文 麗

(廣州城市理工學院 電子信息工程學院,廣州 510800)

“電機及拖動”課程是廣州城市理工學院電子信息工程學院自動化專業(yè)的核心課程,以先修課程“大學物理”“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”等后續(xù)課程打下基礎(chǔ),課程理論性很強,還兼具一定的實踐動手要求。如果要深入開展學習,該課程涉及的知識點就非常多。該課程理論56學時,實驗8學時,課程內(nèi)容又涉及電機學和電機拖動兩大部分,由于學時較少,導致不能過多深入開展。

1 課程現(xiàn)狀

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

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

廣州城市理工學院定位是應用型本科院校,目標是培養(yǎng)應用型人才,那么該課程就要本著“應用”的本質(zhì),結(jié)合學生的學習特征和實際情況,適當?shù)剡x擇合適的教學內(nèi)容,運用靈活的教學方法,才能更好地激發(fā)學生的學習興趣,提高他們的信心。

針對以上情況,“電機及拖動”課程的改革勢在必行。

2 面向應用型人才培養(yǎng)的課程改革

根據(jù)應用型人才培養(yǎng)目標,旨在理論與實踐兼顧,以“應用”為主,降低課程理論學習難度,激發(fā)學生學習興趣,從教學內(nèi)容、教學方法、課件與考核方式等方面進行了改革探索,尋求形成與應用型培養(yǎng)目標一致的線上線下混合教學模式,以獲取更好的教學效果。

2.1 教學內(nèi)容的調(diào)整

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

教學內(nèi)容調(diào)整可適當弱化原理部分,公式的推導,比如電磁感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的推導可以略過,只需要學生記住公式,會在一定的條件下使用公式分析問題就好。教學中簡單介紹電機內(nèi)部的繞組規(guī)律,只要讓學生掌握不同繞組形式的電機具有什么樣的特點,大電流的電機、大電壓的電機根據(jù)需要正確選擇電機即可;讓學生了解電機的運行原理,著重掌握電機的拖動特性,結(jié)合專業(yè)特點著重學習電機的啟制動和調(diào)速原理與方法;把變壓器的參數(shù)計算分析,放在變壓器實驗報告里去完成,結(jié)合實驗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)運行的條件;弱化三相異步電動機的計算,掌握結(jié)構(gòu)和基本工作原理,著重掌握三相異步電動機的啟動問題,掌握三相異步電動機的調(diào)速方法和制動。整體來說,在學習基本原理的基礎(chǔ)上,特別注重電機拖動特性的分析和學習,讓學生主要掌握控制電機的方法。

另外結(jié)合課程思政,還可在課程中穿插一些電機的歷史小知識以及其他電機相關(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(如電機技術(shù)及應用)、網(wǎng)絡(luò)資源等,讓學生了解我國電機的發(fā)展和未來的方向,激發(fā)學生科技興國的志向,對他們今后的就業(yè)引導也有很大的幫助。

比如講到電機的功率流圖和效率特性時,可以結(jié)合當前的政策,引出“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃,力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和。中國電機耗電量在工業(yè)總用電量中的占比約為六到七成,但中國高效節(jié)能電機市場份額僅3%左右,電機系統(tǒng)整體運行效率較發(fā)達國家低20%左右。電機能效提升在“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃中將是關(guān)鍵重要角色。隨著碳達峰、碳中和被寫入政府報告,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)能高效的電機對制造業(yè)變得尤為重要。那么,如何提升電機的能效呢?這就是激發(fā)學生思考并為之奮斗的動力。

2.2 教學方法的靈活運用

以往教學一般是按照PPT和板書結(jié)合的方式進行,然后按直流電機、變壓器、三相異步電動機三大模塊開展,每個模塊結(jié)束后會由相應的練習。由于一個模塊講授的時間比較長,知識點較多,學生很容易忘記,本文介紹了新的教學方式。課堂教學把每個部分按知識點講授,然后對應每個知識點開展鞏固練習,實現(xiàn)課程知識點和跟隨練習緊密結(jié)合,最后再把該部分的知識點串起來歸納、測驗。這樣上課的效果比較好,能幫助學生快速汲取知識,教學方法上靈活多變,師生互動得到加強。

