科研反哺教学在“电机学”教学中的实践

应黎明

(武汉大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430072)

0 引言

人才培养与科学研究是高等学校的两大基石，两者既有一致性，也存在着矛盾。

一方面，教学与科研两者相互依存，相互促进。“教而不研则浅，研而不教则空”，教师科研成果的取得，需要长期的教学实践，需要丰富的知识积累；只有不断进行科学研究、总结科研成果，才能丰富课堂教学内容，促进教材的更新与建设，提高教师的教学水平;但研而不教，又枉为高校教师。

对于综合性大学、研究型大学而言，提高教学质量，培养“三创”人才离不开高水平的科学研究。

另一方面，教学成果难以短时间内显现，评价指标偏软，而体现高校或某一学科水平高低的评价体系往往偏重于科研成果，或多或少弱化教学，虽然高校非常重视教学，但高校教师投入教学的时间相对偏少，投入精力不如科研。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要( 2010～2020年) 》提出，要提高高校教师的科研水平，鼓励“培育跨学科、跨领域的科研与教学相结合的团队。促进科研与教学互动、与创新人才培养相结合”。如何处理好科研与教学的矛盾，科研反哺教学，将科研成果转化为教学资源，同时促进教材的建设是提高课程教学质量、提高人才培养质量的重要途径。

科研反哺教学，将科研成果转化为教学资源，不少高校教师做了大量工作，如科研反哺教学模式的探讨及科研与具体课程教学的融合[1～3]。还有大学数学教学与科研如何做到教学相长的一些思想和方法[4]。文献[5～12]则具体地介绍了各方面在科研反馈教学实践过程中所做的有益的探索。

科学研究是为了认识客观事物的内在本质和规律，对存在的问题做深入的研究，往往具有跨学科与探索求知的特性。因此，科研成果不适宜“直接”转化为教学资源，课程教学必须遵循教学规律。本文探讨了哪些科研成果可以转化为“电机学”课程的教学资源，如何转化及转化所应该遵循的基本原则。

1 科研成果引入教学环节的原则

1.1 有机融合原则

教师的科研方向通常相对较为具体，比较集中于对所从事的学科的某个具体科学或工程问题，前沿性和尖端性较强。而人才培养一般需要遵循“宽口径、厚基础、强能力、重创新”的原则，专业培养计划和课程教学大纲需要遵循一般教学规律。因此，很难直接将相关的科研成果引入课程教学中来，否则一方面挤占课程教学时间，影响正常的课程教学。另一方面，由于引入的资源与课程教学关联性不强，不能与教学内容有机融合，对课程教学不一定会产生正面影响。因而需要分析相关科研成果的特点和课程教学大纲、教学内容以及专业人才培养目标，确定转化的具体内容和方式。引入科研成果同时考虑其实用性。相关的科研成果最好来源于生产实际或科技前沿，探索性和创新性强，有助于调动学生课程学习的主动性，激发学生的电气工程学科相关问题的研究欲望。对“电机学”课程而言，例如讲授变压器励磁涌流问题时，结合科研成果介绍一些新的辨识方法。

1.2 “深度”原则

科学研究往往针对存在的问题做深入的研究，研究内容相对教学内容而言肯定是升华的，科研反哺教学需要教师对相关科研成果有所取舍，方能取得较好的效果。就“电机学”教学而言，例如涉及电力变压器状态检修的科研课题有：研究通过哪些参量度量变压器的健康状态、研究电力变压器的检修策略、研究电力变压器噪声控制问题、研究电力变压器噪声产生的机理、传播的特性等。这些研究课题有一定的深度，而且涉及多领域、多学科。将这些科研成果转化为“电机学”的教学资源，应该以利于掌握基本内容，激发学生的学习兴趣为出发点，认真考量哪些科研成果可以转化，课程内容上哪些知识点可以进一步加深，切忌将科研成果直接搬到课程教学。再如有关电力变压器油中溶解气体产生机理和电力变压器噪声有源控制算法等与课程内容弱关联，就不宜在课堂上讲授。

