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[摘要]“电机控制”是一门应用性很强的专业课,其教学改革与创新将促进教师自身素质、教学水平和科研水平的提高。本文针对目前“电机控制”课程教学环节存在的种种弊端,深入地论述了该课程进行理论教学改革的新思路,以更好地提高教学质量,启发学生思维,激发学生的学习兴趣,培养学生分析、综合和应用能力。
[关键词]电机控制 启发式教学 创新能力
一、引言
当今社会正在向知识经济发展,而知识经济的核心是人才,人才在于教育和培养。主动适应社会对人才的需要是教育的本质决定的,也是高校人才培养工作的出发点和落脚点,准确把握时代发展的脉搏和特征是教学工作的基本依据。“电机控制”是高等学校电气工程及其自动化学科的一门重要课程,教学难度大,而目前的教学内容、教学方法和实验方法凸显出很多的弊端,已经不能满足当前社会对人才培养的要求,不符合时代发展的趋势。因此,作者在总结多年来从事“电机控制”课程的教学和工程实践的基础上,对该课程的课堂教学环节的改革进行了大胆的尝试和探索,并收到了很好的效果。
二、目前“电机控制”课程教学的现状及问题
“电机控制”课程的特点是涉及科目多,课程难度大,涉及到“电机学”、“电力电子技术”、“自动控制”、“电机测量”和“计算机控制”等多门前期基础课程,而对这些课程的掌握程度都将直接影响到“电机控制”这门课的学习效果。
目前,各工科院校在“电机控制”的课堂教学和实验教学环节中存在以下诸多不足:
1.教学内容枯燥,不注重内容的更新和拓展。“电机控制”是一门实用性很强的课程,目前的电机控制教材主要以控制理论为主,不仅控制方法过时,而且应用实例很少,学生看起书来吃力而且积极性不高。
2.教学方法过时。教师的教学方法仍然只注重知识的传授,没有实物演示,和学生也没有互动,无法启发学生的求知欲望,学生只是在忙于记笔记,课堂教学效果很差。
3.传统的实验平台设备落后。大部分仍采用模拟电路构成的电机调速系统,不仅系统设计复杂、体积庞大、抗干扰性差、参数整定繁琐,而且调速性能也不好。
4.教师实践经验的不足。一线年轻教师和实验教师大多为刚毕业的研究生或博士生,理论性强而实际动手能力不足是他们的共性,因此难免在课堂教学中存在“理论”和“实际”相脱节的问题,既影响了学生的学习兴趣,课堂气氛不活跃,反过来也会影响到教师的教学心态,严重时会造成恶性循环。
由此可见,目前的课堂和实验教学存在着诸多问题,普遍存在着教学方法呆板,缺乏启发式、研究式的学习氛围,重理论、轻实践,这些都不利于激发学生思考新问题、培养创新欲望,不利于培养学生发现和解决问题的能力,更谈不上创新意识和创新能力的培养。
三、“电机控制”课程改革的措施
针对“电机控制”课程的教学现状,提出了改变课堂上单一理论教学的方式,在课堂教学中引入工程实例,由原来的教师讲授变成现在的启发、探讨,并将新颖的实验教学平台引入本科生的课堂教学和实验教学,在很大程度上解决了传统教学和实验环节的诸多不足,使“教”和“学”更具针对性。
1.启发式教学,调动学生学习积极性
在课堂上,教师以学生为主体采用启发式教学,在教学过程中学生获取的知识不是被动地由教师直接灌输而来,而是在教师的引导启发下,主动地通过自己的积极思考或联想而得来的。教师紧紧抓住学生的注意力,引起学生共鸣,从而引导学生去思考,并且给学生留出充分的思维空间。学生通过这样的多次学习,养成了勤于思考的好习惯,并提高了分析和解决问题的能力,培养了创新意识和能力。这种教学方式保证了学生是教学活动的主体,教师是教学活动的引导者,从而充分地发挥了两者的积极性。同时,在教学中引入工程实例,则大大增强了学生的学习热情。
2.将新颖的实验平台直接引入课堂中,激发学生的学习兴趣
本人长期从事“电机控制”的教学和科研工作,深知一个针对性强的教学实验平台对教学的作用,为此针对该门课程相继开发了直流电机控制器、异步电机变频调速控制器、无刷直流电动机控制器、步进电机控制器及开关磁阻电机控制器等。将这些控制器引入课堂教学,增强了学生的好奇心和求知欲,使学生在第一时间就能够接触到实物,学生见到了各个硬件模块,通过老师现场的演示和对各个模块的讲解,使学生了解了各个模块的功能,更加容易理解所学的知识,开拓了学生的视野,从而达到了很好的教学效果。
3.开放性的实验环境培养学生的创造力
实验在整个教学环节中有着非常重要地位,关系到学生是否能够真正掌握所学的理论知识,做到学以致用,实现理论与实践相结合,提高举一反三的能力。由此,我们采用开放性的实验,开放性实验与传统实验平台不同,不仅仅要求实验室开放,实验的设备也要开放,实验设备采用积木式结构,开放至底层元器件级别,灵活性好,可扩展能力强。学生能够接触到真正的实验平台,小到电阻、电容、二极管,大到DSP、IGBT和电机,学生能够掌握各个实验器件的使用方法,并且通过独立动手实验很清楚的了解各个元器件在系统中的功能和作用,打破了传统的“接线式”实验方法,实验设备没有了以往“神秘感”,在指导教师的引导下学生独立对系统局部模块的进行设计和调试,切实提高了学生的动手能力,很大限度地增强了学生分析问题、解决问题的能力。
同时,开放性的系统设计还增强了学生对“电子技术”、“自动控制技术”以及“C语言”等一些相关课程的学习效果,将各门课程学习有机的结合起来,有助于对电机控制系统各功能模块的深入理解。
4.重视课前答疑和课后辅导
