李建文 李永剛 武玉才 董淑惠

(華北電力大學(xué)(保定) 電力工程系， 保定 071003)

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸和使用的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，該課程理論性強(qiáng)、概念多、內(nèi)容抽象難懂但又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密[1]。華北電力大學(xué)“電機(jī)學(xué)”課程是國家資源共享課，2020年12月又獲評(píng)“國家級(jí)一流線下課程”，在該課程的建設(shè)中，課題組積累了豐富的教學(xué)資源，教授方式不斷地探索改進(jìn)，課堂教學(xué)引入了典型工程案例，并采用形象生動(dòng)的PPT、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，但學(xué)生學(xué)習(xí)效果仍不太理想，該課程仍是學(xué)生心目中的“天書”。

通過教授方法改進(jìn)來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到理論知識(shí)融會(huì)貫通的目的，收效甚微。新工科教育理念下，如何在這樣一門難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程中提高學(xué)生對(duì)電氣工程學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣，主動(dòng)掌握專業(yè)的知識(shí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力呢？大連理工大學(xué)馮林教授給出的創(chuàng)造力公式“創(chuàng)造力=K×(創(chuàng)造性人格+創(chuàng)造性思維+思考方法)×知識(shí)量2”[2]，基于此，教研組挖掘、吸收、應(yīng)用“電機(jī)學(xué)”中涵蓋的思政元素，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的人格及學(xué)習(xí)的興趣；探究獲取“電機(jī)學(xué)”知識(shí)的科學(xué)方法，提高學(xué)生的知識(shí)量；歸納應(yīng)用“電機(jī)學(xué)”思考解決問題的方法，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，由此鍛煉學(xué)生解決新問題，提出新設(shè)想、創(chuàng)造新事物的能力。

1 “電機(jī)學(xué)”課程思政中塑造創(chuàng)造性人格

“課程思政”是貫徹和踐行習(xí)近平總書記“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人”殷切要求的重要舉措。美國心理學(xué)家特爾曼對(duì)800成才人物幾十年跟蹤調(diào)查，差別在于動(dòng)機(jī)、興趣、意志、性格和自我意識(shí)不同，關(guān)鍵在于責(zé)任心、進(jìn)取心、求知欲、自信心、堅(jiān)持性。清華大學(xué)張慕葏教授總結(jié)創(chuàng)新性人才中非智力因素包含：熱愛祖國、造福人類的崇高理想，追求真理、剛正不屈的態(tài)度，專心致志且持之以恒，永葆好奇與求知欲，實(shí)踐檢驗(yàn)真理，繼承與發(fā)展的自信心。兩位教授所提出的塑造創(chuàng)造性人格與課程思政要達(dá)到的目標(biāo)一致[3]。

“電機(jī)學(xué)”是以數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)科學(xué)為原理，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐所積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的課程，它以解釋自然規(guī)律，研究工程特性為主要特點(diǎn)，以培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力的科技人員為目的，屬于自然科學(xué)部分?？茖W(xué)技術(shù)的研究與發(fā)現(xiàn)通常與本國國情和需求相伴而生，它的主旨是為人民服務(wù)、實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，學(xué)習(xí)內(nèi)容中含有豐富的思政元素，如圖1所示，因此從緒論部分、四種類型的電機(jī)以及實(shí)驗(yàn)與仿真教學(xué)中錘煉出專業(yè)課程與思政元素的融合點(diǎn)，潤物細(xì)無聲地將新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想、社會(huì)主義核心價(jià)值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、法制與職業(yè)道德系統(tǒng)化融入到專業(yè)內(nèi)容中。

圖1 “電機(jī)學(xué)”課程中的思政元素框架梳理圖

2 “電機(jī)學(xué)”課程課程知識(shí)技能分類

著眼于學(xué)生的能力培養(yǎng)與可持續(xù)性發(fā)展，“電機(jī)學(xué)”由單純強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)，轉(zhuǎn)向重視知識(shí)框架的構(gòu)建、素質(zhì)能力的培養(yǎng)、專業(yè)技能的訓(xùn)練。根據(jù)現(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)知規(guī)律將“電機(jī)學(xué)”知識(shí)分為陳述性知識(shí)，即獲得語義；程序性知識(shí)，即掌握一套關(guān)于辦事的操作步驟和過程；策略性知識(shí)，即使用陳述性與程序性知識(shí)去解決問題的一般性方法[4]。具體如圖2所示。

