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摘要:“电机学”是电气工程及其自动化本科专业一门难教、难学的专业基础课程,它涉及电路、磁路、三维空间绕组和磁场、相量等多方面的问题。理论教学中如何把核心知识点讲解透彻,使学生能够深刻理解并掌握所学内容是“电机学”教学过程中面临的一个难题。在“电机学”课程教学过程中,提出了观摩法、理论知识体系结构化、物理定律本质化等教学方法。教学过程中的应用研究证明这些方法有助于学生深刻理解掌握所学理论知识,有着较好的教学效果。
关键词:电机学;教学方法;观摩;理论体系化;本质化
作者简介:王伟炳(1979-),男,江苏武进人,南京工程学院电力工程学院,讲师,工学博士,主要研究方向:电机控制、电力传动及应用;杨志超(1960-),男,江苏常州人,南京工程学院电力工程学院,副教授,主要研究方向:电气工程及其自动化。(江苏 南京 211167)
基金项目:本文系南京工程学院人才引进科研启动基金资助项目(项目编号:YKJ200905)的研究成果。
“电机学”是电气工程及其自动化本科专业课程设置中最为重要的专业基础课之一,也是学生最容易挂科的一门课程。“电机学”课程涵盖的知识体系内容多,具体包括变压器、交流电机、直流电机等;对数学物理基础要求高,具体涉及微积分、级数、向量代数、电磁场等数学物理知识;三维空间想象能力要求较高。教师教学中面临庞大的知识体系、繁多的教学内容,把“电机学”课程讲好、讲精不容易,学生听课中听明主旨、把握精髓更不容易。
传统的“电机学”课程教学以教师板书和课件的形式传递知识信息、知识点讲授,直接应用物理学定律等教学方法迫切需要改进,并进行新的教学方法的尝试和探索。在“电机学”课程教学过程中,提出了观摩法、理论知识体系结构化、物理定律本质化等教学方法。
一、教学方法
1.观摩法认识电机
“电机学”课程中涉及变压器、交流电机、直流电机等三类电机,结构上都有铁芯、绕组等部件,其种类繁多、结构部件复杂。从有无旋转部件分为:静止的电机,如变压器;旋转的电机,如交直流发电机、电动机。对于初学者,仅仅从教材和课件上认识学习种类繁多、结构复杂的电机,往往是很抽象、很模糊的。因此,通过观摩近距离地接触认识实物电机,有助于学生获得直接的感性认识,了解电机内部复杂的构件。
2.知识点体系结构化
电机学的各知识点之间具有很强的逻辑性,备课过程中如果教师能够很好地把握、利用这个特性,课堂讲授时就会有一种高山流水、一气呵成的感觉。学生在听课时也能按照层层铺垫、推进的自然认识接受新事物的过程去学习“电机学”课程知识。所学的知识都有严密的推理过程,因而是一种体系结构化的知识,它有助于学生从整体上把握理论知识体系,各知识点不再是分立的、离散的、毫无关系的存在着。即使将来某个知识点、某个结论遗忘了,或者自己对某个结论不太能确定的时候,也能根据这部分知识所依据的理论过程自己来推导验证结论。
3.物理定律本质化
物理学定律真实全面地反映物理规律,往往在定律表述时包罗了所有与此定律相关的物理量和物理概念。而电机学则是应用物理定律分析电机的运行原理,教师在对初学者授课时,在全面介绍物理规律的同时,更应突出此定律中用以解决电机学问题的最为关键的物理量以及各关键物理量之间的关系。物理定律中被强调和突出讲述的物理量和它们之间的关系,就是物理定律在“电机学”课程学习中的本质化。“电机学”课程学习中物理定律本质化,有助于学生在学习过程中把握关键物理量和它们之间的相互关系,理清思路和头绪,减轻学生认识理解的负担。
二、教学实例
1.观摩法认识旋转电机
旋转电机结构涉及的概念和名词特别多,有定子槽、绕组、导体有效边、极距、节距、机械角度、电角度、短距绕组、整距绕组等。加上绕组的空间三维结构,如果仅从书本上了解学习这些概念,学生往往会觉得很空洞。一个个的名称指的是怎样的实物,这些对象在具体的电机中处于怎样的位置等等,都是学生心中的疑惑。