1.3 “宽度”原则

随着科学技术的发展，一些新知识和新方法会不断出现，需要在处理教材内容时要适度扩充，同时也要注意和其它课程的衔接。另外，需要控制科研成果转化部分与传统教学内容的比例，这便是“宽度”问题。由于学生接受能力的差异，科研成果引入教学的尺度不同会产生不同的反应和效果，所占比例过大，会产生负面效果。因此，实际教学实践过程不适宜做很大的改变。需要根据学科、教师科研状况特别是学生接受能力，构建不同层次和结构体系来逐步实施。就“电机学”而言，我院“电机学”课程的学时数相较过去有所增加，达到108学时，比较充裕，引入一些科研成果压力较少，因此可以考虑在变压器、旋转电机等章节引入一些相关的科研成果，这样做有助于学生对电机运行原理及运行特性的理解，同时也可以提高学生的学习兴趣。

1.4 创新性原则

科研成果引入教学环节要注意把握其创新性。随着电气工程学科的不断发展，新的理论及应用成果不断涌现，需要适时地把最新研究成果引入到课堂教学中，对教学内容进行更新与补充。结合理论教学适时地引入相关的科研成果，对学生培养创新性思维习惯也具有引领作用。

创新性原则是要给学生发挥创造性的空间，力促学生自己去思考、想象和设计，锻炼创新思维，提高创新能力，这些也可以在课堂教学中体现。例如一般“电机学”课程没有涉及双馈电机，可以让学生考虑：若绕线式异步电机在转子侧通入一定频率的交流电，定转子电磁关系会如何等等。

2 科研成果转化为教学资源的实施

科研成果有具较强的前瞻性和尖端性，而本科教学则有系统性和循序渐进的特点，如何处理好两者的关系，是科研成果转化为教学资源的关键。以笔者主持完成的科研成果为主，结合所在的教学团队和科研团队的研究成果，根据“电机学”课程教学内容和要求，分析共重点和难点，对科研成果进行梳理，研究哪些研究成果可以和“电机学”课程的知识点相融合，把握好原则，以适当方式将科研成果融入课堂教学。

2.1 “电机学”课程的重点和难点

“电机学”是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，其理论性、实践性、应用性较强。通过对它的学习，学生能够掌握变压器、异步电机、同步电机和直流电机的运行原理和运行特性，掌握基本计算方法和一般运行问题的分析能力，为学习“电气工程基础”、“电力系统分析”、“电力系统继电保护”等课程打下必要的理论基础。这要求学生具有扎实的数学、电路、电磁方面的理论基础知识，且具有一定的空间想象能力和逻辑分析能力。

“电机学”重点和难点在于：

(1)电磁理论在电机中的应用——变压器和旋转电机磁路分析、三相旋转磁动势的特点、电枢反应理论等。这几个难点性质基本相同，都对电机的分析影响较大。对磁场进行分析必须运用电磁定律，而不同的电机其磁场分布取决于磁极结构、电机结构及绕组形式，对于感应电机，电枢产生的是三相旋转磁动势，其分析和推导过程复杂，而且很抽象，学生难以理解，电枢反应是电枢电流产生的磁场对主磁场的影响，主磁场和电枢反应磁场交叠在一起，使得学生更难理解。

(2)变压器和电机的各种运行状态和特性——变压器的运行特性相对容易理解些，而异步电机和同步电机较为复杂。各种电机均能在电动、制动、发电三种状态下运行，表现出的特性各不相同，且条件不一样，表现的特性也不尽相同，再如同步发电机的运行特性往往和电机参数测量问题联系起来，学生掌握起来较困难。

(3)变压器和旋转电机非正常运行的电磁关系及运行特性——这是让学生颇为棘手的问题，不知如何去分析。例如变压器不对称运行时零序电流的问题，往往和三次谐波电流混淆。同步发电机突然短路过程分析，涉及相当多的电抗概念，学生掌握有一定的难度。

