“电机及拖动基础”课程教学研究与探索

陈亚爱,于苏华,周京华,李正熙

(1.北方工业大学机电工程学院,北京100144;2.机械工业出版社高等教育分社,北京100037)

0 引言

我校对电气工程及其自动化专业的培养目标是培养能在电气自动化或供用电系统等领域从事系统分析、设计和调试的、理工结合、素质全面、实践能力和创造能力强的应用型高级专门人才。“电机及拖动基础”是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础必修课,该课程不仅具有系统的理论性,又具有工程实践性,是一门理论性和实践性都很强的课程,并在专业课程体系中起着承上启下的作用。由于该课程涉及科学面广、理论较深、难点颇多、实践性强,教学上相对难度大些。学习该课程时,要求学生既具有较强的抽象思维和空间想象力,又具有理论联系实际和实验动手能力。然而高校的扩招,使我国高等教育进入了大众化阶段,学生的学习能力较之精英教育阶段有一定的差距;与此同时,随着近年来高校教学改革,以及专业培养计划的调整,使《电机及拖动基础》课程总学时压缩为现在的64(其中包括10学时实验),因此一般学生学起来比较吃力,给课程教学带来较大的困难。如何使学生在较少课时内对课程的内容有一个较深刻的理解和掌握,提高教学质量是专业教师需探讨的课题。作者所在的课程组成员对此展开了研究和探索,总结多年教授该课程的实践,从课程体系全局出发,探讨了“电机及拖动基础”课程教学内容的重构和实践教学模式的设计。

1 明确教学基本要求,重构教学内容

《电机及拖动基础》课程教学内容主要包括变压器、交流电机、直流电机的基本结构、工作原理和运行性能。通过分析它们内部的电磁物理过程,推出表达电磁关系的基本方程式、等值电路和相量图以及功率平衡关系式、交、直流电机的转矩平衡方程式、各功率和转矩之间的相互关系;分析交、直流电动机的机械特性,起、制动和调速过程,同时对电动机的容量选择的理论和方法作简单介绍。教学大纲对该课程的基本要求是,掌握基本理论和弄清物理概念,重点是电机内部电磁耦合过程、能量转换关系以及运行特性。

对于该课程的教学内容的重构,首先要明确课程的教学目的,应符合培养计划中对该专业学生的定位,即培养应用型高级专门人才。因此,在设计课堂教学内容时以学会使用电机为目的安排内容。课程授课时体现应用特点,以应用为目的,突出课程的理论知识的应用和实践性;以课程知识应用为目标,适当降低理论难度,进一步加强实践性教学环节,力求深入浅出,通俗易懂。

根据教学对象和课程学时的限制,重构该课程的教学内容,主要体现在如下几个方面:

①电机的基本结构,尤其是抽象难理解的电机绕组,它是理解电机工作原理的基础,也是机电能量转换的枢纽,交、直流机都有绕组的内容,是教学中的难点。如果按照教材编排的顺序,先给出名词术语,然后一种种绕组展开图介绍,学生面对一大堆名词术语和各种图形,易产生畏难情绪,尽管花了不少时间,但教学效果不理想。对于非电机制造专业的学生,学习电机绕组是为了更好地理解电机工作原理和内部电磁耦合过程及能量转换关系,为此介绍绕组时应紧扣电机基本工作原理,引出绕组构成原则。对于这部分内容通过录像片介绍,并用电机实物模型增加学生的感性认识,在感性认识的基础上,再进一步在理论上加以总结和提高。

②对于交流机和直流机、交流机和变压器之间存在诸多相似性的内容,在课堂教学中强调课程内容的内在联系。虽然电机的种类繁多,各具特性,但就其内部电磁关系耦合过程和机电能量转换关系,仍有其内在联系。它们的基本工作原理都是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上的;它们的能量转换都是以磁场为媒介,其电磁关系可抽象为电路参数,得出基本方程式和等值电路,这是共性方面。对于变压器和三相异步电动机的等值电路的推导,以变压器为主,但重点放在电机拖动的应用上,适当降低了学生理解的难度。在教学中将变压器、交流电机、直流电机的相似性有机地统一起来,在强调课程内容的内在联系同时,形成课程鲜明的主线,学生只要学好了变压器,对交流机和直流机的内容就比较容易掌握了。