圖2 “電機(jī)學(xué)”知識(shí)技能分類

“電機(jī)學(xué)”中陳述性知識(shí)：電機(jī)學(xué)物理概念、參數(shù)名詞、結(jié)構(gòu)部件。四種典型電機(jī)結(jié)構(gòu)部件可采用直觀方式通過動(dòng)畫、視頻以及實(shí)物模型展示，從而使學(xué)生通過形象記憶習(xí)得；電機(jī)的物理概念比如磁動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)、磁通、磁阻等較抽象，可以通過與電路概念對(duì)比的方式，加深理解；電機(jī)學(xué)參數(shù)名詞眾多，激磁阻抗、短路阻抗、漏阻抗、互感系數(shù)、短路比、電壓調(diào)整率、傳導(dǎo)容量、效益系數(shù)、繞組系數(shù)、分布因數(shù)、節(jié)距因數(shù)、保梯電抗、功角、同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)等，可通過對(duì)其定義、所表征的意義去分析識(shí)記。

“電機(jī)學(xué)”中程序性知識(shí)：定理、定律以及所要遵守的原則繁多，對(duì)磁路定理、功率平衡、聯(lián)結(jié)組別、并聯(lián)條件、負(fù)載分配、空載特性、短路特性、零功率因素特性、電樞反應(yīng)等的分析應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用，歸納出分析步驟和方法。

“電機(jī)學(xué)”中策略性知識(shí)：實(shí)際工程問題復(fù)雜難解，需要基于基本概念、遵循基本原則，進(jìn)行深入思考，比如參數(shù)的測(cè)定、磁場(chǎng)的波形、正常運(yùn)行電磁關(guān)系、非正常運(yùn)行分析、同步電機(jī)有功無功的調(diào)節(jié)等，采用知識(shí)遷移等手段，運(yùn)用多種思維方式，融匯貫通達(dá)到靈活應(yīng)用知識(shí)的目的。

3 “電機(jī)學(xué)”課程知識(shí)技能學(xué)習(xí)過程

遵循學(xué)習(xí)的規(guī)律，“電機(jī)學(xué)”課程知識(shí)技能學(xué)習(xí)過程也分為習(xí)得階段、鞏固和轉(zhuǎn)化階段以及提取和應(yīng)用階段，如圖3所示。

圖3 “電機(jī)學(xué)”課程知識(shí)技能學(xué)習(xí)過程

3.1 習(xí)得階段

識(shí)記是記憶的第一環(huán)節(jié)[4]，學(xué)生通過對(duì)電機(jī)相關(guān)視頻、動(dòng)畫、課件以及教材反復(fù)感知形成比較鞏固的暫時(shí)聯(lián)系的過程，感知越深刻，識(shí)記效果越好。

①課前自學(xué)：學(xué)生通過對(duì)所學(xué)電機(jī)內(nèi)容進(jìn)行多重編碼和組塊化編碼，加深對(duì)概念意義的理解，識(shí)別內(nèi)容之間的聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生與自身知識(shí)結(jié)構(gòu)、過去經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系。②課中教師教授：教學(xué)內(nèi)容根據(jù)學(xué)生反饋，重新規(guī)劃，抓住學(xué)生的“薄弱點(diǎn)”與“痛點(diǎn)”；教授以引導(dǎo)性為主，包含學(xué)習(xí)目的、框架性的邏輯關(guān)系、前備知識(shí)與后續(xù)應(yīng)用、難點(diǎn)問題的思維思考過程等。③課中學(xué)生自學(xué)：精讀教材，鏈接知識(shí)點(diǎn)、沉淀出各自難點(diǎn)，利用彈幕提問，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，主動(dòng)汲取知識(shí)營養(yǎng)。④課末解惑：教師提煉問題，有的放矢，學(xué)生或者教師答疑解惑，給學(xué)生留白思考，教師教授內(nèi)容正是學(xué)生疑惑，想學(xué)的，這樣學(xué)生才能真正學(xué)會(huì)。

在課程學(xué)習(xí)中將新知識(shí)進(jìn)入短時(shí)記憶，與長時(shí)記憶中被激活的知識(shí)建立聯(lián)系，從而出現(xiàn)新的意義的建構(gòu)，有意識(shí)地識(shí)記，明確記憶的目的和任務(wù)，提高學(xué)習(xí)的效率。

3.2 鞏固和轉(zhuǎn)化階段

遵循遺忘規(guī)律，遺忘速度為先快后慢，遺忘內(nèi)容先多后少，到一定時(shí)間遺忘不再發(fā)展，因此新建構(gòu)的知識(shí)需要儲(chǔ)存于長時(shí)間記憶中，通過復(fù)習(xí)等手段來鞏固與轉(zhuǎn)化，采用空間組織、系列組織、聯(lián)想組織、網(wǎng)絡(luò)組織、更替組織等保持知識(shí)規(guī)律和知識(shí)存儲(chǔ)組織形式，或更簡略、更概括，或更具體、更詳細(xì)地納入已有知識(shí)架構(gòu)中[4]。

