張葉貴，李光明，吉 暢

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，553004，貴州六盤水）

“電機學(xué)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是支撐本專業(yè)后續(xù)在“電機運行、電機控制、電機與電器”三個專業(yè)方向上多門專業(yè)課學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生綜合分析與解決電氣工程復(fù)雜問題的能力上具有重要的地位，對支撐電氣工程專業(yè)學(xué)生在未來就業(yè)領(lǐng)域中持續(xù)發(fā)展或繼續(xù)學(xué)業(yè)深造都具有無可替代的基礎(chǔ)作用。此外，電機在國民生活中也是不可或缺的一部分，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用各個環(huán)節(jié)都與電機息息相關(guān)，其重要性不言而喻。自2017年以來，教育部大力推進(jìn)“新工科”“工程教育認(rèn)證”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等本科教學(xué)改革工程，旨在培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、綜合素質(zhì)強的復(fù)合型新工科人才[1]?！半姍C學(xué)”是電氣專業(yè)的核心課，在六盤水師范學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)面向電力系統(tǒng)、電氣裝備等領(lǐng)域的專業(yè)型、應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的課程體系中，起著承上啟下的作用，是后續(xù)學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)分析、電氣控制與PLC 技術(shù)、工程供電技術(shù)等課程的前置課程?！半姍C學(xué)”本身理論性強、涉及知識面廣、與工程實際聯(lián)系緊密、內(nèi)容知識難點較多且復(fù)雜抽象[2]，這對學(xué)生掌握電機的基本理論知識和分析并解決電機在運行和控制中出現(xiàn)的復(fù)雜問題帶來極大的挑戰(zhàn)。

本文以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)Α半姍C學(xué)”進(jìn)行教學(xué)改革，通過線上線下混合式教學(xué)方法，即線上電機運行原理動畫演示、電機虛擬拆裝，線下理論講解，旨在強化學(xué)生對理論知識點的理解與掌握；結(jié)合“新能源與智能配電網(wǎng)動態(tài)模擬實驗室、電工電子實驗室”進(jìn)行“理論+實踐”教學(xué)，旨在解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中對知識的理解性困難及教學(xué)過程中電機運行原理展示困難等問題；教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生對電機在運行與控制中存在的相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行研究，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。此外，為更好地提高學(xué)生的積極性與參與度，強化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，科學(xué)評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果，探索多元化考核方式，對學(xué)生的“知識、能力、態(tài)度”進(jìn)行多維度的考核。

1 電機學(xué)模塊化教學(xué)體系的構(gòu)建

“電機學(xué)”教學(xué)內(nèi)容可總體概括為：電機基礎(chǔ)理論知識、變壓器、異步電機、同步電機、直流電機五大類內(nèi)容[3]。其每一部分又可分為電機的物理結(jié)構(gòu)與運行原理兩個模塊，雖然不同電機的物理結(jié)構(gòu)不同，但其運行原理都是圍繞電磁力定理與電磁感應(yīng)定理，從而實現(xiàn)機電能量的相互轉(zhuǎn)換[4]。此過程中的教學(xué)難點是建立不同電機運行的數(shù)學(xué)模型、等效電路、基本方程及相量圖。教學(xué)過程中需依據(jù)所建立的電機數(shù)學(xué)模型對電機運行過程進(jìn)行分析，其中難以理解的部分是電樞通以電流如何建立磁通，磁通交變是如何感應(yīng)電勢，如何保證磁通呈現(xiàn)正弦波的變換，或是如何保證最終產(chǎn)生的感應(yīng)電勢呈現(xiàn)正弦交變的波性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要通過想象構(gòu)建電機在運行過程中磁力線的分布，探討感應(yīng)電勢與磁通存在什么樣的關(guān)系，以及感應(yīng)電勢中的諧波消除方法。

