基于电机设计类课程问题导向的思政元素教学探析

安国庆，孙会琴，闫彩红，薛智宏，马世博

（河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 050018）

河北科技大学电气工程学院的办学定位是紧密结合区域经济建设，培养高素质应用型电气工程人才。“电机优化设计”课程所在的电机与电器学科方向以及“电机设计及仿真技术”课程所在的电气工程及其自动化专业，每年为河北省变压器、电机等优势特色行业输送大量人才。大部分毕业生在和电机相关的龙头企业如保变电气、河北电机、新四达电机、长城汽车等担任技术骨干。然而，电机设计类课程在传统教学过程中存在电磁理论形象化不足、设计优化方法与工程应用关联困难、学生对行业前沿了解不足等问题。同时，为深入贯彻教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》要求，亟待以解决上述问题为导向，对课程思政教学融入点开展相关设计，使课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，达成全方位育人效果。课程将电机人爱国主义情怀、科学典故的工匠精神、辩证唯物主义方法论、时事政治等元素类型巧妙设计，融入课堂讲授给学生。

一、基于唯物辩证法融入的课堂教学课程思政理念创新

现存问题是课程理论性强，涉及电、磁、力、热、机械等多门学科，知识信息量大。要求学生具有一定的空间想象能力和逻辑分析能力。电机设计的特殊问题容易在不同电机类型之间相互混淆，电机性能优化过程中，各参数指标相互制约，学生难于分析取舍。针对以上问题，根据电机设计类课程特点，将唯物辩证法融入课程学习。

（一）普遍性和特殊性理论

在讲述电机的分类时，根据供电形式分为直流电机和交流电机，引入“电流之战”。以爱迪生和特斯拉为主交直流电之战后，交流电称为电力系统的主要方式，在20世纪90年代之前，直流电动机由于起良好的调速性能在电力拖动中得到广泛应用；随着电力电子和新能源发电技术的发展，实现直流电的远距离传输，同时推进了交流电机调速特性的大幅提高，变频技术广泛应用。“电流之战”谁是赢家？——矛盾是普遍存在的，矛盾是事物联系的实质内容和事物发展的根本动力，人的认识活动和实践活动，从根本上说就是不断认识矛盾、不断解决矛盾的过程。利用唯物辩证法中矛盾的普遍性和特殊性关系，可用于帮助学生分析不同电机类型设计过程中的“共性”和“个性”，提高对课程知识体系掌握的效率。例如，可围绕磁路计算的原理，对电机磁路计算涉及的极弧系数、电枢长度、气隙系数、电磁计算步骤、流程进行“共性”讨论；在此基础上，对不同电机类型磁路构成、磁极结构特点进行有“个性”的特色讨论，帮助学生对不同电机知识点互通理解。

（二）“主次矛盾”和“量变质变”理论

在电机参数优化过程中，引导学生利用辩证唯物主义理论进行分析，用“矛盾”的视角进行电机参数优化调整，培养学生抓住并解决主要矛盾的能力（例如启动电流和启动转矩相互矛盾的问题等）。在保证电机性能满足基本要求的参数变化范围内（未发生质变），进行寻优调整（把握量变的度），以提高学生辩证性分析和解决问题的能力。

二、基于电机设计案例库的“绿色节能”意识的强化

现存问题：电机设计基本理论以及电机电磁设计内容抽象、枯燥，引导学生将与工程应用进行关联较为困难。针对以上问题，以典型电机产品设计为载体，建设面向“节能减排”技术改造的电机设计案例库，针对不同教学内容，采用不同实例导入。在提高教学效果的同时，强化学生“绿色节能”意识，解读国家加大节能、降耗、排污排废，淘汰落后生产能力的综合治理力度及有关政策，加深学生对于“碳中和、碳达峰”国家发展战略目标的理解。