③目前工业界对电机的实际应用情况是,由于交流调速技术的迅速发展和日趋成熟,变频器的出现,使交流传动逐步取代了直流调速系统;变频控制克服了同步电动机应用的两大障碍(即启动问题和突加负载产生振荡或失步问题),使得同步电动机的诸多优点显现,在许多场合逐步取代调速用的异步电动机。为此,在课堂教学中采取:a)改变以前直流电机与交流电机并重的安排,课堂教学中突出交流机的应用;b)改变以前同步电动机内容作为自学的安排,在课堂教学中介绍同步电动机的工作原理、特点和应用,以及与异步电动机区别等。

④将电机理论与仿真技术相结合,利用学生对计算机仿真感兴趣的特点,将计算机仿真技术引入《电机及拖动基础》课程的教学中,可用MATLAB仿真软件对变压器、交、直流电机拖动中的各种特性进行仿真,加深对课程知识的理解。

通过以上的重构教学内容,将难学不易理解和抽象的部分由物理概念和通过各种图解、多媒体动画演示、录像片播放等现代化教学手段,转变成学生感兴趣和较易接受的知识,提高了学生的学习兴趣,使课堂教学更深动、更丰富、更具吸引力,在一定程度上化解了课程的教学难度,而教学实践证明,学生反映良好,取得了明显的教学效果。

2 培养学生分析、综合和应用能力

《电机及拖动基础》是一门实践性很强的课程,实验教学是其重要组成部分。本课程在教学中安排了实践教学环节,共有10学时。以前认为实践教学是依附课堂教学的,是课堂教学的延伸和补充,而且又由于课程的实验一般是实验室教师开设,这就导致授课教师在不同程度上忽视了实践教学的作用,没有充分意识到实践教学的目的和意义,学生对实践教学也不是很重视。然而,实践教学是在一定理论指导下,通过引导学生主动实践,检验所学的知识,是生成知识,形成技能,发展能力,提高综合素质的教学形式。教学改革后,形成了整个课程组共同抓课堂教学和实践教学的质量的局面,课程组是从以下两方面开展工作的。

2.1 设计合理的实验教学内容

配合教学内容的改革,积极开发一系列与教学内容相配套的科学、合理的电机控制系统实验项目、实验方法也成为《电机及拖动基础》课程建设与改革的另一个重点。

结合对《电机及拖动基础》教学内容的改革,将实验教学分为常规基础实验、综合设计性实验、创新研究计划三个层次,逐步开发出一系列电机控制系统实验项目。

(1)常规基础实验

常规基础实验项目以验证性实验为主,与理论课程同步进行,旨在帮助学生掌握基本的实验技能与实验方法,掌握常规仪器的基本使用方法,培养以实验为基础的分析问题、解决问题和独立思考的能力,能将所学理论知识和实验结果初步融为一体。这部分实验安排在我校的电气传动实验室,该实验室具备开设《电机及拖动基础》课程实验的各种设备和测试仪器。目前设立的常规基础实验项目包括:①直流电机实验,②直流电动机拖动实验,③变压器实验,④三相异步电动机实验,⑤三相异步电动机拖动实验。常规基础实验要求每个学习《电机及拖动基础》课程的学生都必须完成的。

(2)综合设计性实验

综合设计性实验项目旨在帮助学生在掌握基本知识的基础上,能够创造性地运用所掌握的知识建立小型的电机控制系统,实现预定的功能,满足预定的性能指标。根据综合性和创新性研究要求,我校电力电子与电气传动工程中心研制开发了“三电平变频器试验平台”。校绿色电源实验室研制开发了“风光互补发电系统实验模型”。这些项目的研制开发为电机及拖动基础课程的实验教学改革提供了实现的平台。

其中在三电平变频器试验平台可以完成的综合设计性实验项目有:①DSP系统设计。目的是使学生熟练掌握DSP系统的硬件设计方法及编程语言。②开关器件的特性实验。目的是使学生深刻认识开关器件的特性,为进一步实际应用奠定基础。③电机控制的基本调速方式验证。目的是使学生能够熟悉电机的基本调速方式,熟练应用所学到的基本理论知识。

在风光互补发电系统实验模型上可以通过对变频器参数的设定,改变人造风源的大小,从而改变风力发电量。

上述实验项目基本涵盖了电机传动技术发展的各个方面,内容覆盖面广,又有一定的深度。学生可以根据自己的兴趣,结合课外科研活动和毕业设计选做2～3个实验项目;为了保证设计方案的合理性,减小实验的盲目性,要求学生在实验之前首先借助仿真手段进行参数设计,使学生掌握以仿真为基础的数值分析和设计方法。这部分实验是针对希望在电气传动研究方向非常感兴趣的,愿意在这方面多学一些相关知识的那部分学生设计的。