針對電機學(xué)教學(xué)過程中存在的難題，對電機學(xué)教學(xué)方式進(jìn)行模塊式劃分。電機學(xué)的教學(xué)是對電機實物的運行原理進(jìn)行詳細(xì)分析概述，所以電機的教學(xué)可整體劃分為電機的物理結(jié)構(gòu)與運行原理兩個部分。因此，在學(xué)習(xí)電機運行原理之前應(yīng)對其結(jié)構(gòu)有整體認(rèn)知，如異步電機運行原理分析中，學(xué)生可提前對異步電機進(jìn)行拆解觀察，提升學(xué)生對電機學(xué)習(xí)的興趣。通過線上電機運行原理動畫演示，解決學(xué)生在觀察學(xué)習(xí)電機運行原理過程中，對磁通分布情況難以理解的問題。建立學(xué)生對電機的結(jié)構(gòu)認(rèn)知后則是電機的理論教學(xué)部分。電機學(xué)的學(xué)習(xí)過程中大部分知識都可互通，其知識體系結(jié)構(gòu)大體一致，可基本概括為如圖1 所示的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

圖1 電機理論知識體系

電機學(xué)理論學(xué)習(xí)的一大特點是知識的串聯(lián)性，學(xué)生大腦中往往缺乏知識的整體架構(gòu)。因此，在教學(xué)過程中幫助學(xué)生將知識融會貫通極為重要，通過模塊化教學(xué)對各部分知識存在的差異進(jìn)行重點概述。如變壓器結(jié)構(gòu)與異步電機結(jié)構(gòu)的差異，變壓器相比較于異步電機而言，兩者都有磁到電、電到磁的過程，不同的是異步電機存在旋轉(zhuǎn)部件，電樞繞組所建立的磁通也是旋轉(zhuǎn)的，異步電機運行原理分析相比較于變壓器而言存在一定的難度。但通過最終建立的等效電路來看又存在一定的相似性，不同的地方在于變壓器的二次側(cè)歸算至一次側(cè)時只需要將匝數(shù)進(jìn)行歸算即可，而異步電機不僅因匝數(shù)的不同需要歸算，還有因頻率的不同、相數(shù)的不同及繞組因數(shù)的不同需要歸算。在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)兼顧各章節(jié)所學(xué)知識并將其串聯(lián)，對知識差異的部分進(jìn)行重點講述，以達(dá)到學(xué)生將電機學(xué)理論知識融會貫通的目的。

2 多元化教學(xué)模式的實施

2.1 線上線下混合式教學(xué)

電機學(xué)作為電氣專業(yè)一門晦澀難懂的課程，教學(xué)手段與教學(xué)方法尤為重要。首先，在實際教學(xué)過程中，若采用單一的純理論教學(xué)模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情會大打折扣。在教學(xué)過程中應(yīng)多結(jié)合實際生活，如深槽和雙籠感應(yīng)電機的教學(xué)章節(jié)中，其原理是電磁場中的集膚效應(yīng)原理[6]，該原理不僅僅應(yīng)用于深槽和雙籠電機的制造，在家用的多芯導(dǎo)線、電視天線、架空輸電線路等產(chǎn)品中隨處可見其應(yīng)用場景。因此，在電機學(xué)教學(xué)過程中不可脫離實際生活來談理論教學(xué)。其次，電機教學(xué)過程中，電到磁、磁到電的過程是交替往復(fù)存在的，如變壓器的一次側(cè)施加電壓產(chǎn)生交變電流，交變的電流產(chǎn)生變化的磁通進(jìn)而在一、二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在二次側(cè)電路閉合的情況下二次側(cè)也會產(chǎn)生交變電流，又進(jìn)一步打破原有平衡。上述電磁變化過程是較難想象與難以理解的，此時通過線上動畫視頻演示，結(jié)合線下實物展示與理論教學(xué)，將進(jìn)一步提升學(xué)生對知識的理解程度及聯(lián)系實際的能力。因此教學(xué)過程中應(yīng)采用線上線下教學(xué)模式、結(jié)合實驗教學(xué)的多元化教學(xué)模式，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，也進(jìn)一步提升了學(xué)生對理論知識的掌握程度。

