基于JMAG软件的《电机学》翻转课堂教学实践探索——基于JMAG 软件的课堂翻转教学

郭玉敬

（河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100）

1 问题介绍

电机学是电气工程及其自动化专业的一门主要技术基础课，是一门集电、磁、机械为一体的课程，涉及多物理场知识，且较多原理性内容。传统的电机学教学方法主要为课堂教学和实验教学两个方面: 课堂教学以文字和图片为素材，难以生动形象地介绍原理性内容，且采用学生听、老师讲的方式，学生参与度很低，学习效果不理想，而实验教学对电机原理性内容涉及很少。因此从传统的教学方式中学生很难对电机学中的一些原理性问题有充分的理解和认识，课堂改革十分必要。

翻转课堂是近年来实施有效的教学方式之一，它能充分调动学生的学习兴趣和学习积极性，将讲授型课堂变为引导性和讨论性的课堂。因此可将翻转课堂引入到电机学教学中，将部分重要但又抽象的内容进行翻转课堂学习是十分必要的。

翻转课堂教学方式需有可操作的平台工具才能达到预期效果，有限元软件具有可视化操作是一种不错的选择。JMAG 软件是近年来新兴的有限元分析软件，相比ANSYS 等有限元软件，该软件操作简单，模型参数可通过界面进行参数设置，且界面十分友好，短时间内便能掌握电机基本参数的设定，还可展示电机不同参数下的磁力线分布，在不同负载下的特性输出等。因此电机学课堂中可引入JMAG 软件，以提供翻转课堂中的快捷有效的平台工具。

2 电机学翻转课堂案例

2.1 准备工作

在教学内容方面，教师应对翻转课堂的教学内容有所选择，需结合教学进度选择重要却难理解的内容为翻转课堂内容，必要时可以将几点内容合为一堂课进行翻转课堂教学，因此要在开课前提前进行内容规划。

在教学组织方面，应提前给学生划分课堂小组，每班划分若干小组，小组成员不宜太多，便于小组成员之间相互交流和讨论，并互相合作完成课堂任务。

在平台及工具准备方面，可让学生进入学校电机学学习平台，若学校没有学习平台可建立微信群、QQ群等进行布置任务、材料发放、材料收集等工作。另外在翻转课堂开始前需拿出时间让学生对JMAG 软件进行熟悉，必要时进行课堂学习，帮助学生做到熟练改变电机参数，并熟悉各性能参数的显示界面。

2.2 任务下达

翻转课堂需给学生留充分的准备时间，因此任务下达时间应较课堂时间至少提前一周。内容可以一个教学难点为主，涉及2～3 个其他教学难点或重点，并告知学生可自行有延伸。

该文以异步电机变极调速为例进行说明。提前一周时间让学生进行准备工作，并以变极调速内容为主，要求学生在电机结构不变的前提下，在软件中设置异步电机定子极对数为1 和2（或者极对数更多），观察电机绕组的连接情况，计算当前参数设置下的磁场分布，并观察磁力线分布情况以进一步确认电机的极对数，同时将定子磁场旋转转速与电机转速关系，及主、漏磁通等内容相结合进行课程内容的讲解，并要求在课堂上要进行参数的实时改变。

2.3 课堂内容

学生根据所布置内容进行相关内容的准备，并在课堂中通过软件实操的图形及其变化进行讲解。在JMAG 软件中，学生自行设置极对数参数观察绕组连接的变化形式。

图1 电机极对数p=1 对应的绕组连接

图2 电机极对数p=2 对应的绕组连接

如图1和图2分别为设置感应电机1 对极和2 对极时对应的绕组排布，学生对绕组的排布进行分析，从而巩固绕组排列方式的相关内容复习，增强了学生对定转子结构及绕组排布方式的认识程度。有限元软件不但可以展示绕组连接图，还可结合电机界截面图直观看到各槽间的绕组连接方式，这比传统的绕组连接图更直观，更好理解，帮助学生在电机结构的空间分布上有更深刻的认识。在讲解过程中注意引导学生思考，在连接方式可变的情况下电机需要具备哪些条件，是不是可以任意连接改变的等启发性问题。

图3 磁力线分布图(a) p=1,(b)p=2

通过绕组连接图难以对电机极对数进行直观观察，因此需要通过磁力线分布图来帮助学生进行感性认识。图3(a)和(b)分别为图1和2 中绕组连接方式下对应的磁力线分布图。从磁力线分布图中可以很直观地看出，电机的极对数分别为1 和2。这两个图对应的电机定转子结构并未改变，改变的只是绕组的连接方式，因此加深了学生对变极调速的概念和应用的理解。此外，让学生观察磁力线的分布可区分主磁通和漏磁通，观察磁力线的动态旋转图可分析转子转速与磁场转速的关系，帮助学生更好地巩固相关内容。

3 教师点评

电机学翻转课堂需在教学内容和安排上做充分准备。教师在课下对学生案例中可能遇到的问题做提前预知，否则可能不能很好地把握课堂时间。最初的翻转教学可指定成绩较好的同学开始，这样开始就有好的效果，便于持续执行，良性发展。

不宜将每个知识点进行案例教学，不仅要看知识点是否重要，还要看对其他内容是否有帮助，是否可在同一案例进行不同内容地穿插讲解，有效利用好每一堂反转时间，提高课堂效率。

每堂课结束后应进行及时总结，遇到问题时及时更新课堂操作方式，为下一次翻转课更好地进行做好充分准备。

4 结语

文章以电机学中异步电机变极调速为例，对电机学教学中采用有限元JMAG 软件以翻转课堂形式进行内容学习进行了介绍，对采用这种教学模式下应注意的问题进行了分析。JMAG 软件能够将抽象的电机原理直观地以图画及动画形式表现出来，翻转课堂能够让学生有效参与到课堂中，提高学习效率和学习兴趣，因此有限元软件地翻转教学是可行的。但这种模式引入电机学课堂要根据课堂需求判断，将几个重点且抽象的知识点放在同一堂课，利用有限元软件进行翻转学习可收到事半功倍的学习效果。