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摘要：电机类课程是电气工程学科的主干课程，也是比较难掌握的专业课程。立足于学生学习兴趣和热情的激发，教师提出了一种“形象描述，逆向分析，简化推导，仿真实验”的教学方法，将抽象的物理概念具体化，让学生看得见，记得牢；提出理论教学中穿插仿真模拟演示，并结合开放性实验教学，激发学生学习上的主动性，培养动手和创新能力。
关键词：形象化教学；逆向分析；创新思维；主动性
作者简介：张今朝（1971-），男，安徽庐江人，嘉兴学院机电工程学院，讲师；王燕芳（1978-），女，浙江诸暨人，嘉兴学院机电工程学院，研究实习员。（浙江嘉兴314001）
基金项目：本文系嘉兴学院机电工程学院2011年度教改项目（项目编号：JD2011A07、JD2011A04）的研究成果。
中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）10-0066-02
电机类课程主要包括“电机学”、“电机及拖动”、“电力拖动与自动控制系统”等，是电气及其自动化专业的主要课程，也是传动与控制工程学科的支柱课程。这些课程涉及电路原理、控制理论、电力电子技术、信号处理等方面的知识。由于专业知识牵涉其他课程知识较多，传统的灌输式教学方法难以在有限的教学时间里，使学生能听懂和掌握。因此，探索新的有效的教学方法，提高电气工程及其自动化专业教学水平和质量，有着重要的建设意义。[1-3]
另外，在新的历史条件下，大众化高等教育已不同于精英教育，传统的教学方法不再适合大部分学生。[4]探索一种多元化、简明式、重实践的教学方法更有利于学生的培养。本文针对电机类课程教学过程中存在的问题进行了深入分析，并提出一些新的见解和思路，对于学生毕业后能快速融入社会，适应工作岗位有着重要的现实意义。
一、课程教学中几个主要的学习障碍
随着现代电机设计及控制领域技术的不断深化，无论是实际应用还是理论研究，电机作为研究对象的分类都是极为丰富的，从普通的直流电机和交流电机，再细分到有刷直流电机、单相和多相的交流异步电机、同步电机、微特电机等，研究内容从电机本体到运动控制自动化系统，范围极其广泛。但在大学本科阶段，课程设置只是最基本的三门：电机学、电力拖动与控制基础（有的把这两门课划为一门电机与拖动）、电力拖动与自动控制系统。有的学校还另设交流调速或控制电机课程。内容安排基本以直流电机、交流电机及拖动为主，这是掌握后续课程的基础。尽管内容不是很多，要在有限的课时里，掌握好电机类课程相关知识，如果缺少有效的教学方法和学习热情，效果只能是事倍功半。
1.学习过程困惑不断，兴趣锐减
笔者在几年的教学工作调查中发现，很多学生在刚接触电机类课程时，兴趣很浓，并且想把这门课学好、学透。因为教学安排的上课时间过于集中，内容过多，教师必须在有限的课时里，把所有的内容灌输给学生。经过一段时间的学习之后，学生遇到的难点越积越多，第一个问题还没有弄懂，新的问题又接踵而至。时间一长，学生就毫无招架之力，兴趣也就不复存在。演变成最后的结果是：上课如听天书，一头雾水。这样的恶性循环延续到期末，学习效果可想而知了。
2.教学方法不当，学生晕头转向
在课堂教学上，有的老师照本宣科，学生也觉得没有必要再听下去，最终造成课堂教学很被动。
在一些基本概念上，老师没有讲透，本来就是比较抽象的东西，如电机定、转子气隙之间的磁场（或磁链）形状和运动状态，如何用转差率体现转子感应电动势大小和方向等，如果类似这些概念学生一开始就没有弄懂，后续内容学生也不会明白的。当然，有的内容讲得过细，学生也不容易接受。“电机拖动”课程中有很多公式，如果每个公式都经过大幅度纯数学推导，数学基础比较差的学生，便会陷在里面，不仅对数学公式无从下手，数学所表达物理意义更不会明白，从而逐渐失去学习兴趣。