典型電機(jī)的結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，可與前面已學(xué)習(xí)的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，加深理解吸收；通過“電生磁、磁生電”的基本規(guī)律去系列分析四種典型電機(jī)的基本工作原理；針對(duì)電機(jī)中具有廣泛聯(lián)系的概念或參數(shù)，例如空載特性曲線、T型等效電路、短路阻抗、轉(zhuǎn)差率、電磁轉(zhuǎn)矩等將知識(shí)，通過聯(lián)想與網(wǎng)絡(luò)組織形式生成思維導(dǎo)圖，并隨新知識(shí)習(xí)得不斷更新知識(shí)圖譜，以達(dá)到鞏固并納入已有知識(shí)體系中的目的。

3.3 提取和應(yīng)用階段

提取與應(yīng)用階段，學(xué)生運(yùn)用所獲得的知識(shí)解決同類或相似的問題，所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生遷移。學(xué)習(xí)遷移指一種學(xué)習(xí)對(duì)另一種學(xué)習(xí)的影響，作用在于使習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)得以概括化，系統(tǒng)化，形成一種穩(wěn)定的整合的心理結(jié)構(gòu)，從而更好地調(diào)節(jié)人的行為，并能動(dòng)地作用于客觀世界。學(xué)習(xí)的遷移也是促進(jìn)學(xué)生心理發(fā)展的關(guān)鍵，是使習(xí)得的知識(shí)、技能與道德規(guī)范向能力與品德轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[4]。

掌握知識(shí)的同時(shí)，掌握解決問題的認(rèn)知技能和策略，以促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移。知識(shí)的遷移離不開思考，而有序科學(xué)的思考方式促使提取與應(yīng)用知識(shí)的能力增強(qiáng)。思考主要是從具體到抽象，再從抽象到具體的過程，這個(gè)過程包含分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、具體化、系統(tǒng)化等操作方式。

分析與綜合：比如電機(jī)的結(jié)構(gòu)分為定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、機(jī)座等部件，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，然后再構(gòu)成一個(gè)電機(jī)整體，各部分的參數(shù)變化都會(huì)影響電機(jī)的整體性能，同時(shí)電機(jī)的整體性能又規(guī)范約束各部分的制作工藝。

比較與分類：對(duì)于同步電機(jī)與異步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)與靜止電機(jī)、交流電機(jī)與直流電機(jī)，通過不同的維度對(duì)電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行比較、分類，雖然電機(jī)具有相同的運(yùn)行原理，但經(jīng)過比較、分類可以快速區(qū)分不同類電機(jī)的異同點(diǎn)，以更好地認(rèn)識(shí)電機(jī)。

抽象與概括：抽象是高級(jí)的分析，概括是高級(jí)的綜合。例如通過鐵磁材料的特性分析，獲取與鐵磁材料具有相同屬性的方法，從而抽象出磁的本質(zhì)屬性，更好概括磁場(chǎng)的產(chǎn)生。抽象與綜合分析方法還可以應(yīng)用在磁阻、激磁阻抗、漏阻抗等抽象概念以及磁動(dòng)勢(shì)守恒、全電流定律、磁路基爾霍夫第一第二定律等抽象定律的理解中。

具體化與系統(tǒng)化：緒論涉及到的電機(jī)基本概念能夠具體化應(yīng)用到某一類型電機(jī)的工作原理、運(yùn)行原理分析中，而深度理解分析具體電機(jī)的工作過程，系統(tǒng)化地驗(yàn)證電機(jī)理論精髓；具體化地把電機(jī)理論與電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，把抽象與具體結(jié)合起來，更好促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的不斷深化。通過分析、綜合、比較和分類形成系統(tǒng)，才能真正在不同條件下靈活運(yùn)用知識(shí)。

4 電機(jī)問題促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展

創(chuàng)新源于實(shí)踐，始于問題[4]?！半姍C(jī)學(xué)”知識(shí)邏輯性強(qiáng)，分析過程復(fù)雜，學(xué)習(xí)電機(jī)學(xué)過程中，要不斷主動(dòng)思考與學(xué)習(xí)材料互動(dòng)，不斷問問題：“為什么要提出該理論，引出這個(gè)新概念，推理過程符合邏輯嗎，論證結(jié)論是否能夠解決問題？”發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而使學(xué)生發(fā)現(xiàn)有意義的問題并尋找解決問題的方法。

