“电气工程基础”课堂教学中教学方法的设计

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  摘要:“电气工程基础”课程是电气工程专业的专业基础课和主干专业课。由于该课程物理概念多、电气元件结构复杂、公式推导方法多、电气计算繁琐等原因,一直是一门既难教又难学的课程。在具体的课堂教学中,针对不同的知识点设计了不同的教学方法,包括教师讲授与学生自学结合、案例教学方法、启发式教学方法、基于仿真的教学方法、多媒体教学方法,起到了激发学生学习兴趣、提高学生自学能力、分析问题、解决问题的能力和创新能力的作用。同时介绍了让正在进行设计的学生上台讲课的教学方法。
  关键词:电气工程基础;教学方法;案例教学法;启发式教学法
  作者简介:王晶(1974-),女,河南邓县人,浙江工业大学信息学院,副教授,工学博士,主要研究方向:电力系统电气工程基础、电力系统分析、电力系统仿真、电能质量检测、辨识与控制的研究和教学;徐爱亲(1980-),女,湖北咸宁人,浙江工业大学信息学院硕士研究生,主要研究方向:电力系统建模与仿真、电能质量控制方法。(浙江 杭州 310014)
  基金项目:本文系浙江省自然科学基金项目(项目编号:Y107210)、浙江工业大学优秀课程建设项目(项目编号:103006515)、浙江工业大学信息学院教改项目(项目编号:20070203) 的研究成果。
  
  按照教育部提出的面向21世纪、培养高素质、创新人材的要求,浙江工业大学信息学院在2001年开设电气工程及其自动化专业。从近几年的招生和就业情况来看,该专业的生源和就业率均处于学院乃至学校的前列,得到学校的重视,在2007年电气工程专业的骨干课程——“电气工程基础”被设立为校级优秀课程建设项目,学校希望通过该项目的建设,在国家“强化基础、注重能力、按宽口径培养”的指导思想下,一方面打通和强化基础使学生具备可继续深造攻硕、攻博的理论基础;另一方面注重专业能力和宽口径培养,培养更多的适应新形势、新任务的具有高素质、高水平的优秀专业人才。
  “电气工程基础”课程在电气工程及其自动化专业的课程体系中具有承上启下和举足轻重的地位,既是一门理论性很强的专业基础课,又是一门实践性较强的课程。教学内容涉及复杂的物理概念,而且有大量公式需要记忆,一直是一门比较难教、难学的课程。许多教学内容不是仅靠听课就能学得懂、学得好的。一些学生甚至觉得本课程仅是些数学推导、没什么实用价值,不大喜欢学。针对不同的授课内容设计多种教学方法,在无法回避的枯燥中引起学生的兴趣、激发学生的学习热情是该门课程课堂教学中一项非常有意思的课题。
  一、教学方法的设计
  1.教师讲授与学生自学结合
  “电气工程基础”课程内容多,学时相对紧张。为了提高课程学习质量,同时也能更好地培养学生自学能力,我们将教学内容分为基本理论、方法和技能三个方面。将基本理论分为了解、理解和必须掌握三个层次;将方法与技能分为了解和掌握两个层次,明确重点和难点。比较简单的内容,采取学生自学方式,如电力系统负荷的讲解。教师在课前介绍本章内容、重点和难点,并给学生介绍相关内容的期刊和书籍并布置习题,下次上课提问总结,让学生加深对所学内容的理解;重点难点内容采取教师讲授方法,并辅之于实验教学及案例教学等方法。这种方法提高了学生的学习能力和表达能力。
  2.案例教学方法
  “电气工程基础”课程理论性强、解题灵活、难点较多,是一门又难教又难学的课程。而这门课程又与我们的日常生活和实际工程有着密切的关系,三峡工程、全国电网联网、新能源等问题都与这门课的知识有着深刻的联系。因此讲授新内容时,可以先通过日常生活或工程实际中的典型事例引出,学生会觉得这些事例就在身边或非常实用,这样就能一下子抓住他们的注意力,大大增加学习的兴趣。