3.实验过程过于单调，无直观认识
实验教学是电机类课程教学的重要一环，很多原理或参数测试需要在实验平台上验证，也给学生提供了对理论知识作进一步理解的机会。但现在很多学校的实验室普遍采用的都是那种集成度很高的实验柜（封闭挂箱），外观上看，是面板加插线孔组成实验平台系统（如图1所示）。这种实验台从面板示意图来看比较直观，操作上也比较方便。但是，学生在实验过程中的学习效果并不理想。因为，所有的硬件设备封闭在一个柜子里，学生只能通过面版上的符号去了解设备之间的联结，而对面板隔离下的硬件了解不够，对实验过程和结果只停留于肤浅的层面上，见效不大。
二、教学中的新思路探索
1.抽象概念的形象化教学
针对电机类专业知识较抽象、内容较繁杂的情况，在教学一开始，需要让学生了解这门课程大概的知识结构。所以，教师需要对所讲内容有一个精心的设计和安排。
（1）精心设计授课内容，把握全面，突出重点。按照知识点之间的连贯性，理出一条知识串，即知识结构。考虑到大纲要求和给定的课时，将知识点进行优化，讲授的内容顺序应该是从直流到交流电机；其中交流电机部分，先讲异步电机再讲同步电机；而拖动部分的知识点，可以在每种电机基本概念讲完之后补上，也可以集中在一起，这样有利于知识的回顾和对比，在全面把握的基础上，找出重点难点。如气隙磁场、定子转子绕组结构、直流电机和交流电机的参数方程、转差率、交直流电机的各种运转状态等，同步电机，重点是Ｖ形曲线和功角特性的原理；微特电机部分，可以不作重点讲授，对每一种类型的控制电机做一个特性描述即可。
（2）知识难点，形象化教学方式逐一突破。电机作为一个实体对象，本身结构并不复杂，难点主要集中在一些实实在在的却看不见的东西上，例如磁链。很多学生在学完所有电机课程之后，对磁链的形态还是稀里糊涂，不明就里。其实，不管是教学上还是科研领域里，磁鏈的辨识和调节，本身就是一个难点，并且已涌现出很多深奥的估计算法和前沿的控制方法。对于刚接触电机的学生来说，只能用最直观的方法让他们看得见。如对于直流电机来说，磁链的形状在理想的状态下是静止的；而对于三相异步电机来说，它的三相合成磁场运行方式，类似于正旋转于一个人腰间的呼拉圈，对于每个固定位置，磁场的大小起伏是正弦式变化，而合成磁场的最大值，则呈一个正圆在旋转。这样的解释，学生们便更容易理解了。
（3）简化电机模型推导过程，深入浅出。电机类课程的学习离不开电机及运动方程的推导和分析，例如电力拖动与自动控制系统部分的各参数方程和高阶运动方程，其特点是多变量、强耦合、非线性。有的老师在这里忽略了学生接受能力，一头钻进层层的公式推导中去。海量的板书工作，学生很难跟上老师的讲解进度，只能望黑板兴叹。在这里不防简化一些，将公式先展现给学生，向学生介绍公式的类型、描述的状态、相关参数即可。如下公式表示的在αβ坐标系下，三相异步电动机以为状态变量的状态方程。[5]讲授重点不是公式的推导，而是状态方程中，输入量、输出量和状态变量的关系，特别是状态变量的选择，它对于输入输出的影响起到什么样的作用。模型也只是选择不同坐标时所表达的一种形式而已。
2.逆向分析
在教学中，经常会遇到电机调速和控制系统，学生有时难以将整个回路的原理全部理解。如图2所示为三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图。[5]为便于学生理解，可以采用逆向分析方法，即把控制的对象作为起点，根据5个模块由后向前进行原理分析，慢慢推进。分析的顺序为：1—2—3—4—5。对于模块1，是控制对象，为一台三相异步电动机，三相线接于定子，电动机的运行状态，完全由三相线路中的电流（或电压）及频率来确定，而电流（或电压）和频率的变化则用模块2部分的PWM控制逆变器来完成。3和4负责磁链计算及电流变换等。最后5的作用是控制信号的给定、转子磁链调节及转速调节。然后对每个模块再分别进行分析，讲解的深入程度，要视情况而定，因为这5个模块的内容，如果展开细讲，对于初学者都具有一定的难度。需要经过后期的学习和实践，再回过头来学习才能彻底弄懂。