在进行这部分内容学习时,把实物电机和螺丝刀带进课堂,打开电机的端盖。每讲述一个概念,在实物电机上都给学生指出其对应的是哪一部件,具体是什么样的,它在电机中的作用是什么,这样学生就会有实实在在的感性认识。例如,在讲述绕组结构时,可以针对具体实物电机把极距、节距给学生数出来,把电机绕组轴向的两个端接部分分别展示给学生,指出端接部分连接的是位于定子槽内的导体有效边,避免仅仅从平面角度去认识三维的实物电机。
2.交流绕组电动势知识点体系化
交流电机绕组相电动势分析中,从绕组的构成来看,具体有:两根位于铁心槽内的导体构成一匝绕线,若干匝绕线构成线圈,相邻的属于同一相带的若干线圈构成一个线圈组,线圈组以先串联后并联的方式构成相绕组。电动势从下层至上层的构成过程为:导体电动势→匝电动势→线圈电动势→线圈组电动势→相电动势,[1,2]前一个物理量是后一个物理量推导的基础,推导过程逻辑性强、理论严密。
从导体电动势到相电动势5个结论的推导过程严密,交流绕组电动势中各知识点环环相扣,是一个结构化的理论体系,理论过程是顺理成章的。通过板书推导和理论讲解,学生听课不会有丝毫的费解和为难,便于学生理解和掌握。
3.法拉第电磁感应定律本质化
电机学中应用频率最高的物理学定律就是法拉第电磁感应定律和安培力定律。其中对法拉第电磁感应定律中有关感应电动势值、感应电动势方向的表述理解是学生普遍的难点。很多学生甚至学完“电机学”课程后,都不能很好地理解它。不同的教材和参考书中,法拉第电磁感应定律的表述不尽相同。只有掌握了法拉第定律的本质,清楚地认识理解法拉第电磁感应定律的多种表达形式,[3,4]才能以不变应万变。
电磁感应定律是法拉第1831年发现的。其物理学表述为:将一个匝数为N的线圈置于磁场中,与线圈交链的磁链为Ψ,只要Ψ发生了变化,线圈内就会感应出电动势。该电动势倾向于在线圈内产生电流,以阻止Ψ的变化。设电流的正方向与电动势的正方向一致,电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋法则,磁链的正方向与磁通的正方向一致,则电磁感应定律的数学描述为:
式(1)
式中,负号表明感应电动势将产生的电流所激励的磁场总是倾向于阻止线圈中磁链的变化。
仅从式(1)中的两个电磁量来认识法拉第电磁感应定律,由于感应电动势正方向与电流正方向相同,磁链正方向与磁通正方向相同,因此电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋法则,本质上是感应电动势e的正方向与绕组交链的磁链Ψ的正方向符合右手螺旋法则,如图1所示。设线圈电压u的正方向如图1a所示,则其与感应电动势e的关系为:
若线圈电压u的正方向如图1b所示,则其与感应电动势e的关系为:
式(3)
因此,法拉第电磁感应定律本质上是感应电动势与线圈交链磁链之间的关系,在右手螺旋法则的正方向判定下,它们的量值符合式(1)的关系。
理解了电机学中法拉第电磁感应定律的本质,对于分析掌握变压器、电机的电压方程、相量图有很大的帮助,不再会把绕组电压和电动势方向弄错。
三、结论
教学试验研究结果表明,本文提出的观摩法、理论知识体系化、物理定律本质化等三种方法有助于增强学生对电机的感性认识、加深学生对“电机学”课程体系化的掌握、理清物理定律在电机运行分析中的本质。学生主要以理解的方式学习,减轻了学习的负担;传统课堂上学生提问、回答很少参与,现在变得明显活跃起来;学习效果明显提升,“电机学”课程考试成绩得到改观,从原来的挂科热门变得鲜有挂科。三种教学方法取得了明显的效果,它对其他课程的教学方法改革也有推广示范意义。
参考文献:
[1]牛维扬,李祖明.电机学[M].北京:中国电力出版社,2005.
[2]汤蕴璆,史乃.[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3]辜承林,陈乔夫,熊永前.[M].武汉:华中科技大学出版社,2005.