  为了提高学生运用电气工程基础知识解决实际问题的能力,我们通过查阅电力系统中与“电气工程基础”知识相关的研究及应用论文,同时将电力局面对的实际问题进行整理,提炼出案例。如在讲授电力系统无功功率与电压调整这部分内容时,可设计案例:某工厂由于功率因数过低,导致每月均有大量罚款,而该工厂认为这项罚款不可避免,可以改善吗?在讲授电力系统潮流分布中环路电势的概念前,将某电厂在先后购置的两台变压器并联运行时出现的环网损耗的计算作为实际案例。在讲授电力系统稳定性这部分内容时,设计的案例是:收集8·14美加大停电事故的相关资料,思考原因以及对我国电网的启示。通过案例教学,首先利用电子邮件将案例发给学生,学生以小组为单位讨论,形成一定的结论,并做成PPT课件,上课时各组派代表讲解,大家充分讨论,教师根据学生解决问题的思路适时提出有启发性或能够引起积极思考的问题,鼓励学生独立思考,开拓思维。在讨论的基础上进行有针对性的统一的知识点讲解。案例教学提高了学生分析问题、解决问题的能力和创新能力,同时也提高了学生的语言表达能力和心理素质,激发了他们的学习兴趣,形成教师与学生互动的学习氛围。
  3.启发式教学方法
  早在二千多年前,伟大的教育家孔子曾说过“不愤不启、不悱不发”(论语述而),意思是说:“教导学生,不到他冥思苦想却想不出来的时候,不去开导他,不到他想说出来却说不出来的时候,不去启发他”。这种教学思想正是我们现在所提倡的“启发式”教学思想。作为一种教学方法,“启发式”教学法是符合教学基本规律的,通过“启发疏导,循循善诱”,科学地让学生开动脑筋、积极思维、主动实践,以达到掌握知识、技能,发展智力,形成一定的观点的目的。体现了以教师为主导、学生为主体的一种民主、科学的教学方法。
  在实际教学中,这种教学方法虽无定式,但都有章可循,我们设计了以下几种方法。
  (1)直观式启发。“电气工程基础”课程涉及大量电力系统元件的学习,虽然实际生活中都能接触到,但学生并没有把实际物件和课堂上的讲授结合起来,因此总是感到不能很好理解。为此,在上课过程中将相关元件拿到课堂,提出问题,引导思考,并以感性认识抽出理性知识来进行讲课和演示,学生很快理解了课程内容。如异步电动机、变压器、电缆线、架空线、金具、绝缘子等。
  (2)图示启发。“电气工程基础”课程中很多知识都看似独立,例如线路、变压器等元件的计算,学生往往死记硬背地掌握具体计算公式,但由于缺少实际设计背景,学生难以建立电力系统的整体概念。为此,考虑将某电网的实际接线利用MATLAB/SIMULINK(我系将MATLAB的学习作为同期的教学课程)实现,直接给学生看到实际电力系统。在具体讲解发电机、变压器、线路、负荷等各环节时,只要打开仿真中对应元件的参数对话框,由于仿真中需要的参数往往不是元件出厂铭牌上给定的参数,学生一般都会显得束手无措,此时再引导学生到书本中的相关章节去寻找答案,学生立刻就明白了各种元件参数计算公式的意义。通过这种图示启发,尽管学生没有到实际现场,但对该电力系统的主要元件、结构、参数计算已相当了解。此外,在同步发电机基本方程的内容讲解中,也需要大量使用图示的方法,只有这样,学生才可能理解旋转的转子和静止的定子间复杂的电气和电磁关系。
  (3)设疑启发。“电气工程基础”课程有些内容处于发展中,有些内容则属于基础,都可以通过设疑的方式对学生起到启发作用。例如在讲解频率概念时,可以设疑“我国电力系统为什么选50Hz作为基频?频率越高越好还是越低越好?”,“国外买的60Hz的工作频率的电器在我国可以用吗?受影响吗?”;在讲解年最大负荷曲线时,直接设疑“为什么夏天的负荷处在低谷并安排检修,这不是和我们平时的夏天缺电现象完全相反吗?”对于处于发展中的内容,如负荷建模,电压稳定性、FACTS装置对系统的影响、分布式电源的产生及发展等内容,授课过程中只需要讲清各种理论方法产生的背景,应用条件、解决了哪些问题,存在的欠缺等,引导学生产生疑问或矛盾(为什么要发展?什么原因?什么意义?),积极动脑思考,积极查阅资料,由学生独立概括得出结论,或者也可先拿出错误结论,然后通过去伪存真、去粗取精,从错误中找出正确答案。该方法调动了学生学习积极性,获得良好的教学效果。
  (4)类比启发。类比是将某些有共同属性的知识归类,进行比较,启发学生找出共同点,使学生准确地把握某些知识复杂公式推导后面的物理意义。例如,在讲解派克变换前先引入站台和飞驰的火车之间的坐标关系;在讲解电力系统稳定概念前利用机械摇摆球的运动轨迹作为类比来讲解小干扰稳定、大干扰稳定、新的稳定等概念;在讲授架空线路序阻抗时,精讲单回路-大地导线、三相架空线、带架空地线的三相架空线的序阻抗的计算,然后提出双回路架空线、带架空地线的双回路架空线应该如何进行序阻抗的计算的问题,要求学生用类比的方法,提出求解思路、给出序阻抗变化的判断。通过这种方法,达到举一反三,触类旁通的教学效果。
