走出课堂的电机学教学探索

来源:用户上传      作者: 何山 张强 艾比布拉·阿布拉 杨健 伊力哈木·亚尔买买提

　　摘要：电机学课程概念复杂繁多，理论抽象，学生课下独立学习时难度很大，很难理解和学习，除教师在课堂上认真授课外，课程组教师结合教学经验对教和学进行了认真总结和探索，积极开辟课外教学实践战场。采用去电机厂（变压器厂）参观实习、开展电动机相关实践、电机下线实习、发电厂的发电机大修学习、搜集利用课外知识、开展科技制作、科研内容融入教学等方法，活学活用，拓展思维，多管并举，激发学生的主动性，尽量突出教学内容，直观教学，简化教学方法，帮助学生轻松学好电机学课程。
　　关键词：走出课堂；电机学；教学探索
　　作者简介：何山（1974-），男，江苏金坛人，新疆大学电气工程学院，副教授；张强（1976-），男，新疆和静人，新疆大学电气工程学院，副教授。（新疆 乌鲁木齐 830049）
　　基金项目：本文系新疆自然科学基金项目（项目编号：2012211A001）的研究成果。
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0066-02
　　电机学课程是电气工程及其自动化以及自动化两个专业学生的骨干必修基础课程，也是传统的“三电”课程（电路理论、电机学、电子技术基础）之一，属于典型的“拦路虎”课程。课程中的电磁场概念繁杂，电机的类型多样，结构复杂，电磁场不可见，十分抽象。同时课程理论结合实际紧密，既有丰富的理论，又有大量实验，课后作业计算公式较多，多数学生对电机磁场的产生以及分析时的非线性、电机众多部件的旋转、电磁场的交变或者旋转，缺乏想象思维，难以理解，而教师在课堂的讲授上也存在一定的难度，[1]课后学生独立学习时难度也较大。为克服这一困扰师生的老大难问题，教学之余，课程教学实验团队富有经验的老教师带领新同志，专门针对这一专题进行了多次讨论，教师在课堂上认真讲授的同时，总结了课堂外大家多年的教学经验和体会，分类得出了以下几点做法，与大家共享。[2]
　　一、电机厂（变压器厂）参观实习
　　教师带领学生去特变电工股份有限公司（新疆电机厂）参观实习，现场观察电机、变压器的生产过程以及全套工艺流程。学生看到了套裁冲剪硅钢片（小型电机的定、转子铁芯冲片可一次冲出），之后工人叠装铁芯，压紧，制成定子铁芯半成品；之后，熔融铝水浇注笼形转子，或者绕制绕线型电机的转子绕组；最后，装配轴承、端盖等，完成电机定、转子的装配。在加电测试前，还需使用兆欧表测量电机的绝缘性能，加电测试电机的电气性能（转速、电流和转矩等），一台台电机就在工人师傅的手中诞生并旋转起来了。变压器绕制绕组，总装及加电测试等系列过程和电机类似，只是高压测试与常规的电机有所不同（一般电机的电压较变压器高压侧低很多）；学生参观了体型庞大的大型电力变压器，认识到铁芯和绕组是电机和变压器的主要共同结构，还目睹了干式变压器、电弧炉专用变压器、巨大的变压器绝缘子串等，经过现场参观，学生对于电机和变压器的结构以及附件等知识有了现场的较全面的感性认识。
　　二、使用透明教具教学