1.引入永磁直驱变频电机应用到电力行业煤磨机、皮带输送机、球磨机等，利用低速大扭矩永磁直驱电机取代传统“异步电机+变速箱”的技改应用案例，提高学生节能责任意识。

2.通过唐任远院士的稀土永磁电机用于电动汽车驱动的电机特性，学习八旬老电机人的爱国主义情怀和科研成就。以丰田Prius电动汽车驱动电机优化技术革新为例，号召学生广泛了解新能源汽车行业动态，介绍其永磁电机经历I代到IV代的磁路结构优化的设计演变，积极学习国外先进的技术经验，拓宽学生的国际视野。让学生树立起对未来职业敬畏、对工作执着、对当前电机产品负责的态度，以及通过团队合作不断追求完美的精神。并以V型磁路永磁电机为例，结合同步电动机的Ansoft计算机软件辅助设计强化电机设计内容与工程应用的关联性。

三、基于电机设计行业“大国重器”的课程内容导入

现存问题：学生在学习过程中，聚焦点仅放在课程内容本身，对电机行业发展的最新动态及前沿技术应用情况往往不会积极主动关注。针对以上问题，在课程讲授过程中，适时引入电机设计行业强关联的“大国重器”，明确课程背景，增强学生民族荣誉感和自豪感，激发学生对课程中蕴含科学问题的兴趣。

（一）TQ-800永磁同步电机——将中国高铁牵入400公里时速

将2019年9月17日一则行业新闻“400公里时速高铁有戏，我国研发成功新一代永磁牵引电机”作为同步电机引言部分的课堂导入，利用大国重器“复兴号”作为铺垫，在该背景下重点介绍中车株洲电机公司研发的时速400公里高速动车组所用的TQ-800永磁同步牵引电机。阐明该电机技术创新特点，例如，利用封闭风冷及关键部位定向冷却技术解决温升问题；采用新型稀土永磁材料解决了永磁体失磁的难题等。罗列说明采用同步电机作为高铁牵引电机在功率密度、效率、环境适应能力方面的优势，有效激发学生电机优化设计方法的求知欲。

（二）“华龙一号”三代核电发电机组——实现中国核电强国的转变

向学生强调机组所有核心设备均已实现国产，以及我国目前完全具备批量化建设能力，可作为“国家名片”引领中国核电走向世界，用于增强学生的民族自信和专业自信。通过重点介绍“华龙一号”发电机研制过程中在电磁计算程序、冷却技术、绝缘设计以及定子结构的整体设计等自主创新优势，向学生展示国家在制造业崛起过程中发电机领域取得的巨大成就。

四、基于电机行业就业需求导向的“工程化培养”中思政元素融入

现存问题：本课程综合力、热、流体、机械结构、电路、磁场、材料等多学科内容，且多物理场之间相互耦合，各物理量之间关系复杂。在参考教材较少且学时有限的情况下，教师容易陷入重理论、重分析、重公式推导、轻工程实践的“教学陷阱”。针对以上问题，课程借助现代计算机辅助设计技术，结合大量工程案例库进行课程思政元素设计，引导学生根据工程特定应用情景，有针对性地进行电机优化设计，培养学生发现、分析、解决问题的能力。同时利用实践培养环节，将学生带入优质电机企业现场，利用企业工程亮点和优秀企业文化，潜移默化培育学生“工匠精神”。

