徐 苏

西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621000

电能是目前人类生产和生活的主要能源，对人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用，作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中占据着重要的地位。随着“互联网+”时代的来临，对电机的要求不再是简单的提供动力，而是要实现精密控制和智能控制，因此需要将电机技术与自动控制理论、电力电子技术、计算机技术等现代科学技术紧密结合，适应智能化和机电一体化的发展趋势[1]。

电机及拖动基础课程以电力拖动系统中采用最广泛的电机及拖动为重点，对电机原理、特性以及在生产实践中的基础应用进行分析与讲解，主要讲述直流电机、异步电机和同步电机的基本结构、工作原理及运行分析，帮助学生掌握扎实的基础知识和基本理论，为创新打下坚实的基础，是自动化专业本科生的一门重要课程[2]，因此教好这门课具有重要的意义。下面将从课程特点、教学改革措施及教学效果三方面介绍笔者在电机及拖动基础课程教学中所做的探索。

1 课程特点

电机及拖动基础课程以高等数学、大学物理、电路理论及电磁场为基础，基本概念多，理论性强，专业特征明显，涉及的基础理论和知识面较广，包括电、磁、热、机械等综合知识，难以理解和掌握。在该课程的传统教学过程中，主要以讲授式的教学方法为主，即按照教材上的知识体系按部就班地向学生讲解，学生课堂听讲，再进行课后复习。但是，由于本课程的特点，随着课程的进行学生往往越来越难以理解所学知识，这是因为：（1）课程知识点多，随着学习的进行学生会因为理解不透彻而遗忘前面的知识点；（2）课程与电磁场知识紧密联系，由于电磁学知识掌握不牢靠，学生对知识点就很难理解；（3）由于对课程内容就很难理解，在实践中难以将理论知识应用于实际电机的分析与设计。学生对于课程容易产生畏难情绪，影响学习主动性，需要教师在教学中采取有效的教改措施，否则会影响教学质量。

2 教学改革实践

由前述分析可知，电机及拖动基础课程的性质决定了采用传统教学模式难以激发学生的积极性，导致其学习兴趣和主观能动性不强，同时也会影响学习效果，使得学生学习吃力，无法解决实际问题，最终导致学生对课程丧失信心，严重影响课程教学质量。针对这一问题，需要针对学生学习状况建立相应的人才培养模式。启发式教学以学生主动获取知识为主，而教师在教学过程中更多的是起引导作用，通过推动学生积极主动地学习课程相关知识，激发其学习兴趣，做到融会贯通，具体措施包括以下几点。

2.1 培养学生的好奇心和求知欲

好奇心能促进学生积极主动地学习，爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”因此在电机及拖动基础课程授课中，特别注意调动学生的学习兴趣[3]，主要通过以下几方面实现。

（1）在教学初期利用典型案例介绍电机的主要应用领域，包含一些日常生活中经常使用到的工具，如电瓶车、玩具车、电吹风及豆浆机等，同时包含一些新兴的智能设备，如手机、机器人和电动汽车等，使学生感到电机随处可见；介绍电机在不同领域的使用时，不是浅尝辄止—仅仅说明该设备用了电机，而是具体指出所采用电机的类别及其特点，为后续课程的教学打下基础。

（2）采用问题驱动式教学法，通过问题导向使学生将学习过程转化为解决问题的过程，在该过程中培养学生自主学习的能力和创新精神，教师在学习过程中主要起引导作用[4]。以他励直流电动机的调速为例，常规教学法会直接告诉学生调速方法有3种：降低电枢电压、电枢回路串联电阻以及弱磁调速，并给出相应的公式，但学生没有经过自己的思考往往不清楚为什么可以采用这些方法调速，而运用问题驱动式教学法则会按照如下步骤提出问题，解决问题，最终得出结论。

问题一：电动机有哪些运行状态，不同的运行状态其力矩有何不同？

思考一：当电磁转矩大于/等于/小于负载转矩时，电动机会分别加速/匀速/减速运动。

结论一：要对电动机进行调速，需要改变其电磁转矩。

问题二：如何改变电磁转矩？

思考二：由Te=CTφIa可知，要改变电磁转矩Te可改变磁通φ和电枢电流Ia。

结论三：可通过改变φ和Ia调速。

③做好河道清障工作。严禁恢复2013年洪水冲毁的违章围堤，按照《松花江流域防洪规划》相关安排，抓紧落实松花江流域干流河道围堤的退人退耕和围堤清除工作；结合灾后重建和江河治理，将河道内居住人员搬迁至安全区域。严格执行涉河项目审批制度，坚决杜绝侵占河道、私建滥建，确保河道行洪畅通和防洪安全。

问题三：如何改变φ？

思考三：可通过在励磁回路中串入调节电阻或降低励磁电压减弱φ；φ不可增加，因为他励直流电动机在额定励磁状态时磁路已接近饱和。

结论三：改变磁通φ是弱磁调速。

问题四：如何改变Ia？

思考四：由Te=CTφIa，U=RaIa+CEφn可得则可知通过降低电枢电压（不能升高电枢电压，因为超过额定电压，电动机可能损坏）和电枢回路串电阻（电枢回路固有电阻无法减小，所以只能增加）的方法可以减小Ia，相应的Te也会减小。