　　使用多媒体课件教学，一些电机的flash课件可以动态展示电机的结构，但是毕竟不是真实的电机在运转，还是不够逼真。所以，在电机课程建设过程中，购买了四种主要电机的透明教具模型（见图1）。教具体积小，便于携带，在课堂及实验室，教师结合课程进行演示操作，透明教具使电机的结构一目了然，方便深刻认识电机复杂结构以及众多部件。教师先给学生讲解电机的各部分结构以及运行原理，而后学生观看教具模型，对照授课内容认识电机的各个部件，理解运行原理；接着教师指导学生给电机模型通电，电动机可以旋转，发电机可以发出电能，变压器可以变换电压正常运行，点亮灯泡，这时有同学发问：这样的电机模型为何不能够带动负载？教师抓住这一机会，引导学生思考：因为教具使用的铁芯材料很少，外壳等很多结构是有机玻璃材料，铁芯用量少，磁通量低，绕组导线也很细（电流较小）。大家立刻意识到了电机在能量转化过程中，电流和磁场之间的相互作用始终是最重要的内容。相比钢铁制成的沉重电机和变压器实物而言，使用透明教具学习，过程直观明了，学习知识直接方便，印象深刻，学生反映这种方式很好。
　　三、开展电机相关实践
　　电机课程里讲授了电机降压起动这一知识点，而课程实验里的电动机起动是依靠变压器变压实现的，没有实践实际工业现场的情况。教师充分利用学生学期末的实践环节，开设了异步电机低压启动柜的安装实训，根据学生自身学习的情况选择制作安装Y/Δ电机低压起动柜（见图2），电机正反转等电路，并连接电动机进行调试运行。在这一过程中，学生还可以结合学习按钮、断路器、时间继电器和互感器等具体器件的原理以及使用，熟悉检测控制器件的原理和使用，进行了实际操作。能够分清主电路和控制回路，按照电工布线的规则标准接线，认真布线，使用绑扎带绑扎，基本做到布线横平竖直，熟悉各个器件的安装、调试和运行。通过这一过程，学生明确了电机今后的实际使用场合和控制柜的原理以及设计制作过程，增强了动手能力，贴近实际，看着自己接线并调试好的起动柜带动电动机正常运行，学生也颇有成就感。[3]
　　四、进行电机下线实习
　　针对民族班同学开展异步电动机下线实习，实习过程大致分为：绕组设计计算、绕组绕线、电机下线、总装及测试等几个步骤。首先是对于电机的绕组进行设计计算。先据极对数、电机槽数等概念计算极相槽数、节距等数据；熟悉相带划分、绕组单层和双层的概念、相绕组的连接关系。第二步制作绕线模，主要是使用绕线机绕制绕组；第三步，使用下线板、压脚，在槽底和槽口分别放置绝缘纸，双层绕组还需放置层间绝缘。然后后下线，槽楔塞在绕组上面，起固定作用。最后连接并检查绕组连接顺序是否正确。第四，上好端盖以及轴承，使用兆欧表测量电机绝缘是否满足，转动正常与否，加电测试。若电动机下线较满，槽满率高，则电机旋转正常，转矩（功率）较大，反之，电机转动缓慢，带负载能力很低。当电机通电转动起来时，同学们会十分兴奋，并因此留下深刻的印象。 　　五、发电厂现场学习
　　火电厂和风电场每年都会有发电机需大修和小修，其他类型的电机也偶有故障发生，教师利用新疆大学距离发电厂很近（学校附近两公里就是红雁池发电厂）的便利条件，深入大修现场，带领学生在往届老校友的指导下学习认识拆解的大型汽轮发电机的各个部件，分清励磁绕组、阻尼绕组，结构复杂的转子及其附属部件；深刻了解励磁（电压）调节和转速（频率）调节的重要性，同时还顺便了解了发电厂的锅炉运行以及汽轮机运行等相关知识，扩展了知识面以及课程内容，有助于学习“微机继电保护”、“电力系统分析”等课程，学生感到受益匪浅。著名的达坂城风电场距离市区四十公里，利用节假日，学生在风电场学习风力发电知识，教师从事科研工作，共同扩展了电机在书本上的内容和使用范围，饱览了风电场风光，开阔了眼界，拓展了思维。结合电厂各种电机的运行状况和操作岗位，一些同学深刻学习了电机及其相关知识，也熟悉和喜爱上了电厂这一工作环境，毕业后顺利进入各类型电厂 ，活跃在新疆自治区以及全国其他省区的电力行业部门。
　　六、教师科研融入教学