1)直觀教學法

電機從外觀上看幾乎都是一個模樣,但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)是學生要了解的,否則學習起來就覺得抽象,課程教學時利用圖片剖析、視頻、三維動圖等方式把電機結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來,給學生直觀的印象。學習變壓器時,學生可以從手邊的廢舊充電器著手拆解,從實物結(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,加深理解電機結(jié)構(gòu);或者拆解遙控小車、電動玩具之類的電動機,看看微型電動機有什么區(qū)別。

同時,電機及拖動基礎(chǔ)實驗室還配備了直流電機、變壓器、三相鼠籠式異步電動機和繞線型異步電動機的教學模型,可用于課堂同步展示,便于學生觀察學習。

2)采用比較法講授知識點

課程按照直流電機、變壓器、三相異步電動機三個模塊進行,三個模塊看似沒什么關(guān)系,但是在有些原理分析方法上通過對比是容易分析的。在教學過程中,引導學生總結(jié)共性,對比個性,一步步去挖掘。講述啟動、制動和調(diào)速時,也可以對比分析交直流電機各自的方法和相通點,在變壓器和三相異步電動機的電磁關(guān)系、等效電路知識點上,分析方法也基本相同。這樣可以讓學生對比學習前后知識點,加深印象。

3)采用提問式教學

提出下一節(jié)要解決的問題,讓學生做好預習,采用分組討論,再來分析印證,可以調(diào)動學生的學習積極性,啟發(fā)他們的思維。比如,講解直流電機原理時,請學生利用電磁感應定律和電磁力定律,分析電機模型中線圈的電勢方向和電流方向,引出直流電機結(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的工作原理時,對比直流電機的機構(gòu),發(fā)現(xiàn)三相異步電動機內(nèi)部沒有主磁極,從而引出旋轉(zhuǎn)磁場的形成原理,啟發(fā)學生思考磁場與定子之間的相對運動、磁場與轉(zhuǎn)子之間的相對運動、轉(zhuǎn)子與定子之間的相對運動,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

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

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、計算題等多種題型,涉及的知識點面廣,分為易、中、難三個級別。學生平時作業(yè)練習基本上都在題庫里,只要做好課前預習,課后認真完成作業(yè),考前認真復習,考試就不成問題。教師也能根據(jù)平臺的統(tǒng)計分析,了解哪些學生未完成作業(yè),哪些題目學生容易出錯,再針對問題加以解決,以提升教學效果。

2.3 教學課件的制作

為了授課PPT給學生有更好的觀感,作為主講教師需學習許多PPT制作和多媒體制作技巧。原來的教學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。

“電機及拖動基礎(chǔ)”本身的知識點比較抽象,理論性很強,學生的學習能力相對偏弱,所以過多的純文字講解和計算公式的分析,反而會讓他們覺得枯燥。因此,實物圖片、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的部件拆分,讓學生能直觀地看到三相鼠籠式異步電動機的結(jié)構(gòu),再把短視頻和原理分析結(jié)合起來,進一步加深學生的印象。為了吸引學生的注意力,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,更好地對知識點一步步分析,課后也方便了學生自行復習。

圖1 三相鼠籠式異步電動機結(jié)構(gòu)圖

2.4 考核方式的改革

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

原有課程考核方式按照卷面70%+平時成績30%的比例實施。為了突出實踐的重要性,提高學生對實驗的重視程度,考核方式改為卷面60%+平時成績20%+實驗成績20%。實驗成績直接由實驗教師根據(jù)實驗完成情況、實驗報告的質(zhì)量和實驗考核評定,平時成績包含了考勤和作業(yè)完成情況?？记诘姆绞匠穗S機點名,也采用學習通課程平臺的簽到方式進行,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)異或者實驗做得非常好,都可以得到加分。若是學生參加省級以上的比賽獲獎,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)了學生主動學習的興趣。

