)加強(qiáng)。改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更有利于培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)踐問題的能力，為其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的制定提供了參考。