近年来，新技术革命和行业变革接踵而至，电机设计行业对毕业生的要求不仅限于基于公式分析的电磁计算和图纸设计，而是要求熟练掌握如Ansoft、COMSOL等多物理场仿真软件，并利用磁场、温度场仿真结果的综合分析指导电机参数进一步优化调整，从而在电机设计岗位可具备快速、高效并适用于各类实际工况的电机设计或改造能力，适应行业发展需求。在此过程中需让学生了解各类特殊工况如易燃易爆、潜水潜油、频繁启动制动、低速大扭矩直驱等，在开阔学生视野的同时，帮助学生正确形成特殊情况特殊分析、理论联系实际、实事求是的科学态度。在“个性化实习”以及“春季小学期（个性化学期）”等实践环节，带领学生到区域内电机龙头企业实习，培育学生认认真真、尽职尽责、专心致志不懈怠的敬业精神，利用贴近工程实际的电机新技术、新工艺、新机型，引导学生追求突破、追求革新，增强学生“一门心思扎根下去”的信心和决心，不断积累专业优势，强化学生专注的职业素养。考虑到高校教师对最新的行业动态发展变化趋势了解得不够及时和准确，因此在实践环节把学生“送出去”的同时，还应把优秀电机行业企业专家“请进来”。河北科技大学连续多年聘请本校毕业的企业工程师到课堂兼职授课，在拉进企业教师与学生距离的同时，可从企业角度把电机设计过程中需重点注重的技术细节贯穿其中，该授课方式获得了学生的一致好评。在案例设计环节，由企业教师参与题目设计，通过学生3人结组的协同设计，给出同一电机设计案例的至少3套合格方案。在案例设计结束后，高校课程群教师和企业教师联合组成答辩小组并制定评比标准进行考评。在项目汇报的过程中，可大大促进学生的综合逻辑分析和判断能力的提升。在此过程中，企业教师会重点关注对电机设计方向感兴趣且有培育潜力的学生，学生也可主动与企业教师联系咨询。在学生和企业单位相互认可的情况下，可进一步签下就业协议，实现校企联合的“半定制化”式培养。

五、电机设计的国家标准和国际标准的教学灌输

电机的国家标准是国家有关部门在总结以往电机设计、制造和使用经验的基础上，从实际出发并考虑后续行业发展需要而对电机提出的一定要求的文件。它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。国家标准所规定的各项要求，是综合考虑了产品的实用性、技术上的先进性、经济上的合理性、使用上的可靠性和生产上的可能性而提出的。因此在电机设计课程讲授的过程中，要实时强调产品设计的出厂可行性，确保设计和制造的电机全面满足国家规定的各项要求。

随着我国电机行业的蓬勃发展，我国电机出口从长远来看仍处于高速增长阶段，尤其对高效节能电机及中小型特种电机等出口需求不断增长。因此，在课程教学过程中可通过“等效采用”和“参照采用”两种标准进行介绍讲解，拓宽学生国际视野。重点介绍在尺寸和功率等级，电刷、刷握、换向器、集电环，试验方法和程序，外壳防护、冷却方法和安装方式等方面和国家标准的区别。为进一步让学生了解实际电机加工工艺，在教材算例的部分，应适当举例加以说明。如异步电动机算例部分按理论计算出的定子冲片外径为0.253m，但在工程上冲片的加工生产要求通常采用5mm进位，因此还需按5mm为单位取值后，再返回先前步骤重新折算定子内径。

在讲授电机型号命名方式一般由“产品代号-规格代码-特殊环境符号”组成，在讲授我国电机发展史时，可引入“新中国第一代系列电机的诞生过程”的科研典故，为学生解读“工匠精神”的深层次内涵。例如，解放初期我国没有自己的工业基础和规范系统，采用了苏联国家规范系统，1952年我国中小型异步电动机J、JO系列产品诞生，首次规范了我国电机工业的技能系统。第二代J2、JO2系列在“大跃进”历史背景下，不讲求科学规律，导致电机性能不过关，引导学生树立“实事求是”的科学态度。结合“苏联撤走技术专家”“三年自然灾害”特殊历史时期，突出强调设计工作组艰苦奋斗、自主创新的民族精神。

结语

文中以河北科技大学电机设计类课程教学改革为例，针对课程改革过程中亟待解决的问题，开展了课程思政元素的教学设计与实践，在强化学生辩证性分析、增强民族自信、“工匠精神”培育、校企专创融合、工程标准灌输等方面达成了课程思政教学目标，并取得了良好的教学效果。课程注重课程思政建设模式创新，对其他高校电气类专业方向的相关课程具有良好的借鉴意义。