基于专业认证标准的“电机学”教学改革探索

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　　摘 要 工程教育专业认证对我国工程教育专业培养质量提出了新的要求。为了更好地适应人才国际化的要求， 提出了基于工程教育专业认证标准的“电机学”课程教学设计和改革。以重视实践能力、面向应用为基本教学目标，提出以成果目标做为主线的新的教学模式，并系统地、全面地给出了理论教学和实践考核方式的实施方案。通过教学改革，能够更好地培养学生分析 、解决问题的能力，培养出符合工程专业教育认证要求的学生。
　　关键词 工程教育专业认证标准 电机学 教学改革 成果驱动
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　0前言
　　我国于2013 年6月19日获得《华盛顿协议》全会全票通过，成为《华盛顿协议》第 21 个预备成员。加入《华盛顿协议》，表示我国获得认证专业其工程教育水准和国际工程教育水准拥有等效性，同时也意味着我们能够为工程教育类学生，提供具有国际互认质量标准的“通行证”，为学生们走向世界打下坚实基础;目前，工程教育专业认证已经在我国很多高校开始实施，认证工作对我国工程型人才走向国际舞台具有重大意义。认证工作的意义在于借鉴国际工程教育专业认证的优秀经验，构建出中国工程教育认证体系以及质量监控体系，从而推进中国工程教育改革，进一步提高高校的工程教育質量。促进中国工程教育的国际互认，提升国际竞争力。
　　“电机学”课程是电气工程及自动化、自动化专业体系培养中的一门核心专业基础课程，在专业课程体系中占有重要地位。通过该课程的 学习，可以让学生掌握交直流电动机、变压器、同步发电机等各种电机的结构、工作原理，在电力系统和拖动系统的应用。该课程是将所学到的电机的理论知识与工程应用联系起来的桥梁，是电气大类专业学习中必不可少的课程之一。该课程是一门理论性和实践性都很强的课程，概念抽象，较难理解，计算能力要求较高。传统电机学教学大多是以教师的课堂教学为主，学生缺少对电机在实际工程应用中的了解，很难将理论与工程应用相联系。
　　因此，传统的“满堂灌”模式已经很难适应社会需求，为了进一步跟上当前人才国际化的需求，传统教学体系和方法的改革势在必行。
　　2015 年新版工程教育认证标准将毕业要求修订完善至12条，还特别强调工程类本科专业对“解决复杂工程问题”的要求。
　　1依据成果导向，细化和实施课程改革的内容
　　1.1结合《电机学》的课程性质，对应毕业要求指标点
　　电机学是电气专业重要的专业基础课，是连接基础课程和专业课程的桥梁。结合和“补充标准—电气信息与电气工程类专业”，按照课程性质，形成电机学对应毕业指标点支撑 。
　　1.2结合“中国工程教育认证通用标准”毕业指标点，明确课程教学目标
　　电机学课程的主要内容是先介绍传统电机，包括直流电机、变压器、交流电机和同步电机的结构和工作原理，通过电机内部电磁关系的分析，导出电压、受力平衡、磁动势等关系，从而确定电机的数学模型，然后借助数学模型来分析电机的各种运行特性。
　　课程目标主要包括能力目标和知识目标，具体确定为以下五方面。
　　（1）了解电机的分类和作用，熟知电机的常用材料。掌握直流电机、变压器、异步电机和同步电机的基本结构、原理和基本分析方法，能正确建立电势平衡方程式以及转矩平衡方程式，熟知等效电路、相量图和电压及磁势基本方程，对未学过的电机也具有分析的能力。
　　（2）能够建立电机稳态运行时候的数学模型，能测量、计算该模型的参数。能够利用电机的数学模型来计算电机的各变量，如电流、电压、电磁转矩和功率等。
　　（3）能利用电机的数学模型进行电机的运行性能分析和计算，能够对电机的起动、制动和调速方案进行选择和设计，并进行参数计算。
　　（4）具有运用仿真软件来完成电机的磁场分析、数学模型验证的能力。
　　（5）具有自主学习电机学相关知识以及理论的能力，能针对个人职业发展需求，自主深入学习电机设计、电机拖动、电机控制等相关学科的内容，适应毕业后的发展需要。
　　1.3结合教学目标，修订课程教学内容
　　在湖南工业大学2019版新修订的培养计划中，电机学课程共有64个学时，其中，理论教学56学时，实验8学时。56学时理论教学主要用于对电机学内的基本电磁学、直流电机（包括无刷直流电机）、变压器、异步电机以及同步电机的基本结构、电磁关系、工作原理和运行特性等理论知识的讲解，课堂讲解主要侧重于让学生了解和掌握电机的基本电磁关系，例如磁路的基本概念、变压器的等效电路、三相绕组磁动势的计算等。