[4]Stephen·J·Chapman.Electric Machinery Fundamentals[M].(Fourth Edition).满永奎,编译.电机原理及驱动-电机学基础(第4版).北京:清华大学出版社,2008.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:电机学;教学方法;观摩;理论体系化;本质化
作者简介:王伟炳(1979-),男,江苏武进人,南京工程学院电力工程学院,讲师,工学博士,主要研究方向:电机控制、电力传动及应用;杨志超(1960-),男,江苏常州人,南京工程学院电力工程学院,副教授,主要研究方向:电气工程及其自动化。(江苏 南京 211167)
基金项目:本文系南京工程学院人才引进科研启动基金资助项目(项目编号:YKJ200905)的研究成果。
“电机学”是电气工程及其自动化本科专业课程设置中最为重要的专业基础课之一,也是学生最容易挂科的一门课程。“电机学”课程涵盖的知识体系内容多,具体包括变压器、交流电机、直流电机等;对数学物理基础要求高,具体涉及微积分、级数、向量代数、电磁场等数学物理知识;三维空间想象能力要求较高。教师教学中面临庞大的知识体系、繁多的教学内容,把“电机学”课程讲好、讲精不容易,学生听课中听明主旨、把握精髓更不容易。
传统的“电机学”课程教学以教师板书和课件的形式传递知识信息、知识点讲授,直接应用物理学定律等教学方法迫切需要改进,并进行新的教学方法的尝试和探索。在“电机学”课程教学过程中,提出了观摩法、理论知识体系结构化、物理定律本质化等教学方法。
一、教学方法
1.观摩法认识电机
“电机学”课程中涉及变压器、交流电机、直流电机等三类电机,结构上都有铁芯、绕组等部件,其种类繁多、结构部件复杂。从有无旋转部件分为:静止的电机,如变压器;旋转的电机,如交直流发电机、电动机。对于初学者,仅仅从教材和课件上认识学习种类繁多、结构复杂的电机,往往是很抽象、很模糊的。因此,通过观摩近距离地接触认识实物电机,有助于学生获得直接的感性认识,了解电机内部复杂的构件。
2.知识点体系结构化
电机学的各知识点之间具有很强的逻辑性,备课过程中如果教师能够很好地把握、利用这个特性,课堂讲授时就会有一种高山流水、一气呵成的感觉。学生在听课时也能按照层层铺垫、推进的自然认识接受新事物的过程去学习“电机学”课程知识。所学的知识都有严密的推理过程,因而是一种体系结构化的知识,它有助于学生从整体上把握理论知识体系,各知识点不再是分立的、离散的、毫无关系的存在着。即使将来某个知识点、某个结论遗忘了,或者自己对某个结论不太能确定的时候,也能根据这部分知识所依据的理论过程自己来推导验证结论。
3.物理定律本质化
物理学定律真实全面地反映物理规律,往往在定律表述时包罗了所有与此定律相关的物理量和物理概念。而电机学则是应用物理定律分析电机的运行原理,教师在对初学者授课时,在全面介绍物理规律的同时,更应突出此定律中用以解决电机学问题的最为关键的物理量以及各关键物理量之间的关系。物理定律中被强调和突出讲述的物理量和它们之间的关系,就是物理定律在“电机学”课程学习中的本质化。“电机学”课程学习中物理定律本质化,有助于学生在学习过程中把握关键物理量和它们之间的相互关系,理清思路和头绪,减轻学生认识理解的负担。
二、教学实例
1.观摩法认识旋转电机
旋转电机结构涉及的概念和名词特别多,有定子槽、绕组、导体有效边、极距、节距、机械角度、电角度、短距绕组、整距绕组等。加上绕组的空间三维结构,如果仅从书本上了解学习这些概念,学生往往会觉得很空洞。一个个的名称指的是怎样的实物,这些对象在具体的电机中处于怎样的位置等等,都是学生心中的疑惑。
在进行这部分内容学习时,把实物电机和螺丝刀带进课堂,打开电机的端盖。每讲述一个概念,在实物电机上都给学生指出其对应的是哪一部件,具体是什么样的,它在电机中的作用是什么,这样学生就会有实实在在的感性认识。例如,在讲述绕组结构时,可以针对具体实物电机把极距、节距给学生数出来,把电机绕组轴向的两个端接部分分别展示给学生,指出端接部分连接的是位于定子槽内的导体有效边,避免仅仅从平面角度去认识三维的实物电机。
