场论分析在电机类课程教学中的探讨

姚舜才

（中北大学 电气与控制工程学院，山西太原 030051）

2009 年5 月，国务院印发的《装备制造业调整和振兴规划》提出装备制造业振兴规划、实施新能源汽车等战略要求，同时要求立足自主创新，突破关键技术[1]。这对电机及运动控制系统提出了更高的要求，工科高等院校的相关专业在人才培养和科研创新方面需发挥特长作用。电机作为工农业及交通等各行业的重要设备，在装备制造、传动控制以及交通运输等方面有着重要作用。如何做好电机类课程的教学工作，使之能够更适应国家经济建设和社会发展的需要，培养关键学科领域的高素质紧缺型人才，成了工科高校面临的重要课题和任务[2]。针对这种情况，本文对工科高校自动化学科的电机类课程教学工作进行了思考和实践。

1 自动化学科电机类课程教学现状

电机类课程是自动化学科的主干课群之一，其课程内容主要包括：电机与拖动基础、电力拖动自动控制系统以及控制电机等。作为整个控制系统的执行环节，电机及其控制具有非常重要的作用。当前，各种新型驱动的电机对系统控制的要求在不断提高，这就需要不断充实电机类课程的教学内容，改进该类课程的教学方式和方法[3]。

1.1 理论分析重“路”轻“场”

当前，大部分高校的自动化学科的电机类课程对于电机运行的基本原理在阐述时依据的是“路”的理论，目的是与教学传统和整个学科体系的课程安排相适应。

以电机与拖动基础课程为例，该课程对于各种常用电机原理的分析基本以磁路分析方法展开。基于这样的考虑，课程安排几乎没有涉及对于电机磁场的分析，对于电磁现象，特别是电磁变化的非线性特性涉及很少。尽管在电机运行分析时以线性磁路为主，但涉及对电机控制的解释时，学生容易感到力不从心。

在电机类课程的教学过程中，重“路”轻“场”，甚至无“场”的思想，影响了学生对后续课程的学习和整个学科体系的构建[4]。

1.2 教学模式与当前人才培养要求不适应

动车、电动汽车、高速磁悬浮列车等的快速发展对电机本体设计及其电机控制系统的发展提出了较高的要求。例如，对于轴向磁通电机，使用磁路方法很难给出电机的等效电路，同时，对于电机的端部效应及其漏电抗计算也比较困难。再如，对于直线电机，由于电机绕组的电抗不对称，单纯使用传统的电机分析方法，很难取得令人满意的效果。同时，社会对驱动电机及其控制的高级科技人才的需求也在不断增加，因此，对电机类课程教学内容进行改革是非常必要的。

2 电机类课程教学存在的问题

2.1 传统自动化学科的定位不准确

通常认为，传统自动化学科为信息类学科，因此，在人才培养和课程安排方面基本倾向于信息类学科，比较重视信号、信息处理方面，而对于驱动控制、电力电子技术等方面的关注较少，这与自动化学科的发展有关系。然而，近年来，随着社会经济的发展和专业结构的调整，特别是我国在轨道交通方面的快速发展，对自动化学科的发展提出了新的要求。自动化学科不仅需要在信息领域保持较为鲜明的特色，还应该在驱动控制方面具有一定的竞争力。一方面对于电机的控制离不开信息的控制，另一方面可以为抽象的控制找到一个良好的控制对象。然而，要控制好电机，仅依靠“路”的分析还远远不够，需要应用“场”的观点来进行分析，只有运用“场”的观点，才能对各种新型驱动设备建立良好的数学模型，才能对其进行有效的控制[5]。

2.2 课程设置存在问题

基于前述的相关分析，自动化学科相关专业的课程设置对于“场”的内容较为欠缺。因此，在电机及其控制类课程开设时，进行基于“场”的分析就变得较为困难。在教学时，即使教师有使用“场”的理论进行分析的意愿，也因为学生基于“场”的理论基础较差而难以展开。在课程内容的安排衔接上，一般工科专业的数学基础都包含多元函数微分学和梯度、散度、旋度的内容，这些内容也是进行场论分析的基础。然而，结合现实情况来看，很多院校在自动化学科相关专业的课程安排上缺乏这些内容的后续课程。例如，高等数学中的曲线积分、曲面积分等知识点在电磁场分析中占有很大的比例，而且其对于电机原理及运行性能的分析也是必不可少的。然而，在自动化学科的电机类课程中，由于不需要进行基于“场”理论的分析，这部分内容没有后续课程内容作为衔接[6]。

