《电机与拖动基础》理论、仿真、实验相结合的教学模式改革探索
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摘要：《电机与拖动基础》是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，注重学生认知、实践能力的培养。本文阐述了电机课程综合素质培养的教学改革方案及实施办法，设计了包含基础理论、虚拟仿真、实验平台三位一体的综合型教学计划，通过改进平时成绩考核体系，进一步提升学生的专业水平，提高理论联系实际的能力。
关键词：培养模式；教学改革；综合素质
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）14-0175-02
一、引言
《电机与拖动基础》是电气工程及其自动化专业学生提高专业技术和技能的基础核心课程[1-3]。该课程注重培养学生运用理论解决实际问题的能力，要求学生能够掌握并运用所学知识分析机电行为。课程主要包括电机和电力拖动两部分内容，电机部分重点讲述直流电机、变压器、异步电机、同步电机以及常见特种电机的基本结构、工作原理及运行特性；电力拖动部分主要讲述直流电动机、交流电动机电力拖动系统的拖动原理、调速方法、控制规律。通过学习，学生可以获得电机学以及拖动技术方面的基础理论知识、基本分析方法以及基础实验技能[4]，能够运用基本电磁学知识分析各类电机的工作原理与特性，运用力学、机械学知识掌握各类电机的拖动及调速方法，为今后深入学习运动控制系统，现代交流电机调速等后续课程打下坚实基础。
《电机与拖动基础》课程涉及电学、磁学、力学、机械学等多种学科，学习对象复杂，基础理论丰富，要综合理解掌握这些知识，必须对学习对象也就是电机有着清晰、深入、正确的认知。然而，当前的教学模式仍较为传统：学生在学习理论知识后立马开展实验，尽管这一模式符合课程理论联系实际的初衷，使学生能够对电机产生定性直观的认识，但是由于缺乏中间过渡，容易对其背后的原理理解不足。所以很多同学在学完本门课程后，往往知其然却不知其所以然，其中很大一部分原因是缺少了从抽象理论到具体实物的中间环节，即认知模型的建立。为了加强学生对理论知识的理解以及对实际情况的分析能力，可以增加上机环节开展虚拟实验，利用Matlab、Maxwell等软件对各类电机进行建模。学生在建模过程中，通过与理论知识的联系和实验结果的对比，巩固所学知识。
二、培養模式改革内容探讨
当前，《电机与拖动基础》综合成绩的考核方式主要为：平时作业+实验报告+期末考试，对于学生综合素质的培养尚存在如下不足：
1.电机课程考试的思路比较固定，学生通过课后作业和往届试题的练习可以取得较好成绩，而学生对于求解过程不甚关心，从而无法有效检验学生掌握知识的情况；并且学生在考试结束后容易遗忘知识点，不利教学。
2.大部分电机实验面临学员多设备少的问题，实验环节采取多人一组的方式，学生对知识的掌握情况难以从实验的预习与总结报告中得到准确反映，因此对自身学习过程中存在的不足也不能及时弥补。
3.作业、实验、考试注重结果，轻视过程，很多课后作业、课堂练习学生做对了，但并没有真正掌握，容易产生会做题就懂电机的误判；同时很多综合素质如创新能力、实践能力以及应变能力等无法得到培养。
上述问题比较普遍，但不能涵盖电机教学过程中的全部问题。针对上述问题，我们在本科电气工程专业电机课程的教学环节加入了虚拟仿真实验：让学生自己动手，搭建各类电机模型，并将所学电力拖动技术作用于电机模型，验证拖动方法的有效性。一方面，上机实验设备充足，每位学员可分配一台电脑，实验机会均等；另一方面，通过自己动手搭建模型可以有效掌握电机学知识，通过相应控制方法的建立可以有效掌握拖动技术。最后，通过提交仿真报告，自己归纳总结知识点，掌握更深层次的原理。