2.2 “理論+實踐”混合教學(xué)

在電機學(xué)課程教學(xué)過程中，實驗教學(xué)旨在使學(xué)生理解理論知識的同時，提升其學(xué)習(xí)動手能力及分析解決問題的能力，理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。以變壓器章節(jié)和異步電機章節(jié)教學(xué)為例，在變壓器運行過程中，假定變壓器一次側(cè)外加電壓頻率與匝數(shù)恒定的情況下，鐵芯磁化曲線與外加電壓呈現(xiàn)正比例關(guān)系，考慮到鐵芯內(nèi)部的磁飽和現(xiàn)象，其磁化曲線呈現(xiàn)出非線性狀態(tài)。在教學(xué)過程中分別對兩個班級采取兩種不同的教學(xué)方式，其差異在于教學(xué)過程中是否安排實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。在變壓器章節(jié)教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行線上檢查，檢測成績以百分制計，兩個班級成績分布如圖2 所示。

圖2 習(xí)題作答結(jié)果對比

圖2（a）為開展實驗班級，總?cè)藬?shù)為47，總體平均分為84 分，60 分以下的人數(shù)為1。圖2（b）為未開展實驗班級，總體平均分為52 分，僅1 人測試成績及格。同樣對于異步電機而言，為了消除諧波電勢而將電機制造為斜槽或者斜極的形式，以及為了提升異步電機的啟動性能而制造深槽和雙籠電機。理論教學(xué)過程加以實驗教學(xué)的輔助，通過實驗將理論知識中的原理得以呈現(xiàn)，通過觀察實驗現(xiàn)象達(dá)到加深理論知識理解的目的。

2.3 電機學(xué)研究思維拓展

以異步電機的運行特性為例，通過理論分析與實驗建立異步電機的等效電路，如圖3 所示。

圖3 異步電機等效電路

通過對異步電機等效電路圖的建立，將異步電機從電磁分析轉(zhuǎn)換為純電路分析，由此推導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：Te為異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩；m1為相數(shù)；Ωs為旋轉(zhuǎn)磁場機械角速度；r1、r2′分別為定子與轉(zhuǎn)子繞組；x1、x2′分別為定子與轉(zhuǎn)子漏抗；s 表示轉(zhuǎn)差率。

在保證異步電機外加電壓不變的情況下，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為轉(zhuǎn)差率函數(shù)，由電機學(xué)理論知識分析得出了異步電機的最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻大小無關(guān)，出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻大小有關(guān)，由此可通過轉(zhuǎn)子串電阻的方式來提高電機的啟動性能。根據(jù)上述分析結(jié)果，在電機生產(chǎn)制造過程中，可將電機的轉(zhuǎn)子改造成深槽或雙籠，以達(dá)到改善電機啟動性能的目的。同時學(xué)生通過這一探究，提高了探索學(xué)習(xí)新知識的興趣。由電機的結(jié)構(gòu)及運行特性建立起電機的等效電路圖，根據(jù)電路圖所建立的電機方程式分析電機運行性能、參數(shù)對電機性能指標(biāo)的影響，由原理分析帶動電機理論知識研究，將研究結(jié)論反饋電機生產(chǎn)制造，培養(yǎng)學(xué)生理論緊密聯(lián)系實際的意識。

