“电机及拖动基础”课程教学方法研究与探索

摘要：针对“电机及拖动基础”课程教学中的问题，如学生难以理解电机结构、公式繁多，以及课程涉及力学、磁场和电路多知识体系等难点，为取得好的教学效果，对教学方法进行了研究。在理论教学中，采用建模方式讲授电机、可视化抽象的概念、对比教学等多种方法，并强化实验目的性和考核。通过近两年该课程的目标达到度分析，说明采取的教学方法是有效的。

关键词：电机教学研究工程认证动画

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：

ResearchandExplorationofTeachingMethodsfortheCourseof"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"

CHENGLi*YAOWei

CollegeofComputerScience，South-CentralUniversityforNationalities，Wuhan，HubeiProvince，430074China

Abstract：Inresponsetotheproblemsintheteachingofthecourse"FundamentalsofElectricMotorsandDrags"，suchasdifficultyinunderstandingthestructureofelectricmotors，numerousformulas，andtheinvolvementofmultipleknowledgesystemsinmechanics，magneticfields，andcircuits，researchisconductedonteachingtoachievegoodteachingresults.Intheoreticalteaching，variousmethodssuchasmodeling，visualizingabstractconcepts，andcomparativeteachingareused.Andexperimentalassessmentanddataprocessingarestrengthened.Throughtheanalysisofthedegreeofachievementofthecourse'sobjectivesinthepasttwoyears，itisdemonstratedthattheteachingimprovementsadoptedareeffective.

Keywords：Electricmotor;Teachingresearch;Engineeringcertification;Animation

“电机及拖动基础”是自动化专业非常重要的一门必修课程，主要讲述直流电机、变压器和交流电机的原理、结构与运行特性，涉及知识面广，是电学、磁学和力学等多门学科知识的综合[1-3]。该课程在专业学习中起着承上启下的作用，具有非常重要的地位。学好该课程将为学习后续相关课程打下必要的理论基础[4-5]。众多学者对电机相关知识进行了广泛的研究[6-9]，也为课程的讲授提供了借鉴。

“电机及拖动基础”课程的授课对象为自动化大二下学期的学生，经过大学阶段一年半的前期学习，学生具备了一定的理论基础，但尚未接触过复杂系统的学习；此外，在这个阶段，学生的学习任务重，所学课程难度大，导致教学效果比较差。在课程教学中，学生反映的问题主要包括：（1）不清楚电机内部结构，难以理解绕组布置等知识，产生畏难情绪，对后续学习造成障碍；（2）难以理解抽象的磁场概念，特别是异步电机的旋转磁场；（3）概念和公式繁多，难以熟练掌握众多知识点并灵活应用。因此，如何对传统教学方法进行改进，以符合工程认证“学生中心，目标导向，持续改进”的理念，使学生更好地掌握课程知识，培养其多方面能力，是一个值得研究的课题。针对这些问题，本文在工程认证相关要求下，以该课程教学大纲为宗旨，对教学方法进行了探索，并取得了一定的成效。

1课堂教学的探索

传统课堂教学为教师采用多媒体和板书作为手段的教学模式，教师单向传输，学生被动接受，不利于课程教学[3]。为改善教学效果，教学采取了以传统方式为主，从建模角度讲解各种电机，将课程理论知识归结为一个个电路或函数模型，辅以课堂小视频、动画展示、比对教学等多种方式，并在实验环节中注重目的明确化、考察细致化。具体而言，理论教学主要做到以下几点。

1.1从建模角度讲授

电机课程是学生在本科阶段首次接触到的一个较为复杂的系统，既需要熟悉多种电机的结构，还需掌握它们的运行原理和启动、调速、制动等内容。在教学中，可以从建模的角度讲解各种电机。虽然电机是一个复杂的糅合了机械、电路和磁路的复杂系统，但可以给这个系统建立较简单的模型，掌握了模型后，通常只需要对模型进行分析，不用关心其实物结构。

1.2抽象概念的可视化

为了加深学生对电机结构的认识，在课堂上播放介绍电机结构的视频，如直流电机部分。视频包括模型演示视频和电机结构视频，通过这2个视频，让学生由简单的模型过渡到实际的电机结构，掌握电机各部分结构及其作用。模型视频展示直流电机的运行原理，可概括为“旋转的电路切割固定的磁场，产生交流电动势和电流，同时产生电磁力和电磁转矩”，在这一理念的基础上学习直流电机结构。结构视频展示电机实物图、加工及组装过程，同时加以讲解，能取得较好的学习效果。此外，还让学生在课堂上传看小型永磁直流电机的实物。

对于异步电机的学习，学生要形成定子的旋转磁场这一概念比较困难。针对这一问题，笔者采用MATLAB设计了一款异步电机旋转磁场运动的动画软件[10]，在教学中iV0kWLSDBT1DTfHE+bhASQ==加以演示，以可视化的动画展示不可见的磁场，能够取得较好的效果。图1为该软件系统的界面和部分运行瞬时图。

该软件以单层整距绕组为例，可设置定子绕组总槽数、磁极对数、电压幅值和频率等参数，用实线、虚线和细虚线3种线型展示三相绕组布置、磁动势和磁场的波形和形状，演示在电源频率发生变化时磁场转速的变化、在三相电压幅值改变时磁动势和磁场的运行[10]。通过动画演示，让学生更容易掌握旋转磁场的概念，并产生异步电机“旋转的磁场切割旋转的电路，产生交流电动势和电流，并产生电磁力和电磁转矩”和“通过三相绕组中的电流在空间和时间上的配合，形成电流的‘旋转效应’，从而产生旋转磁场”等观念。

