以学生为主的“控制电机”课程教学方法

徐金全，郭 宏，吴 静

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

0 引言

随着多电/全电技术的不断引领和推动，控制电机作为自动控制系统的重要组成部分，承担着系统执行和检测的功能，被广泛地应用于各种伺服系统和电力驱动装置中[1]。因此，控制电机已成为现代工业自动化系统、科学装置和武器装备中必不可缺的重要部件。

目前，国内外高校普遍将“控制电机”课程作为电气工程专业的专业必修课程。但是这门课程综合性强，内容涉及电机、控制、机械、电力电子等相关理论和知识，理论复杂抽象[2]。长期以来，该课程以课堂教学为主，以电子课件的形式讲解各种控制电机的基本结构、工作原理、性能特点和典型应用，同时根据教学内容开设少量验证性教学实验。这种教学方式使学生难以熟练地掌握各种控制电机的特性，学习难度大，造成学生对“控制电机”课程学习的积极性下降[3]。从长远角度出发，对我国控制电机方面的人才培养和技术创新是非常不利的。因此，开展基于以学生为主的课堂和实验相结合的教学方法研究，采用以学生为主、教师为辅的教学形式，结合我校工科的特点，突出“控制电机”课程的教学环节，通过“基础类-综合类-创新类”三个层次的课程实验，加强学生对各种控制电机基本原理和特性的理解，培养学生的动手能力、应用能力和创新能力，如图1所示。

图1 “控制电机”课程教学体系

1 以学生为主的课堂教学

人才培养是高等教育的基础，而课程教学是高等教育最重要的环节，其直接影响到人才培养的质量。传统的“控制电机”课堂教学主要采用灌输式的教学，教师作为教学的主体，讲解和传授各种控制电机的基本结构、工作原理、性能特点和典型应用，学生作为听众，被动地消化吸收教师讲解的内容，缺少独立思考的空间，使得课堂教学效果不理想，学生兴趣不浓厚，主动性差。

为改变传统的教学方式根据“控制电机”课程的特点，决定采用以学生为主、教师为辅的教学形式，结合我校工科的特点，在强调基础理论教学的同时，突出各种控制电机在实际工程中的作用，增强学生对各种控制电机基本原理的理解，激发学生对学习本课程的兴趣，具体改革措施如下。

1.1 启发式教学，激发学生兴趣

教学过程是一个知识传授的过程，教师讲授了知识并不等于学生获得了相关的知识，学生只有通过自己的思维活动才能真正掌握教师传授的知识。因此，采用启发式的教学方法，激发学生的兴趣，引导学生主动地去思考问题、解决问题，可以显著地提高学生掌握知识的能力。在“控制电机”的课程教学中，在每章课程内容开始讲授时，结合相应的工程背景(如航空航天领域)需求，引出各种控制电机产生的原因，存在的问题，激发学生的兴趣，引导学生自主地思考和探索各种控制电机的基本结构和工作原理。启发式教学内容主要是各种控制电机的应用背景、基本结构和工作原理，占每次课堂教学的30%～40%。

1.2 多媒体教学，加强对知识理解

由于控制电机结构复杂，基本工作原理抽象，传统的教学方法(板书、挂图)难以有效地将电机的整个工作过程特性等相关知识传递给学生，造成课程内容理解困难。而在控制电机的课程教学中，引入多媒体教学，通过SolidWorks等三维软件更加清晰地展示各种控制电机的内部构造等结构特点，利用Ansoft Maxwell等电磁场有限元软件对控制电机的工作特性、电磁场变化等进行动态的模拟，使学生对控制电机的基本结构和工作原理的理解更加深刻，如图2所示。课程教学中，每章介绍一种控制电机，引入一个SolidWorks电机三维模型和一个Maxwell电机电磁场模型，总共12种SolidWorks电机三维模型和12种Maxwell电机电磁场模型。

图2 双定子无刷直流电机三维结构图

1.3 翻转课堂，培养学习自主性

翻转课堂是美国学者于21世纪初提出的，将传统的课堂教学结构进行翻转，让学生在课前完成相关知识的学习，在课堂上完成知识的吸收与掌握的一种新型的教学模式[4]。在“控制电机”的课堂教学中，在每次课堂教学的最后10～15 min安排翻转课堂(学生讲堂或课程讨论)，讲解的内容可以是教师指定内容(如交直流测速发电机的对比、直流与异步型交流伺服电机对比、永磁交流伺服电动机与无刷直流电动机的对比、步进电机与开关磁阻电机的对比、直线电机与旋转电机的对比)，也可以是学生自选(学生根据自己兴趣自选一种控制电机，详细讲解电机的结构、工作原理、典型应用等)。通过这种翻转课堂，学生课下通过检索文献、组织素材、撰写课件，完成课程讲解及问题讨论，教师充当知识的向导，负责凝练关键问题和引导讨论、总结知识点。翻转课堂占每次课堂教学的10%～15%。这种方式既可以增强学生的学习自主性，又可以培养学生独立地发现问题、思考问题和解决问题的能力。