教学改革后，《电机与拖动基础》课程总评成绩仍由平时成绩和期末考试两部分构成，但是由于新增上机仿真环节，对各部分占比重新调整：实验成绩15%，仿真成绩15%，综合评定20%（出勤、作业、问答等）以及期末考试50%。新增仿真环节内容包括：（1）直流电机建模虚拟实验；（2）直流电动机起动、调速虚拟实验；（3）单相、三相变压器建模虚拟实验；（4）三相异步电动机建模虚拟实验；（5）三相异步电动机起动、调速虚拟实验；（6）三相同步电机建模虚拟实验。
上机实验成绩的评定标准如下：
1.每个学生独立完成各仿真任务，搭建模型后由老师检查原理图连接是否正确；运行模型，检查运行结果是否满足预期。
2.下机后，根据仿真任务完成相应仿真报告。
由于电机课程涉及知识点多，知识面广，故对学生在知识的融会贯通能力上要求较高，不但要掌握电磁学、力学、机械学的理论知识，还要熟悉Matlab仿真软件设计，最后通过仿真加深对电机学的理解。
三、虚拟实验案例分析
以直流电机分级起动为例，首先给出仿真任务，由学生进行预习准备：搭建一台他励直流电动机，额定参数为PN=22 kW，UN=220 V，IN=120 A，nN=600 r/min，求取满足起动条件的起动电阻参数后搭建仿真。该仿真案例包含学生前期搭建的电机模型，并通过自建分级起动器实现分级起动，搭建过程需运用所学电机学与电力拖动知识，包括直流电动机原理、直流电动机分级起动方法；需要观察记录的波形包括：直流电机输入电压、电流，电机输出转矩、转速等。该仿真案例为直流电动机起动、调速虚拟实验的前半部分，模型运行成功后，由老师检查并搭建下一环节的仿真。后半部分为直流电动机降电压、串电阻以及弱磁调速，完成仿真后由老师检查并登记成绩，下机后完成相应仿真报告。
开展虚拟实验可以提高学生对电机理论的应用能力，其具有如下优势：（1）因材施教，开展分层次教学，为使虚拟实验教学达到最佳效果，需要结合电机课程的学习节点合理设计虚拟仿真案例，实现虚拟实验与理论教学、实验教学有机结合。（2）考核方式灵活多样，可以更好地锻炼学生发现、分析和解决问题的能力，鼓励学生进行更多的尝试；同时，仿真模型的搭建过程即既是学生复习知识的过程，通过这种方式使学生反复巩固所学知识。（3）学生下机后可在自己电脑上复现虚拟实验，不必借助实验设备并可反复进行，方便学生课后相互讨论，同时仿真模型各部分参数可直接观测，较物理实验方便。基于上述优点，引入虚拟实验的教学模式能够更好地培养学生综合能力，进一步提高学生的专业水平。
四、结束语
伴随着当代工业化进程，电动机及电力拖动技术不断发展，逐步形成了电力拖动领域中的传统技术；但是随着电力电子技术的发展，电力拖动技术又不断地取得重大突破，形成了一系列速度更快、定位更准、性能更优的调速技术，因而需要学生对电机有更准确、更本质的认识，传统教学模式以实验为主，学生较易掌握定性原理，而对定量模型认识不足，本文提出的虚拟实验改革方案正好弥补了这一不足。经过本轮改革的实践，调查结果表明，学生对该教学模式的积极性较高，认为其较符合当代大学生对知识掌握方式多元化的需求。新培养模式更注重学生对于知识细节的领悟，而不是单单靠做练习题，需要学生对电机这门课程理论以及相关技术进行更系统的学习，从而提高综合素质，将理论学以致用。
参考文献：
[1]赵仁德.“电机与拖动基础”课程教学改革的探索[J].中国电力教育（上），2009，（8）：65-66.
[2]王旭.《电机与拖动基础》课程教学研究[J].机电技术，2013，（4）：162-164.
[3]赵海龙，付光杰，王金玉.“电机与拖动基础”课程教学新思路[J].长春理工大学学报，2009，（10）：130-131.
[4]刘霞.电机与拖动基础课程实验教学改革与探索[J].大众科技，2010，（12）：127-128.
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