结论四：可通过降低电枢电压和电枢回路串电阻的方法使电动机减速运动。

思考五：降低φ时，由表面看电磁转矩Te=CTφIa降低，但由于，φ减小时Ia会增大，由Te=CTφIa无法判断电动机速度的变化，因此考虑电动机最终稳定之后若为恒功率调速则稳定之后Ia与调速前相同，电动机速度增大；若为恒转矩调速，可知电动机速度增大。

结论五：可通过减小磁通的方法使电动机加速运动。

由以上分析可看出，采用问题驱动式教学法逻辑清楚，思维缜密，引导学生主动思考，实现对已有知识的再发现，参与到知识的构建过程中，实现主动式学习。

2.2 优化教学内容 利用三维模型辅助教学

电机及拖动基础课程涉及各种不同的电机，包括直流电机、异步电机、同步电机等，而不同电机的基本原理与运行特性的不同可根据其基本结构的不同来解释。如果对于电机基本结构的学习不够清晰明了，掌握不牢靠，对后续的基本工作原理和运行特性的学习会产生不利影响，也会影响学生继续学习的兴趣和积极性。在实际讲解中，除了讲解教材内容，往往采用多媒体辅助通过图片展示电机结构，使得学生通过空间想象建立概念，但此种方法需要较好的空间想象力。还可采用实物展示的方法，通过拆解实际电机进行讲解，但实际电机内部结构很复杂，多种部件互相影响，对结构和绕组的理解反而产生影响。

以直流电机为例，直流电机分为直流电动机和直流发电机，直流电机具有可逆性，同一电机既可以做电动机也可以做发电机。要弄清楚直流电机的性质需要掌握其基本结构，但直流电机结构复杂，若采用实物或实际图片教学复杂的内部结构使得学生眼花缭乱，反而影响教学效果。另一种教学方法则是采用简化示意图（如图1所示），分别为电动机和发电机的工作原理示意图，图1上只标出主要部件，并通过对比说明电动机和发电机的异同，但依然不够直观，特别是在讲授换向器和电刷的作用时由于图片不够立体只能采用文字辅助说明。

图1 电机工作原理

以直流电动机工作原理为例，以图2为例进行讲解，图2a、图2b分别为2个不同时刻的直流电动机工作状态，在讲课时采用的辅助文字如下。

直流电动机的结构：（1）固定磁极之间接铁心，铁心上固定的线圈abcd；（2）换向片：互相绝缘的弧形铜片（组成换向器）；（3）电刷AB间接直流电源，电刷A接正极，电刷B接负极，电枢线圈中有电流流过；（4）电机工作时，电枢和换向器绕轴转动，电刷固定不动。直流电机工作时：a图，N极下ab受力方向向左，S极下cd受力向右，该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电机转子逆时针方向旋转。b图中，N极下cd受力方向向左，S极下ab受力向右，该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电机转子保持逆时针方向旋转。电刷和换向器实现了电枢绕组电流的换向，产生方向不变的电磁转矩，将输入的直流电能转换为机械能输出。

图2 电动机工作原理

由以上描述可看出，采用文字辅助讲解时，冗长且无趣，学生注意力一旦不集中就容易漏掉关键知识，导致对该部分知识掌握不好。针对教学上的这一难题，采用三维建模软件Solidworks建立了三维模型并形成视频。不同帧时的视频截图如图3所示，由图3可以看出，采用Solidworks建立直流电动机模型时保留了电动机的主要部分，包括磁极、电枢、线圈、换向器、电刷及电源，而通过视频播放，直观地展示了在电动机运行过程中电刷不变而电枢与换向器保持逆时针转动实现了电枢绕组电流的换向，产生了方向不变的电磁转矩，将输入的直流电能转换为机械能。由此可看出，采用Solidworks建造的三维模型以视频的方法生动地展示了电机的原理和运行过程，直观有趣，弥补了教材文字的不足，能够很好地激发学生的兴趣，吸引学生的注意，具有良好的教学效果。

图3 Solidworks建立的直流电动机模型

3 初步教学效果

通过一学期的实践，在课程初期利用典型案例介绍电机主要应用领域，使学生对该课程产生浓厚兴趣；在课程进行中采用问题驱动式教学法，通过启发式的提问使得学生实现主动学习，同时采用三维模型辅助教学激发学生兴趣补足单纯文字教学的不足，达到了预期教学目标。

通过与学生交流发现，改进教学法后学生学习更有主动性，对重点知识掌握更牢固，学习能力有了显著提高。表1为该课程的同一专业2014级和2015级学生成绩对比，其中2014级未采取教改措施，而2015级实施了文中提到的教改措施，从成绩来分析，在采取文中所述教改措施后，优秀率、及格率均有大幅提高，平均成绩也提高了8分，证明了教改措施的有效性。

表1 同一专业学生成绩统计

4 结语

目前所采取的教改措施仅仅经过了一学期的教学时间，证明了上述改革措施的有效性，提高了学生的学习兴趣，引导学生采取主动式学习，督促学生对所学知识进行深入思考，起到了良好的教学效果。在以后的教学中也将紧跟社会需求发展不断改进教学方法。