2.2 科研成果转化为教学资源的若干案例

1)电力变压器状态检修

笔者所在的科研团队近年来致力于电力变压器的状态评价、检修决策和故障诊断方面的研究，取得了较为丰硕的研究成果。电力变压器的状态检修与故障诊断涉及多学科，内容丰富。如何把相关的成果转化为教学资源？首先要把握“有机融合”原则，所选内容要有利于学生理解电力变压器的运行特性，利于理解变压器非正常运行，故障运行所表现出的特性。例如电力变压器变压器绕组变形问题，一是变压器绕组为什么会变形，绕组变形后对变压器的参数有什么样的影响；二是可以通过什么手段来检测变压器绕组是否变形等。同时把握“深度”和“宽度”，如：电力变压器在短路电流冲击下绕组受力、变形计算则不适合在课堂中详细讲授，频响法检测变压器绕组变形则涉及其它学科，无需详细讨论。

2)变压器励磁涌流问题

”电机学“教材中关于变压器空载合闸时的瞬变过程中励磁涌流的特征介绍得较少，这部分内容也和后续”继电保护“课程相关。电力变压器工作在线性区域，变压器铁芯没有饱和，其励磁电流非常小，差动保护不容易误动，但在一些过渡过程中，如正常的空载合闸，外部故障恢复，变压器铁芯容易在暂态过程中饱和，产生几倍甚至十几倍额定电流的励磁涌流，引起变压器差动保护误动。如何让学生直观了解励磁涌流的特征，笔者先通过实测的变压器空载电流展现，对实测电流的频谱分析，帮助学生理解励磁涌流产生的原因、励磁涌流的特征。其次，通过电感参数的数值计算，展现了电抗参数和磁通，即磁路饱和程度的关系，利于学生理解电抗的概念。同时结合相关的科研，介绍励磁涌流的抑制措施。

3)双馈电动机的变频调速

按转子结构划分，异步电动机主要有两类：鼠笼式异步电动机和绕线型异步电动机。若将绕线式异步电动机的定子直接联接到三相对称工频电网上，而转子侧也施加三相对称交变电流，就演变为双馈电机。作为发电机，双馈电机主要应用在风力发电中，通过改变转子电流频率，改变转子的转速，实现最大风能捕获控制。近年来，国内外对双馈风力发电机有深入的研究，取得丰硕成果。作为电动机应用，同样的，若改变转子电源的频率可以改变转子的转速。双馈电动机调速时只是改变转子侧电源频率，转子侧的变频电源只调节电动机的转差能量，在调速范围比较小的情况下，变频装置的容量大为减少，一般为电机容量的25%～35%，降低了调速系统的制造成本。

在异步电动机调速的内容中，引入双馈电动机科研成果的内容，一方面，介绍双馈电机在风力发电中的应用，会拓展学生的知识面，另一方面，拓展了异步电动机调速的思路，对学生理解交流电机的磁动势平衡关系有所帮助。

3 科研成果引入课堂教学的成效

将相关的科研成果融入“电机学”课堂教学，最终目的是提高学生的学习兴趣，加强对课程内容的理解。我们适时组织了和学生代表座谈交流，收集学生的意见，同时对相关的知识点测评，了解学生掌握知识点的程度，更好地做好“深度”和“宽度”的把握。在与学生座谈交流时，确有学生毫不客气地提出课堂教学中“有些拓展的内容是不合适的”，有些学生不感兴趣，也理解不了。这就需要我们反思，引入的内容是否合适，占用的时间是否过多，是否超出学生接受能力范围，从而逐步完善。

相关科研成果转化为教学资源在“电机学”教学中总的说来，取得了较好的效果。一方面有助于学生对课程重点和难点内容的理解，另外有助于提高学生科研素养，培养创新理念。同时科研成果的多学科相融合，也有助于提升学生综合能力。

4 结语

科研成果转化为教学资源需要坚持有机融合原则，适当把握其“深度”和“宽度”，同时兼顾创新性原则。在具体实践中，及时收集学生反馈的理解和接受情况，不断总结完善，使课堂教学获得更好的成效。

科研反哺教学，能够提高学生独立发现问题、分析问题、解决问题的能力，能够优化课堂教学内容，在提高教师的科研水平和教学水平等方面也有积极的推动作用。