　　传统的教学方式中，8学时的实验课主要用来做验证性实验，包括直流电机的启动与调速、变压器空载和负载实验、三相变压器的组别测定、异步电动机的拖动和同步发电机的空载与负载实验，不包含上机建模实验。根据“中国工程教育认证通用标准”的要求，学生要能够具有解决复杂工程问题的能力，仅仅会启动和停止电机是远远不够的。综合考虑，在改革中，将原来的验证性实验课时压缩至4课时，共在理论课内设置12学时的上机，主要使用有限元仿真软件按要求构建常见电机模型，并根据该模型观察各类电机内的电磁场分布;计算电机输出性能和电机各主要参数之间的关系;研究不同运行状态时，不同负载对电机性能的影响，让学生更加直观、形象地理解电机，激发学习热情。
　　1.4结合现代化工具，强化专业知识综合运用能力
　　“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”是2015年工程教育认证标准中的新增内容，也是全面考查学生掌握专业知识解决实际工程问题能力的有效手段。
　　在原培养方案中，本课程开设了一周的，让学生亲自动手完成一台电机的拆卸、绕组的绕制、电机检测和安装，侧重培养学生的动手实践能力。针对“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”的要求，可以将原“电机结构实训”进一步整合和完善，以全面契合指标要求。设置成具体的电气工程领域复杂工程问题教学与实践训练环节 “三相异步电动机性能分析、电磁设计与测试、运行”教学训练项目。 　　该训练项目需要运用电机学、电磁学、机械学、检测技术、电力电子技术等多学科的基本原理，综合了多学科知识，涉及到机械（电机结构、制图）部分、电机、电磁、检测、电力电子等多方面的技术，强调实际动手能力的训练，充分调动学生的学习主动性，培养团队协作精神，全方位的锻炼和培养学生运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题的能力。
　　“三相异步电动机性能分析、电磁设计与测试、运行”项目由异步电机的电磁设计、异步电机的制作及变频调速系统三大模块构成，这三模块分阶段进行，时间上相连，便于连续实施训练。指导教师将学生进行分组，每小组4～5 人，布置和讲解训练任务、进度安排，小组实行组长负责制，任务分工到每个人。该训练的前两个阶段比较简单，主要训练解决复杂工程问题能力的教学环节，继承了原“电机学”课程设计内容，参照国标 Y 系列异步電动机的设计要求，针对给定功率、转速（极对数），对一台380 V/50 Hz 的中小型三相异步电动机的进行电磁参数设计。通过电磁设计，使学生熟悉电机的电磁设计过程、资料的收集和检索、手册的查阅环节，从而获得一次较为系统的关于电机的电磁设计基本技能训练。为了满足设计的技术指标，学生必须在一周的时间内反复核算，调整参数，有一定的难度，但是因为有对应的参考资料或参照方案，因此仍属于比较简单的工程问题，还没有完全达到新版专业认证对于“复杂工程问题”的要求。
　　为提升项目的复杂性，引入第三阶段。在前两阶段，学生完成了普通三相异步电动机的电磁设计、绕制制作与装配、参数测试运行的训练。在第三阶段，进一步考虑变频运行条件，使电机设计过程要解决的问题增加了复杂性。首先，各小组需要分工查找变频调速异步电动机相关资料，分析变频电机的设计步骤与特点，再提出变频调速用三相异步电动机的设计思路。还需要进行变频调速的相关实验，结合变频运行实验结果分析，加深对变频电机设计与运行的认识。学生经过此面向复杂工程问题的教学实践环节，经过 了 “分析—设计—核算—改进—测试—运行”等解决工程问题的模拟环节，得到了解决复杂工程问题能力的训练。
　　在电气工程及自动化专业不同方向的学生中，可以设置不同的综合训练项目，例如对电机方向的同学可以采用上述的“三相异步电动机性能分析、电磁设计与测试、运行”项目，对电力系统方向的同学可以采用“同步发电机电磁设计、性能分析与测试运行”项目，力求个向的同学们都能获得解决本专业复杂工程问题的能力，为今后的再学习和就业打下坚实的基础。
　　2结语
　　本文对新版工程教育认证标准中的“复杂工程问题”进行了思考，结合电气工程及自动化专业的培养方案，对原有的“电机学”课程教学环节和教学内容，进行了一些针对性的调整，凸显了出学生综合运用专业知识解决电气专业复杂工程问题能力的培养。随着专业认证工作的不断推进，必将推动专业教育不断深化发展，也将逐渐加深对复杂工程问题的理解，从而在教学环节中更好的融入对复杂工程问题的思索，开发更多、更合理的训练项目，提高学生解决复杂工程问题的能力，增强学生对行业发展的适应性。
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