三、仿真实验在教学中的作用
1.仿真环境中抽象概念的构建
仿真模拟实验，无疑是加深电机类专业知识理解的重要环节，也是进行实体实验前必须要做的工作。目前电机类课程所用的仿真软件，以MATLAB软件为主导，主要利用MATLAB语言和Simulink仿真环境对电机及传动类系统进行建模与控制模拟。[6]通过输入输出参数的波形来了解系统的运行状态，对于后续的实体实验具有重要的参考和铺垫作用。
例如，在异步电机直接转矩控制（DTC）一节内容里，涉及异步电机定子磁链估计与控制，磁链幅值的大小等于电压与频率的比值，的方向和磁链矢量为正交关系，即磁链圆的切线方向。当磁链矢量在空间坐标系中旋转一周时，电压矢量也会连续地按磁链圆的切线方向运动2π个弧度。开环条件下，通过驱动电压逆变器的开关信号决定各种电压矢量与零电压矢量的切换来实现磁链调节，将电压矢量的参考电压矢量的参考点放在一起，则电压矢量的轨迹也将会是一个圆。
通过简单直观的仿真模拟，学生就更容易掌握磁链变化的过程。
2.开放性实验平台的构建是培养动手能力的关键
如果理论教学还停留在纸上谈兵的状态上，实验教学则是培养学生动手能力，激发创新思维的根本。新的实验教学应该摒弃那种“插几根线”就完成实验操作的无效劳作，应该有着新的实验方法和思路。
（1）详细的预案。基于实验教学大纲和现有的实验条件，学生在做实验之前，必须自拟一套实验方案，这种方案不一定按照大纲的“规范操作步骤”，而是根据自己理解特色，这种方案的制订既可以是用表格形式，也可以用简短报告形式。
（2）掌握实验设备的基本特性和参数。实验中所涉及的设备，其原理和参数描述，必须先逐个了解，并作记录。如所用三相异步电动机的铭牌参数，转子类型等；测功机的原理和精度，变频器类型及相关参数等。设备上没有标出的，需要进行查阅。
（3）自主搭建实验平台系统。实验设备的搭建，是训练动手能力的关键。摒弃封闭式实验插线柜，而是将所有的设备开放性放在一定的实验平台或挂架上，让学生对设备充分了解之后，再在指导教师的指导下进行线路的联结与调节。由于设备数量的限制，可以将学生进行分组，小组内再进行分工，协调开展实验活动。
（4）实验与创新项目结合，提升创新能力。学生可以结合各种创新项目，如SRT项目，或教师的科研项目等，参与到科研中来，这样在实验教学中，学生不仅有着浓厚的兴趣，也有了明确的目标，学生的动手能力和创新能力会明显提高。
四、结束语
提高教学质量，培养创新型人才，一直是本科院校追求的目标。在大众化教学的背景下，从丰富教学方法着手，一方面将抽象的专业理论知识讲解得深入浅出，使学生易懂易掌握，保持充分的兴趣和学习热情；另一方面，通过实践环节，培养学生的动手能力和创新能力。在教学实践中不断探索新的思路，保证人才培养模式可持续健康發展。
参考文献：
[1]王淑芳,刘长青,李一男.“电机及驱动技术”课程教材改革方向探讨[J].中国电力教育,2010,(1):129-130.
[2]王冰峰.关于《电机与拖动》课程教学的几点思考[J].高等教育研究,
2002,(4):82-84.
[3]钱晓耀,陈卫民,蔡慧.“电力拖动自动控制系统”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2009,(13):61-63.