(3)创新研究计划

创新研究计划是以《电机及拖动基础》课程的后续选修课、学生课外科技活动、参加教师科研项目及电子竞赛集训活动为载体,鼓励成绩优异的高年级学生参加面向工业、科研和生产实际的研究课题。

电力电子与电气传动工程中心研制开发的三电平变频器实验平台可以完成以下创新性实验:①交流调速矢量控制系统的设计。目的是研究高性能变频器的控制算法,提高系统的调速性能。②三电平拓扑结构及调制策略的研究。目的是深入研究三电平拓扑结构及各种调制策略,并对各种调制策略在开关损耗、谐波特性等方面进行比较。③三电平变频器实用化技术研究。研究内容主要包括柜体的结构设计、光纤通讯技术、故障检测技术等,目的是使三电平变频器应用于工业现场。

创新研究计划的开展,能培养学生的实践创新能力,开阔知识面。我们鼓励学生将自己的研究成果以科研论文的形式发表出来,鼓励学生电子设计竞赛,并取得了显著的成果。

校的电力电子与电气传动工程中心和绿色电源实验室具备开设《电机及拖动基础》课程综合性和创新研究性实验的各种设备和相关的测试仪器,为该课程的实践教学改革,提供了物质基础和实现平台。

(4)实验教材

实验教材方面,根据现有的教学实验条件,实验教材一直选用自编教材,并不断更新实验内容,以期达到理想的教学效果。

2.2 加强实践教学过程的指导和管理

由于实验设备条件的限制以及实际操作的需要,本课程的实验一般2～3名学生为一组进行,其中不乏有实验前预习不充分、实验过程中不动手的学生,针对这种情况,采取的方法是:①严格执行预习制度,学生进入实验室之前,检查实验预习报告,无预习报告的学生暂缓实验。②上电实验操作前,教师查线的同时,指定该组一名学生,讲解如何接线和实验过程中应如何操作以及相关的注意事项,促使学生实验前充分预习。③将实验操作能力作为评定学生实验成绩的重要依据,实验成绩又是平时成绩的主要部分,而平时成绩要折入期末总评成绩中,加大了实验操作在总评成绩的权重系数,该课程新教学大纲规定,平时成绩占总平成绩的50%,而其中实验成绩占平时成绩的80%。④考试时适当出一些如何解决实验中出现的问题以及解释一些现象的试题,使学生重视实验教学环节。上述措施的实行,从制度上有力的保证了学生的实践教学质量。

教师对实验的重视与对学生的严格要求,将有利于促进实践环节教学效果的提高,培养学生分析、综合和应用能力。

通过加强对实验过程的管理,使实践教学环节的质量有了明显的提高,学生反映,通过课程的实验,不仅加深和巩固了课堂所学的指示,也从中体会到学习该课程的乐趣。

3 结束语

“电机及拖动基础”课程是一门电气工程及其自动化专业和电类专业的传统课,面对新形势下的新的教育对象和压缩的学时,要提高教学质量并不是易事,需专业教师在教学实践中不断探索和总结。以上的探讨已逐步付之于教学中,取得了良好的教学效果,教学质量明显提高。

总之,教学法的研究是长期的,且需要不断地实践、探索和总结,才能不断提高教学质量。

[1] 陈亚爱.优化电机学教学,注重学生能力培养.北方工业大学学报,1998(2)

[2] 张英彦.更新知识观念,改革高校教学.中国高教研究,2006(2)

[3] 吴疆,陈瑛等编著.现代教育技术教程(二级).北京:人民邮电出版社,2003

[4] 陈亚爱,丁宝利,周京华,杨立永,赵仁涛.高等教育大众化阶段的《电机与拖动》课程教学研究与实践.中国教育科研杂志,2007,19(141):57-59

[5] 陈亚爱,周京华,李颖宏,赵仁套,曹靖.工程技术性实验创新研究——三电平实验平台开发.2007年中国自动化教育学术年会论文集.2007:520-522

[6] 顾春雷,何坚强,胡国文.“电机与拖动”课程教学改革的探索.2007年中国自动化教育学术年会论文集.2007:421-422