　　电磁场不可见，抽象难理解，教师充分利用与变压器厂及风电场的科研项目进行研究，利用ANSYS、ANSOFT等软件仿真电磁场、温度场及部件的受力（见图3），把结果制成PPT或动画文件，让学生直观看到磁力线穿越气隙、铁芯等材料的路径，电机绕组、铁芯中的温度场分布；通过开设专题讲座，讲解达坂城风电场使用的各种风力发电机。[4]列举风电场的大量发电机是异步发电机，结合课本，精讲异步电机的回馈制动：发电机长期运行于回馈制动，发电的同时，从电网吸取无功电流励磁，向电网输出有功功率，因而需要增加电容器等进行无功补偿，提高发电机的功率因数。还有一些电机是永磁同步发电机，需要永磁体（钕铁硼材料）提供励磁磁场。我国是稀土原料的最大供应地，开发稀土也需要珍惜资源，爱护环境等。通过讲座，学生豁然开朗，明白了电机、电路等课程的相关性和重要性，今后还可使用MATLAB搭建电路，模拟仿真计算电机复杂的暂态过程，[5]了解了从事科研的基本过程，更加信心十足地学习电机知识。
　　七、搜集利用课外知识
　　教师要做教学的有心人，对工作细心加耐心也是不可少的。比如教师注意从网上下载收集最新的关于电机的小知识，例如三峡电厂的大型发电机，“嫦娥三号”上使用的特殊电机等，大家了解到三峡电厂使用的发电机还不是完全独立设计生产的，而是与其他国家联合设计生产，就认识到我国大型发电机的设计生产还有一些不足，电机的设计生产技术含量较高，有一定的困难，需要向他国学习，开拓创新。最近新闻报道了东莞一家玩具厂生产出了世界上最小的直升机玩具，教师就启发学生搜集玩具飞机所用电机的相关知识，还有军事用途的其他电机等，学生很感兴趣，反应积极、踊跃，有的还专门就此内容撰写了调查报告；教师还带领学生使用摄像机拍摄电机的拆装过程，自制成录像，上传课程网站，帮助学生学习的同时，调动了学生的学习积极性。
　　八、开展科技制作
　　大学生课外科技制作的很多内容涉及到电机的控制应用。为活跃学生课外生活，拓展思维，提高动手能力，课程组教师带领学生开展了循迹电动小车制作，DSP电机控制实验，PLC对生产线的控制实验及其他电机相关的科技制作，并开发了本课程的变频器调速实验。部分学生参加了“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，获得了西北赛区第二名的成绩。
　　九、结语
　　以上几方面，课程组教师在教学中灵活使用，出发点在于尽可能减小同学的学习难度和强度，力求深刻全面理解掌握课程的知识点。经过长期实践，同学们反映：以上做法十分有利于帮助大家理解和体会难点，能明显缩短学习时间，改善学习效果。总之，只要教师多用心开拓思路，多付出，把工作做细，从学生处着眼，俯下身子，踏实做事，就一定能够想出许多实用的方法，帮助学生，真正发挥良师益友的角色作用。
　　参考文献：
　　[1] 章玮，潘再平.电机学课程教学手段和实践环节的探讨[J]. 电气电子教学学报， 2011， 33（4）：78-80.
　　[2] 王振华，张金霞.电机学课程教学改革探讨[J]. 中国电力教育， 2013， （13）：60-61.
　　[3] 何山，王雪飞.紧缺专业电机学课程教学建设探讨[J]. 电气电子教学学报， 2010， 32（6）：17-18.
　　[4] 何山，李勇伟，黄嵩.有限元软件在电机教学中的应用[J]. 现代教育技术， 2008， （3）：45-46.
　　[5] 杜怿，肖凤.“电机学”课程教学方法改革探讨[J]. 中国电力教育，2012，（21）：52-53.
　　（责任编辑：王意琴）
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