  (5)有序启发。也称“程序启发”,按课题内容的规律性和教学过程的规律性,设计一套符合学生认识规律的程序,也可设计程序性练习,把复杂问题分解,分散难点,降低思维梯度,用前一问题启发后一问题,用后一问题深化前一问题,最后实现整体突破。比如架空线路的电感参数计算这部分,我们设计的程序启发过程是:单根长导线自感-两根平行长导线互感-对称排列的三相导线电感-不对称排列的三相导线电感-分裂的三相导线电感。该过程中,每一个后续部分都是前一个问题的深化,层层剖析、环环相扣,使学生的思维时刻处于警戒的敏锐状态,甚至在我们自然而然地提出下一问题前就提前想好了解决办法。
  4.鼓励学生上讲台
  教学本身就是“教”与“学”的配合、教师与学生的互动过程。过去授课时基本上是老师讲课学生听,无法体会学生听课的心情。现代教育强调的是“以学生为中心”,为了调动学生积极性,发挥他们的潜能,目前我们正在进行精心的选择和充分的准备,拟安排学生讲3学时课程,每次讲1个小时。负荷的组成与负荷曲线、有功功率平衡和负荷的经济分配、恒定电势源电路的三相短路过程的部分内容暂定为讲解内容。相信通过这种方式的尝试,能加强教与学的交流,加深教师与学生之间的理解,激发学生学习的兴趣,并受到学生们的欢迎。
  5.基于仿真的教学方法
  基于仿真的教学方法是我们课题组主要尝试的方法之一。通过4年的归纳总结,我们不但出版了高等学校电子与电气工程及自动化专业“十一五”规划教材一本(《电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用》),更多的是建立了大量的仿真案例,通过将这些仿真案例用在输电线路稳态和暂态模型、各种基于计算机编程的潮流计算方法、同步发电机电磁暂态数学模型、派克变换、同步电机三相短路分析、不对称短路故障分析、机电暂态分析、电压稳定性分析等既难教又难学的内容中,学生可观察各种短路后的波形、可判断系统的稳定性、可验证潮流计算结果、可获取不同坐标变换后的直观比较。既调动学生学习兴趣,又帮助学生抓住重点,理解物理概念,在公式推导和定量计算方面,更加着重方法、思路的学习,而不是盲目地背公式。
  6.多媒体的运用
  毋庸置疑,多媒体课件的出现成为现代教学中一道独特的风景线,任何一名教师都无法回避多媒体的合理运用。我们的授课环节亦如是,经过6年的归纳、整理、编辑,利用Flash制作了离心式机械液压调速系统、同步发电机定转子示意图、暂态稳定中大扰动后发电机转子的相对运动示意图,利用PowerPoint制作了2000余页的教学课件,配合现场录制的各种录像,如电晕放电现象、变压器的组装等,以及大量电气系统实际图片,加上文字教材,以文字、图形、图片等多种表现形式,充分发挥多媒体教学信息量大、形象直观、交互性好的特点,同时将电力工业的新发展、新方向、新动态引入到课堂中,如热门的分布式能源、08年的雪灾、特高压输电系统等),增大课堂教学信息量,提高课堂教学效率,得到学生的好评。
  二、结束语
  目前,我院的电气工程专开设了电气传动及控制、建筑电气和电力系统及其自动化三个专业方向。上好“电气工程基础”课程,既可使学生能综合应用数学、电路、电磁场、电机、计算方法等理论,掌握电力系统分析的理论与方法;又可提高综合运用基础理论解决科学、技术和工程问题的能力。因此积极探讨“电气工程基础”课堂教学方法,有助于培养学生学习能力,拓宽学生知识面,提高综合素质,提高学生的创新能力和动手能力,保证知识、能力、素质的相互协调。
  
  参考文献:
  [1]王晶,沈月月.MATLAB/SIMULINK 在“电力系统分析”教学中的应用[J].中国电力教育,2008专刊.
  [2]王晶,徐爱亲.MATLAB/SIMULINK在电力系统暂态分析中的应用[C].第5届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(上),西安交通大学,2008.
  [3]王晶,翁国庆,张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.
  [4]娄素华,吴耀武,尹项根,等.“电气工程基础”课程建设研究与实践[J].电气电子教学学报,2007.
  (责任编辑:苏宇嵬)
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