[4]王志伟,邹超英.应用型理工类本科人才创新教育的研究与实践[J].黑龙江高教研究,2010,(11):126-127.
[5]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
[6]田浩.MATLAB在电机教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报,
2006,(2):108-112.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：形象化教学；逆向分析；创新思维；主动性
作者简介：张今朝（1971-），男，安徽庐江人，嘉兴学院机电工程学院，讲师；王燕芳（1978-），女，浙江诸暨人，嘉兴学院机电工程学院，研究实习员。（浙江嘉兴314001）
基金项目：本文系嘉兴学院机电工程学院2011年度教改项目（项目编号：JD2011A07、JD2011A04）的研究成果。
中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）10-0066-02
电机类课程主要包括“电机学”、“电机及拖动”、“电力拖动与自动控制系统”等，是电气及其自动化专业的主要课程，也是传动与控制工程学科的支柱课程。这些课程涉及电路原理、控制理论、电力电子技术、信号处理等方面的知识。由于专业知识牵涉其他课程知识较多，传统的灌输式教学方法难以在有限的教学时间里，使学生能听懂和掌握。因此，探索新的有效的教学方法，提高电气工程及其自动化专业教学水平和质量，有着重要的建设意义。[1-3]
另外，在新的历史条件下，大众化高等教育已不同于精英教育，传统的教学方法不再适合大部分学生。[4]探索一种多元化、简明式、重实践的教学方法更有利于学生的培养。本文针对电机类课程教学过程中存在的问题进行了深入分析，并提出一些新的见解和思路，对于学生毕业后能快速融入社会，适应工作岗位有着重要的现实意义。
一、课程教学中几个主要的学习障碍
随着现代电机设计及控制领域技术的不断深化，无论是实际应用还是理论研究，电机作为研究对象的分类都是极为丰富的，从普通的直流电机和交流电机，再细分到有刷直流电机、单相和多相的交流异步电机、同步电机、微特电机等，研究内容从电机本体到运动控制自动化系统，范围极其广泛。但在大学本科阶段，课程设置只是最基本的三门：电机学、电力拖动与控制基础（有的把这两门课划为一门电机与拖动）、电力拖动与自动控制系统。有的学校还另设交流调速或控制电机课程。内容安排基本以直流电机、交流电机及拖动为主，这是掌握后续课程的基础。尽管内容不是很多，要在有限的课时里，掌握好电机类课程相关知识，如果缺少有效的教学方法和学习热情，效果只能是事倍功半。
1.学习过程困惑不断，兴趣锐减
笔者在几年的教学工作调查中发现，很多学生在刚接触电机类课程时，兴趣很浓，并且想把这门课学好、学透。因为教学安排的上课时间过于集中，内容过多，教师必须在有限的课时里，把所有的内容灌输给学生。经过一段时间的学习之后，学生遇到的难点越积越多，第一个问题还没有弄懂，新的问题又接踵而至。时间一长，学生就毫无招架之力，兴趣也就不复存在。演变成最后的结果是：上课如听天书，一头雾水。这样的恶性循环延续到期末，学习效果可想而知了。
2.教学方法不当，学生晕头转向
在课堂教学上，有的老师照本宣科，学生也觉得没有必要再听下去，最终造成课堂教学很被动。
在一些基本概念上，老师没有讲透，本来就是比较抽象的东西，如电机定、转子气隙之间的磁场（或磁链）形状和运动状态，如何用转差率体现转子感应电动势大小和方向等，如果类似这些概念学生一开始就没有弄懂，后续内容学生也不会明白的。当然，有的内容讲得过细，学生也不容易接受。“电机拖动”课程中有很多公式，如果每个公式都经过大幅度纯数学推导，数学基础比较差的学生，便会陷在里面，不仅对数学公式无从下手，数学所表达物理意义更不会明白，从而逐渐失去学习兴趣。