問題是創(chuàng)新思維的源泉，需求產(chǎn)生問題，鍛煉學(xué)生解決問題的能力，要不斷加強(qiáng)學(xué)生歸納、演繹、抽象邏輯推理的訓(xùn)練[5]。推理是由已知推出新知的思考方法。“電機(jī)學(xué)”中涵蓋大量的思考題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與求知欲，通過基礎(chǔ)知識(shí)積累，發(fā)現(xiàn)問題，明確問題，認(rèn)清問題的關(guān)鍵，提出假設(shè)，利用已有經(jīng)驗(yàn)，找到解決問題的途徑，并檢驗(yàn)假設(shè)。通過這個(gè)過程不斷強(qiáng)化解決問題的能力，在新型電機(jī)的設(shè)計(jì)、電機(jī)新的應(yīng)用等一些實(shí)際工程中的問題，也通過發(fā)問能夠獲得啟發(fā)，從而促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展，如圖4所示。

圖4 解決“電機(jī)學(xué)”問題的各類分析方法

解決問題的方法1，要培養(yǎng)學(xué)生多角度觀察問題，嘗試提出不同的假設(shè)，擁有發(fā)散思維。例如同步電機(jī)無功有功的調(diào)節(jié)問題，可以采用幾何法也可以采用復(fù)數(shù)計(jì)算法進(jìn)行有效的分析，磁場(chǎng)的合成可以采用解析法、時(shí)域波形、矢量分析等手段進(jìn)行剖析，殊途同歸，在分析過程中不斷歸納總結(jié)，尋找問題的本質(zhì)，從而達(dá)到舉一反三的效果。

解決問題的方法2，培養(yǎng)學(xué)生收斂思維，從已知知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，圍繞既定核心進(jìn)行全方位的思考，運(yùn)用比較、排除、綜合、概括等方法最終確定一個(gè)解決問題的最佳方案的思考方式。有利于從各路思考中選取精華，使問題的解決取得突破性進(jìn)展。例如同步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的方案的設(shè)計(jì)，要充分分析比較各種方案的利弊，從而根據(jù)具體工況合理選擇并網(wǎng)方案。

解決問題方法3，要培養(yǎng)學(xué)生橫向與縱向思考的能力，例如分析異步電機(jī)的氣隙設(shè)計(jì)大小的問題，可以通過縱向思考，從磁路到磁阻，再到磁通與磁動(dòng)勢(shì)的角度去分析，也可以與變壓器橫向?qū)Ρ瓤蛰d電流的大小去分析。橫向與縱向的思維使得學(xué)生能夠更全面地認(rèn)識(shí)到問題的本質(zhì)，從而面對(duì)工程問題也能通過該思維方式，橫向移入、移出以及對(duì)比的思維方法獲得創(chuàng)新的解決方法。

解決問題方法4，形象思維與抽象思維，采用解析法與矢量分析磁場(chǎng)的合成，方法簡便，但得出地結(jié)論不能直觀地看到磁場(chǎng)變化的曲線，而通過時(shí)域波形分析可以形象地感知磁場(chǎng)的變化規(guī)律，但該方法計(jì)算量卻很大，因此可以對(duì)比形象思維與抽象思維，使得問題化繁為簡，歸納出其規(guī)律，同時(shí)應(yīng)用兩種思維更好地感知“電機(jī)學(xué)”的魅力。

5 結(jié)語

通過挖掘課程中思政元素，遵循科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生獲取“電機(jī)學(xué)”陳述性、程序性與策略性知識(shí)；通過學(xué)生全面掌握思維的方法，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新性思維；探尋提高學(xué)生主動(dòng)性、鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力的“電機(jī)學(xué)”教學(xué)方法，從而不斷提升學(xué)生的創(chuàng)造力。

通過近兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣顯著提高，自主繪制了大量解決電機(jī)學(xué)問題的思維導(dǎo)圖，參與了多項(xiàng)與電機(jī)有關(guān)的大創(chuàng)項(xiàng)目，后續(xù)任課教師對(duì)這兩屆學(xué)生的電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)給予了肯定。實(shí)踐表明：鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力的“電機(jī)學(xué)”學(xué)習(xí)方法的有效應(yīng)用，使得學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、解決問題的創(chuàng)新能力得到了有效提高。

“電機(jī)學(xué)”作為國家級(jí)精品資源共享課與省級(jí)精品開放慕課資源已作為輔助手段應(yīng)用于教學(xué)，亦服務(wù)于廣大師生和電力行業(yè)從業(yè)者，網(wǎng)上學(xué)習(xí)累計(jì)已超5.4萬人，在同類課程中具有一定的影響力和較強(qiáng)的示范性，課程社會(huì)服務(wù)成效卓著。