因為“新冠”疫情的影響,考試可以靈活地安排為線上或線下進行,線上開展的優(yōu)勢在于不用浪費紙張,試卷電子存檔也方便,備用試卷多且靈活。只要學生認真完成網(wǎng)絡(luò)作業(yè),考試就變得容易多了。

2.5 實驗改革

1)實驗學時內(nèi)容調(diào)整

實驗教學學時由原來的8個學時增加到12個學時,使得實驗內(nèi)容在原來的基礎(chǔ)上得到擴展。在直流電機實驗內(nèi)容里,將電機的各種特性進行量化測量,加深學生的認知;實驗二增加三相變壓器的聯(lián)接組和不對稱短路試驗,讓學生對三相變壓器的運用有一定的掌握;實驗三補足了三相電機的基本特性測試,可以更好地認知三相電機的運行原理。改革后的實驗內(nèi)容更全面,更具應用性。實驗課上教師會全程跟進,數(shù)據(jù)要現(xiàn)場檢查完畢后方能離開。實驗報告告別傳統(tǒng)的紙質(zhì)版上交方式,采用實驗室建設(shè)的虛擬仿真平臺上交、批改,既適當?shù)販p輕了實驗教師的工作壓力,又方便報告存檔。

2)引入仿真,虛實結(jié)合

實驗教學不再單純依靠實驗室的實際操作,把仿真引入實驗,做到虛實結(jié)合。自動化專業(yè)學生課前學習了Matlab 軟件的使用方法,因而可以使用Matlab/Simulink 進行仿真。實驗前后,學生可在計算機上進行仿真模擬,通過建立仿真模型,進行動態(tài)過程仿真模擬,增加感性和理性認識,反過來結(jié)合理論和實驗的數(shù)據(jù)分析,更好地掌握知識。例如,電機的啟動、調(diào)速過程中的速度、電流等隨時間的動態(tài)變化,可以很清晰地在仿真圖形里表現(xiàn)出來,再結(jié)合實操,學生就能獲得更清楚的認知[4]。

3)實驗考核方式改革

實驗在課程考核方式中占20%的比重,因此實驗課程的考核也進行了改革。平時學生5人一組,做完實驗每人交一份報告,教師根據(jù)報告和現(xiàn)場完成情況打分。這種方式會讓學生產(chǎn)生可以混的思想,一組只要有一個人做了,大家都有報告了,并不能體現(xiàn)學生的真實水平。為了讓學生真正動起手來,教師給出6個考核題目,考核題目如表1,題目在平時實驗的基礎(chǔ)上增加了設(shè)計性和綜合性[5]。考前,實驗室對學生開放?，F(xiàn)場考核時,學生隨機抽取題目并動手操作,最終根據(jù)平時實驗和最后考核的情況,給出合理的實驗成績。

表1 “電機及拖動”實驗考核安排

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

3 結(jié)語

本文面向應用型人才,對“電機及拖動”課程從教學內(nèi)容、教學方法、教學課件、考核方式的改變和實驗改革等方面進行了探討。經(jīng)過兩年的實踐,“電機及拖動”課程改革與實驗改革取得了良好的教學效果。學生課堂注意力集中,增加了互動,學習興趣得到了極大的提高,對教師課堂的質(zhì)量評價也逐年提升?？己朔绞降恼{(diào)整和實驗考核的改革使對學生的考評更為合理,網(wǎng)絡(luò)課程體系的建立為學生在預習、復習環(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效果,進一步適應應用型人才培養(yǎng)的目標要求,還需要更多的努力。接下來,可以開發(fā)更強大的教學工具,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模式靈活運用好,堅持以學生為本,開發(fā)一些開放性、創(chuàng)新性的課程和實驗,改變上課形式,把理論課搬到實驗室,同時把重點內(nèi)容制作成簡潔明了的專題微課,充分調(diào)動學生的積極性,引導學生學好知識,運用好知識,進一步提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力。