3.实验过程过于单调，无直观认识
实验教学是电机类课程教学的重要一环，很多原理或参数测试需要在实验平台上验证，也给学生提供了对理论知识作进一步理解的机会。但现在很多学校的实验室普遍采用的都是那种集成度很高的实验柜（封闭挂箱），外观上看，是面板加插线孔组成实验平台系统（如图1所示）。这种实验台从面板示意图来看比较直观，操作上也比较方便。但是，学生在实验过程中的学习效果并不理想。因为，所有的硬件设备封闭在一个柜子里，学生只能通过面版上的符号去了解设备之间的联结，而对面板隔离下的硬件了解不够，对实验过程和结果只停留于肤浅的层面上，见效不大。
二、教学中的新思路探索
1.抽象概念的形象化教学
针对电机类专业知识较抽象、内容较繁杂的情况，在教学一开始，需要让学生了解这门课程大概的知识结构。所以，教师需要对所讲内容有一个精心的设计和安排。
（1）精心设计授课内容，把握全面，突出重点。按照知识点之间的连贯性，理出一条知识串，即知识结构。考虑到大纲要求和给定的课时，将知识点进行优化，讲授的内容顺序应该是从直流到交流电机；其中交流电机部分，先讲异步电机再讲同步电机；而拖动部分的知识点，可以在每种电机基本概念讲完之后补上，也可以集中在一起，这样有利于知识的回顾和对比，在全面把握的基础上，找出重点难点。如气隙磁场、定子转子绕组结构、直流电机和交流电机的参数方程、转差率、交直流电机的各种运转状态等，同步电机，重点是Ｖ形曲线和功角特性的原理；微特电机部分，可以不作重点讲授，对每一种类型的控制电机做一个特性描述即可。
（2）知识难点，形象化教学方式逐一突破。电机作为一个实体对象，本身结构并不复杂，难点主要集中在一些实实在在的却看不见的东西上，例如磁链。很多学生在学完所有电机课程之后，对磁链的形态还是稀里糊涂，不明就里。其实，不管是教学上还是科研领域里，磁鏈的辨识和调节，本身就是一个难点，并且已涌现出很多深奥的估计算法和前沿的控制方法。对于刚接触电机的学生来说，只能用最直观的方法让他们看得见。如对于直流电机来说，磁链的形状在理想的状态下是静止的；而对于三相异步电机来说，它的三相合成磁场运行方式，类似于正旋转于一个人腰间的呼拉圈，对于每个固定位置，磁场的大小起伏是正弦式变化，而合成磁场的最大值，则呈一个正圆在旋转。这样的解释，学生们便更容易理解了。
（3）简化电机模型推导过程，深入浅出。电机类课程的学习离不开电机及运动方程的推导和分析，例如电力拖动与自动控制系统部分的各参数方程和高阶运动方程，其特点是多变量、强耦合、非线性。有的老师在这里忽略了学生接受能力，一头钻进层层的公式推导中去。海量的板书工作，学生很难跟上老师的讲解进度，只能望黑板兴叹。在这里不防简化一些，将公式先展现给学生，向学生介绍公式的类型、描述的状态、相关参数即可。如下公式表示的在αβ坐标系下，三相异步电动机以为状态变量的状态方程。[5]讲授重点不是公式的推导，而是状态方程中，输入量、输出量和状态变量的关系，特别是状态变量的选择，它对于输入输出的影响起到什么样的作用。模型也只是选择不同坐标时所表达的一种形式而已。
2.逆向分析
在教学中，经常会遇到电机调速和控制系统，学生有时难以将整个回路的原理全部理解。如图2所示为三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图。[5]为便于学生理解，可以采用逆向分析方法，即把控制的对象作为起点，根据5个模块由后向前进行原理分析，慢慢推进。分析的顺序为：1—2—3—4—5。对于模块1，是控制对象，为一台三相异步电动机，三相线接于定子，电动机的运行状态，完全由三相线路中的电流（或电压）及频率来确定，而电流（或电压）和频率的变化则用模块2部分的PWM控制逆变器来完成。3和4负责磁链计算及电流变换等。最后5的作用是控制信号的给定、转子磁链调节及转速调节。然后对每个模块再分别进行分析，讲解的深入程度，要视情况而定，因为这5个模块的内容，如果展开细讲，对于初学者都具有一定的难度。需要经过后期的学习和实践，再回过头来学习才能彻底弄懂。