2 实验教学

“控制电机”课程是一门重要的理论和实践相结合的综合性课程。实验教学是培养学生对控制电机基本操作技能和创新应用能力的重要途径[5]。结合我校工科的特点，依托学院“电机及其控制实验室”和“电源与电力电子实验室”，通过科研成果向教学实验平台的转化，形成“基础类-综合类-创新类”的多层次实验教学体系，从多角度、多层次、多途径培养学生的动手能力、解决实际问题的能力以及综合创新能力。其中，基础类实验和综合类实验是所有学生必选的实验，各占实验学时的50%。创新类实验是具有挑战难度的实验题目，不是所有学生必选的实验，也不占用实验学时。为了鼓励对控制电机感兴趣的学生勇于选择具有挑战难度的创新类实验，在控制电机课程的考核时，增加了额外加分项。

在基础类实验方面，主要开展交直流测速发电机测速实验、直流伺服电动机调速实验、自整角机随动实验、旋转变压器角位移测量实验等，占实验学时的50%。通过基础类实验，加强学生对控制电机基本结构和工作原理的理解，培养学生的基本实验操作能力。

在综合类实验方面，学生自由分组，对无刷直流电机系统和永磁同步电机系统进行建模仿真以及实物系统伺服控制实验，占实验学时的50%。通过综合类实验，培养学生的团队合作能力，提高学生的综合实验能力。

在创新类实验方面，实验的题目由教师确定或者学生根据课外科技实践活动(大学生科研训练计划“SRTP”、北航“冯如杯”科技竞赛)自拟题目，学生通过文献调研、理论仿真分析和实验测试等完成创新类实验的全部内容，并撰写完整的研究报告。每年创新类实验的题目各不相同，但都是与“控制电机”课程内容相关的题目，例如机械臂一体化关节设计与控制。通过创新类实验，培养学生的科研创新思维以及发现问题、分析问题和实际解决问题的能力。参加创新类实验的学生通常占所有学生的30%～40%，创新类实验不占用课堂时间，学生利用自己的课余时间完成，通常时间跨度为整个学期。

3 考核体系

课程的考核方式对课程的教学效果有重要的影响作用。传统的课程考核普遍采用考试成绩作为课程学习的唯一评定标准，使得部分学生平时课程学习不认真，知识点理解不深刻，教学效果差[6]。鉴于此，“控制电机”课程的考核方式采用“平时成绩+课程作业+实验成绩+期末考试+创新类实验额外加分项”的多维度综合考核方式。其中，平时成绩表现为学生控制电机课堂学习过程中的综合表现，占总成绩的10%；课程作业表现为学生翻转课堂文献总结、课堂展示、问题讨论等的综合表现，占总成绩的10%；实验成绩表现为学生实验教学过程中的综合表现，占总成绩的20%；期末考试为开卷考试，反映学生对课程知识点的理解与掌握程度，占总成绩的55%；创新类实验额外加分项反映学生完成的创新类实验的难度及完成效果，占总成绩的5%。创新类实验额外加分项鼓励对控制电机感兴趣的学生勇于选择具有挑战难度的实验题目。这种多维度的综合考核评价体系，不仅要求学生在课堂中积极掌握基础理论知识，还鼓励学生充分利用课后时间，开展与控制电机课堂内容相关的探讨和实践，增强学生对控制电机课程内容的理解和应用。

4 教学改革成效

改革成效是教学方法研究的重要组成部分。经过不断的研究、探索与实践，以学生为主的“控制电机”课程教学方法有效地提升了学生对课程的学习积极性、理解性，改革成效显著。

从学生评价方面，学生对课程内容的兴趣、收获、考核等方面的满意度由83.5%提升到95%；从教师自评方面，学生的出勤率由89.5%提升到100%，课堂氛围活跃，学生对课程知识的理解和自我学习能力得到显著地增强，期末考试成绩平均分由82.9分提升到90.8分；从学院督导组听课评价方面，课程内容充实先进、理论联系实际，注重启发式教学，培养学生的实际工程应用能力，师生互动性好，学生听课积极性高。

5 结语

根据“控制电机”课程理论的特点，依托我校电气工程专业的学术优势，开展了基于课堂和实验相结合的教学方法研究工作。

工作结果形成了以学生为主、教师为辅的课堂教学形式，“基础类-综合类-创新类”的多层次实验教学体系，以及基于“平时成绩+课程作业+实验成绩+期末考试+创新类实验额外加分项”的多维度综合考核方式。实践证明，该方法可以有效地调动学生学习控制电机课程的积极性，增加学生对各种控制电机工作原理的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力以及综合创新能力。