2.3 教师专业水平有待提升

其一，一些教师认为自动化属于信息类专业，对于场论分析不必过于重视。当前，我国在交通运输方面发展较快，这离不开电机驱动系统的发展和进步，而高速高效的电机驱动系统，特别是大功率电机的运行分析，离不开基于“场”的分析[7]。场论不仅对于电机拖动系统的分析有着重要意义，而且也是分析新型电机和拖动系统的重要依据。忽视场论这种有力的分析工具，无疑很难有效地说明电机的工作原理及其控制系统。其二，一些教师对于使用场论来分析工程问题的能力欠佳。众所周知，电机类课程属于工科专业课程，一些教师认为工科专业主要是面向生产部门，因此，在教学过程中主要给学生讲授常用的经验公式，而对于稍微有些理论深度和难度的场论分析，则认为学生在将来的工作中用不到，所以未进行讲授，久而久之，教师自己的理论水平也会有所下降。很多教师在电机类课程的教学过程中逐渐将场论分析的内容边缘化，最终将其排除在了教学内容之外。然而，当前我国的产业转型迫切需要创新发展，没有场论分析这个强大的理论工具，在电机及其控制领域很难实现创新[8]。

3 改进措施

从以上分析可以看出，在自动化学科的电机类课程教学中加强电磁场理论知识的教学是迫切的[9]，这不仅关乎整个学科知识体系的完备性，也关乎人才培养的模式。鉴于此，笔者提出以下两点建议。

3.1 教学内容的改进

由于在电机类课程中缺乏电磁场理论的基础内容，很多富有创新性的知识难以展开。要改变这种状况，首先应该在教学内容方面进行改革[10]。然而，自动化学科类的专业毕竟与电气学科类的专业不同，难以开设很多与电磁场分析有关的课程，这就需要对电机类课程的教学内容进行调整。对于电磁场分析所需运用的数学和物理基础知识，大部分工科院校在大学二年级上学期就已经讲授。因此，可以考虑在大学二年级下学期开设要求略低于电气学科类专业的选修课程。这种选修课程的学时不宜过多，内容不宜与电气类的电磁场课程完全相同，而应该突出电机类课程中可能要用到的电磁场理论知识，同时还应该兼顾趣味性，以激发学生对电磁场分析理论的学习兴趣，从而进一步展开电机类课程的学习。

如果由于一些原因无法开设选修课程，教师可以在开展电机类课程教学时，进行一些电磁场知识的预教学或在需要这些知识的时候进行穿插教学，然后在各种电机工作原理的教学过程中，有意识地将电磁场理论知识与磁路知识有机结合，增强学生使用电磁场理论进行电机工作分析的能力[11]。

3.2 教学方法的改进

电机类课程是理解难度较大的课程，电磁场理论课程也是有一定难度的课程。这两类课程叠加学习，初学者可能会觉得难度太大。因此，在电机类课程中进行电磁场理论分析，有必要对传统教学方法进行调整。

一方面，教师要使学生能够准确理解所学的知识。对于电磁场理论在电机类课程中的应用，主要通过以下几个方面来增强学生的认知：第一，运用动画和PPT进行演示[12]。在上课时，教师可运用PPT 和相关动画来演示电磁场理论和电机运行的基本原理，同时配合主讲教师的讲授，这种方法目前已经较为常见。第二，在实验课时，着重讲述电磁场理论在电机类课程中的应用。在进行实验课教学时，教师需要在实验过程中向学生讲授实验现象产生的原因，将电磁场理论的教学有机融入实验过程，将理论与实践结合，同时丰富学生的知识体系。第三，积极开展对虚拟实验的探索。电磁场的变化难以用肉眼直接观测，电机在运行时的电磁变化也是难以直接观测的。欲使学生更加直观地获取知识，积极推进和开展虚拟实验是非常有效的途径。目前，关于电磁场及电机运行方面的虚拟实验素材还不多，教师需要在这方面不断努力，构建较为完备的虚拟实验素材库，以便能够为学生提供更加丰富的知识素材。

另一方面，在电机类课程中电磁场分析内容的教学中，教师还应该加强对相关软件的使用[13]，这些软件主要是关于电磁场仿真方面的。电磁场仿真软件可以帮助学生直观且准确地理解电机中电磁场的变化规律和情况。教师可以在课堂教学中穿插进行电磁场仿真方面的教学，同时在课后作业中也可以布置一些电机中电磁场仿真作业的练习，以便巩固课堂教学的成果。

4 结语

电机类课程是自动化学科的核心课群之一，既关系到人才培养问题，同时也和我国的社会经济发展以及制造业的升级有密切关系[14]。只有将此类课程的教学改革工作理顺，才能促进自动化学科学生的知识结构体系不断完善，进而更好地为国家和社会的发展贡献力量。