三、仿真实验在教学中的作用
1.仿真环境中抽象概念的构建
仿真模拟实验，无疑是加深电机类专业知识理解的重要环节，也是进行实体实验前必须要做的工作。目前电机类课程所用的仿真软件，以MATLAB软件为主导，主要利用MATLAB语言和Simulink仿真环境对电机及传动类系统进行建模与控制模拟。[6]通过输入输出参数的波形来了解系统的运行状态，对于后续的实体实验具有重要的参考和铺垫作用。
例如，在异步电机直接转矩控制（DTC）一节内容里，涉及异步电机定子磁链估计与控制，磁链幅值的大小等于电压与频率的比值，的方向和磁链矢量为正交关系，即磁链圆的切线方向。当磁链矢量在空间坐标系中旋转一周时，电压矢量也会连续地按磁链圆的切线方向运动2π个弧度。开环条件下，通过驱动电压逆变器的开关信号决定各种电压矢量与零电压矢量的切换来实现磁链调节，将电压矢量的参考电压矢量的参考点放在一起，则电压矢量的轨迹也将会是一个圆。
通过简单直观的仿真模拟，学生就更容易掌握磁链变化的过程。
2.开放性实验平台的构建是培养动手能力的关键
如果理论教学还停留在纸上谈兵的状态上，实验教学则是培养学生动手能力，激发创新思维的根本。新的实验教学应该摒弃那种“插几根线”就完成实验操作的无效劳作，应该有着新的实验方法和思路。
（1）详细的预案。基于实验教学大纲和现有的实验条件，学生在做实验之前，必须自拟一套实验方案，这种方案不一定按照大纲的“规范操作步骤”，而是根据自己理解特色，这种方案的制订既可以是用表格形式，也可以用简短报告形式。
（2）掌握实验设备的基本特性和参数。实验中所涉及的设备，其原理和参数描述，必须先逐个了解，并作记录。如所用三相异步电动机的铭牌参数，转子类型等；测功机的原理和精度，变频器类型及相关参数等。设备上没有标出的，需要进行查阅。
（3）自主搭建实验平台系统。实验设备的搭建，是训练动手能力的关键。摒弃封闭式实验插线柜，而是将所有的设备开放性放在一定的实验平台或挂架上，让学生对设备充分了解之后，再在指导教师的指导下进行线路的联结与调节。由于设备数量的限制，可以将学生进行分组，小组内再进行分工，协调开展实验活动。
（4）实验与创新项目结合，提升创新能力。学生可以结合各种创新项目，如SRT项目，或教师的科研项目等，参与到科研中来，这样在实验教学中，学生不仅有着浓厚的兴趣，也有了明确的目标，学生的动手能力和创新能力会明显提高。
四、结束语
提高教学质量，培养创新型人才，一直是本科院校追求的目标。在大众化教学的背景下，从丰富教学方法着手，一方面将抽象的专业理论知识讲解得深入浅出，使学生易懂易掌握，保持充分的兴趣和学习热情；另一方面，通过实践环节，培养学生的动手能力和创新能力。在教学实践中不断探索新的思路，保证人才培养模式可持续健康發展。
参考文献：
[1]王淑芳,刘长青,李一男.“电机及驱动技术”课程教材改革方向探讨[J].中国电力教育,2010,(1):129-130.
[2]王冰峰.关于《电机与拖动》课程教学的几点思考[J].高等教育研究,
2002,(4):82-84.
[3]钱晓耀,陈卫民,蔡慧.“电力拖动自动控制系统”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2009,(13):61-63.
[4]王志伟,邹超英.应用型理工类本科人才创新教育的研究与实践[J].黑龙江高教研究,2010,(11):126-127.
[5]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
[6]田浩.MATLAB在电机教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报,
2006,(2):108-112.
（责任编辑：宋秀丽）