2.交流绕组电动势知识点体系化
交流电机绕组相电动势分析中,从绕组的构成来看,具体有:两根位于铁心槽内的导体构成一匝绕线,若干匝绕线构成线圈,相邻的属于同一相带的若干线圈构成一个线圈组,线圈组以先串联后并联的方式构成相绕组。电动势从下层至上层的构成过程为:导体电动势→匝电动势→线圈电动势→线圈组电动势→相电动势,[1,2]前一个物理量是后一个物理量推导的基础,推导过程逻辑性强、理论严密。
从导体电动势到相电动势5个结论的推导过程严密,交流绕组电动势中各知识点环环相扣,是一个结构化的理论体系,理论过程是顺理成章的。通过板书推导和理论讲解,学生听课不会有丝毫的费解和为难,便于学生理解和掌握。
3.法拉第电磁感应定律本质化
电机学中应用频率最高的物理学定律就是法拉第电磁感应定律和安培力定律。其中对法拉第电磁感应定律中有关感应电动势值、感应电动势方向的表述理解是学生普遍的难点。很多学生甚至学完“电机学”课程后,都不能很好地理解它。不同的教材和参考书中,法拉第电磁感应定律的表述不尽相同。只有掌握了法拉第定律的本质,清楚地认识理解法拉第电磁感应定律的多种表达形式,[3,4]才能以不变应万变。
电磁感应定律是法拉第1831年发现的。其物理学表述为:将一个匝数为N的线圈置于磁场中,与线圈交链的磁链为Ψ,只要Ψ发生了变化,线圈内就会感应出电动势。该电动势倾向于在线圈内产生电流,以阻止Ψ的变化。设电流的正方向与电动势的正方向一致,电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋法则,磁链的正方向与磁通的正方向一致,则电磁感应定律的数学描述为:
式(1)
式中,负号表明感应电动势将产生的电流所激励的磁场总是倾向于阻止线圈中磁链的变化。
仅从式(1)中的两个电磁量来认识法拉第电磁感应定律,由于感应电动势正方向与电流正方向相同,磁链正方向与磁通正方向相同,因此电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋法则,本质上是感应电动势e的正方向与绕组交链的磁链Ψ的正方向符合右手螺旋法则,如图1所示。设线圈电压u的正方向如图1a所示,则其与感应电动势e的关系为:
若线圈电压u的正方向如图1b所示,则其与感应电动势e的关系为:
式(3)
因此,法拉第电磁感应定律本质上是感应电动势与线圈交链磁链之间的关系,在右手螺旋法则的正方向判定下,它们的量值符合式(1)的关系。
理解了电机学中法拉第电磁感应定律的本质,对于分析掌握变压器、电机的电压方程、相量图有很大的帮助,不再会把绕组电压和电动势方向弄错。
三、结论
教学试验研究结果表明,本文提出的观摩法、理论知识体系化、物理定律本质化等三种方法有助于增强学生对电机的感性认识、加深学生对“电机学”课程体系化的掌握、理清物理定律在电机运行分析中的本质。学生主要以理解的方式学习,减轻了学习的负担;传统课堂上学生提问、回答很少参与,现在变得明显活跃起来;学习效果明显提升,“电机学”课程考试成绩得到改观,从原来的挂科热门变得鲜有挂科。三种教学方法取得了明显的效果,它对其他课程的教学方法改革也有推广示范意义。
参考文献:
[1]牛维扬,李祖明.电机学[M].北京:中国电力出版社,2005.
[2]汤蕴璆,史乃.[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3]辜承林,陈乔夫,熊永前.[M].武汉:华中科技大学出版社,2005.
[4]Stephen·J·Chapman.Electric Machinery Fundamentals[M].(Fourth Edition).满永奎,编译.电机原理及驱动-电机学基础(第4版).北京:清华大学出版社,2008.
(责任编辑:苏宇嵬)