3 課程教學(xué)考核與評價

3.1 課程教學(xué)考核

通過考核衡量學(xué)生課程學(xué)習(xí)的效果，科學(xué)的考核方法和評價手段是保證教學(xué)質(zhì)量的重要因素。以往電機學(xué)的考核中理論知識成績與平時成績占比分別為70%和30%左右，過于強調(diào)理論知識的重要性而輕實踐。在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生過于偏重理論考核，學(xué)習(xí)也由最開始的主動接受到之后的被動學(xué)習(xí)，背離了學(xué)習(xí)應(yīng)該以興趣為導(dǎo)向的初衷而變成了以考核目標(biāo)為導(dǎo)向。因此，為幫助學(xué)生“撥亂反正”，對現(xiàn)有課程體系考核方式進(jìn)行改革，采取過程性考核與最終性考核相結(jié)合的考核方式。將過程性考核成績的權(quán)重提高至50%，豐富過程性考核內(nèi)容，突出考查學(xué)生分析、解決問題的能力及動手能力。過程評價重視學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)，一是利用學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺提前布置學(xué)生預(yù)習(xí)理論知識，參與討論、測試、作業(yè)、擴展學(xué)習(xí)、思維導(dǎo)圖等并對完成情況進(jìn)行持續(xù)跟蹤，形成動態(tài)實時考核數(shù)據(jù)（占30%）；二是對挑戰(zhàn)性實驗部分（占20%）采取過程跟蹤評價，明確實驗課教學(xué)、現(xiàn)場操作、實驗報告及平時學(xué)習(xí)狀態(tài)考核標(biāo)準(zhǔn)，重在對現(xiàn)場操作的考核。制定詳細(xì)的評價標(biāo)準(zhǔn)確定過程性評價結(jié)果，完善教學(xué)方法和考核辦法?？偨Y(jié)性評價（占50%）通過期末考試考量學(xué)生實質(zhì)性“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，全面了解學(xué)生是否掌握電機學(xué)知識，并具備對知識綜合運用的能力?；谶^程性和總結(jié)性評價進(jìn)行課程總成績目標(biāo)達(dá)成度的分析，不斷進(jìn)行課程改進(jìn)。實施以“知識+能力+態(tài)度”的多維度考核標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的科學(xué)評價體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與度，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生由被動接受教學(xué)到主動學(xué)習(xí)，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

3.2 課程目標(biāo)達(dá)成評價

電機學(xué)課程涵蓋的知識有變壓器、異步電機、同步電機、直流電機四大內(nèi)容，為了評價學(xué)生對課程知識體系的掌握程度，采用“知識目標(biāo)達(dá)成度”與“課程總達(dá)成度”來衡量班級學(xué)生對知識理解與掌握程度。課程目標(biāo)達(dá)成評價方法如下：

式中：ACH、GP 分別為課程總目標(biāo)達(dá)成度和總分（滿分）；ACHi、ri、GPi分別為課程第i 個知識目標(biāo)的達(dá)成度、占比、總分（滿分）；GPAij、rij分別為課程第i 個知識目標(biāo)對應(yīng)第j 種評定方式的平均成績和占比。

課程知識目標(biāo)m 的取值由課程知識體系決定，如電機學(xué)課程中共計4 個知識目標(biāo)，則m 的取值為4；n與m 的取值方式相同。由上述課程目標(biāo)的計算公式，對電機學(xué)課程的達(dá)成度進(jìn)行計算與評價。

4 結(jié)語

以能力為導(dǎo)向的電機學(xué)教學(xué)改革，旨在使學(xué)生在理解與掌握理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗教學(xué)及聯(lián)系實際，提升分析解決實際問題的能力。通過構(gòu)建模塊化教學(xué)，幫助學(xué)生對電機學(xué)的總體知識內(nèi)容進(jìn)行整理歸納，在教學(xué)過程中將實驗教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，使理論教學(xué)與實際緊密聯(lián)系，教學(xué)結(jié)果表明該方式能夠很大程度地提升學(xué)生對理論知識的理解。此外，對現(xiàn)有課程教學(xué)考核方式進(jìn)行改革，構(gòu)建以能力為目標(biāo)的科學(xué)考核體系，使學(xué)生由原來的被動接受教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。以能力為導(dǎo)向的電機學(xué)多元化教學(xué)改革對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及能力的提升具有明顯的作用，值得在理論知識與實際聯(lián)系較為緊密的專業(yè)課程中推廣。