1.3对比与类比

对比教学是一种在教学过程中着重体现教学内容之间异同关系的教学方法。对比教学法可以对多个知识点进行多方面和多角度的比较，变单向灌输式学习为双向互动式学习，有助于提高学生多方面能力，加深学生对知识点的印象[3]。在教学中，将学习的两种电机和变压器进行多方面的比较，增进学生对课程知识的理解。图2为教学中使用的该课程中电机及变压器相关知识的比较点。

除此之外，在教学中，还对日常生活的例子和课程知识做类比，用学生熟悉的知识类比新学的内容。例如：直流电机的理想空载转速可用骑自行车下坡进行类比，直流发电机外特性可和有内阻直流电源做比对，这样可以让学生更容易明白所学知识。

1.4适当拓宽学习内容

本课程实践性非常强，因此，在学习电机基本理论外，引入一些具体应用对学习非常有帮助，让学生了解学习该课程能做什么、怎么做。例如：在学完直流电机调速原理后，简单讲述H桥电路，介绍如何通过PWM方式实现直流电机的正反转和降压调速；在异步电机学习中，讲述三相逆变电路，以及通过SPWM算法实现异步电机的调频调压原理，并介绍异步电机在电动汽车上的应用，开阔学生的眼界。

除了采用上述措施之外，课程组还将所有的学习资料及时上传到学习通网上平台，包括课程PPT、课堂视频和实验视频，学生在课后可以通过这些资料进行自学。

1.5多种技术的应用

在教学中，还运用多种技术以提高教学效果，例如，MATLAB编程技术的应用将抽象的磁场具象化，展现异步电机的绕组布置、磁动势和磁场各种形态和运动。在实验中，要求学生运用MATLAB编程实现实验数据的拟合并绘制图形。此外，借助网络技术，将线上、线下教学结合起来。在线下上课时，录制讲课视频并保存在学习通中，让学生课后观看。平时测试在学习通上进行，任课老师批改后，可方便地由计算机统计每道题目的得分情况，及时反馈学生的学习状况，便于老师采取相应措施。图3为某次课堂测试选择题的得分统计图。

2实验环节的改进

除了理论课之外，课程还包括一定课时的实验。除了对理论课进行研究外，对实验也做了一定程度的改进。

2.1目的更明确

在实验中，任课老师提供实验报告电子档以让学生打印，让学生免于抄写实验目的和步骤等内容，按要求专注于实验和数据的处理。在实验中，做到逐步提高难度，要求学生从按实验指导书提供的线路进行实验到独立完成线路的设计和连接。每次实验中，除记录实验数据，还需记录电机的参数。例如，在直流电机特性实验中，不仅要求对实验数据进行拟合，得到电机的特性表达式，还需根据电机额定值等数据，由理论知识计算出电机的特性表达式，并进行比较。通过实验和数据处理，不仅让学生更深刻地理解相关理论，也能锻炼学生的动手能力和数据处理能力，训练其独立从事科研活动的思维。

2.2考察更细致

在实验环节中，做到考察细致化，所有考核都有明确的考察点。例如，实验前要预习，完成线路的连接图、实验步骤和参数记录表格的设计，并给出相应得分；在实验中，要求学生每完成一个项目都要找老师检查实验效果；完成实验后，还需处理数据，得出明确的结论，并回答实验指导书上的思考题。通过细致的考察，让学生更加认真地完成实验前的准备、实验过程和后期的数据处理，达到实验预期的目的。

3课程的教学评价

根据教学大纲要求，本课程由平时测验、平时作业、课内实验和期末考试4部分成绩组成，其所占比例分别为10%、20%、20%和50%，且期末考试卷面分高于一定分数才能通过课程考核。在大纲中，给出了4个目标达成度1～4及其组成。为了统计学生对各目标达成度对应知识点的掌握程度，对参与考试的学生卷面分值和4个目标达成度分别进行了统计和分析。表2给出了最近两年的统计情况。其中，2020级和2021级（大二下学期课程）参与统计的学生分别为157人和161人，期末考试题型相同，两次统计值分别为教学改进前后的值。由表2可见，在统计的4个目标中，目标1和3的达成度结果均有一定程度的改善，目标2和4则基本保存不变，说明本文采取的教学改进是有一定效果的。

4结论

为改善“电机及拖动基础”课程的教学效果，在传统教学方式基础上进行了研究和探索。在理论教学中，采用建立模型的方式讲授各种电机，并引入小视频和动画；通过对比和类比，适当拓宽学习内容。在实验环节中，明确实验目的，进行考察细致化，并在工程认证的背景下对该课程进行了考察。通过最近两年的课程目标统计，表明教学上的改进是有效的，并希望能够持续改进该课程的教学效果。

参考文献

[1]顾绳谷.电机及拖动基础[M].4版.北京：机械工业出版社，2020：1-6.

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[5]李红利，修春波，马欣.“电机及拖动基础”课程教学改革研究[J].电气电子教学学报，2017，39（4）：73-75.

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