课前答疑和课后辅导是巩固已学知识和加强和学生之间交流的重要环节,为此本人每节课都提前20分钟进入课堂,对学生在学习中遇到的问题进行及时解答,同时还定期进行课后的辅导。
四、个案研究
以下以异步电动机VVVF变频调速一节课为例说明我是如何进行教学设计的。
1.课前准备
首先对授课内容进行充分准备,并对其中的重点、难点如固有机械特性、人为机械特性、异步电机的电磁转矩表达式、恒转矩、恒功率等知识点进行重点准备;
其次,对VVVF变频调速的相关知识进行准备,如涉及到电力电子技术中SPWM、SVPWM、功率拓扑结构、自然采样法、规则采样法以及单片机C语言编程等进行认真准备;
最后,进行VVVF变频调速实验装置的调试,并将其6路控制信号、相电压波形、线电压波形用导线连出,已备授课过程中进行演示实验。
2.课堂教学
课程教学按照基础理论、系统设计以及实验验证三个步骤进行:
(1) 基础理论
1) 说明机械特性的基本概念,让学生明确机械特性是电磁转矩与转速之间的关系,在讲授异步电机机械特性之前,可以先联系直流电机的机械特性;
2) 推导异步电机的电磁转矩表达式,在此基础上说明恒磁通、恒转矩的概念,并强调说明恒磁通的实现方式以及恒转矩与最大转矩之间的联系;
3) 说明固有特性和人为特性的概念,让学生明确固有特性是在额定参量下的机械特性,而人为特性是在改变电源参量情况下的机械特性,如变压、变转子电阻以及协调变频变压时的机械特性,并强调说明恒定压频比(即恒定V/F的VVVF)调速时的机械特性。
(2) 系统设计
以所设计的基于DSP的变频调速系统实验平台为例说明如何进行变频调速系统设计。
1)系统组成
说明恒定V/F时变频调速系统的组成,即包括控制单元、驱动单元和主电路三部分,同时简要说明各部分之间的关系。
2)控制单元
说明控制单元是系统的核心部分,并说明如何采用规则采样法实现具有恒定压频比变压、变频功能的SPWM波形。熟悉并学会使用由TI公司生产的数字信号处理器TMS320LF2407,能够熟练的编程。
3)驱动单元
说明由功率型光耦TLP250构成IGBT功率驱动电路的工作原理,并对光耦隔离的作用进行详细说明。
4)对三相全桥式主电路的功率拓扑结构进行说明。
(3) 实验验证
以实验教学平台为例进行实验证,并对SPWM控制信号、TLP250功率驱动输出、线电压波形进行测试,以加深学生对异步电动机VVVF变频调速和电压利用率等的理解。学生通过动手深刻地认识课本内容,验证了理论知识,了解基本芯片,熟悉和学会使用电气工具,如电烙铁、扒线钎、吸枪等。
五、教学效果
在理论教学中联系工程实际,将教学实验平台引入课堂教学的教学方法加深了学生们对课堂所学基础理论知识的理解,极大地提高了学生们的学习热情,增强了学生的好奇心和求学欲望;同时,学生在第一时间就能够接触到实物,并可见到了系统的各个组成模块,通过老师的现场演示和对各个模块的讲解,开拓了学生的视野,达到了很好的教学效果。
六、结论
随着教育制度的改革,我国正进入高等教育大众化的时代,大学毕业生就业竞争十分激烈。用人单位不仅仅注重学生的理论知识水平,同时对学生的实践能力有着越来越高的要求,通过我们的探索发现,新的教学内容、教学方式以及开放性的实验平台有助于提高学生的综合应用能力,符合当今素质教育的要求,培养出“宽口径、复合型”的高素质专业技术人才。同时也能够培养学生独到的创新能力,不轻言失败、不轻言放弃的心理品质,培养学生与人沟通、协调的能力,良好的语言表达能力,良好的礼貌修养以及团队精神,促进他们的多元化发展。
实践表明,本人的探索大大提高了学生的学习积极性,课堂气氛活跃,学生的学习态度由过去的消极被动变成了现在的积极主动,并大大增强了学生的工程实践观念,拓宽了学生的思维,提高了学生的综合素质和教学质量,受到了学生们的广泛好评。
[参考文献]
[1]倪勇.大学生创新能力培养的研究与实践。第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2009年8月,pp:943-945
[2]孙铁成,林景波等.培养学生实践能力,创建实验教学新模式。第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2009年8月,pp:665-667
[3]吴晓,堵俊等.电气专业课程综合性、设计性实验教学改革与实践。第五届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2008年4月,pp:576-579
[4]谢卫才,黄绍平等.应用型电气工程及其自动化本科专业教学模式探索。电气电子教学学报,2008,30(8):141-144
(作者单位:哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院)
[关键词]电机控制 启发式教学 创新能力
一、引言
当今社会正在向知识经济发展,而知识经济的核心是人才,人才在于教育和培养。主动适应社会对人才的需要是教育的本质决定的,也是高校人才培养工作的出发点和落脚点,准确把握时代发展的脉搏和特征是教学工作的基本依据。“电机控制”是高等学校电气工程及其自动化学科的一门重要课程,教学难度大,而目前的教学内容、教学方法和实验方法凸显出很多的弊端,已经不能满足当前社会对人才培养的要求,不符合时代发展的趋势。因此,作者在总结多年来从事“电机控制”课程的教学和工程实践的基础上,对该课程的课堂教学环节的改革进行了大胆的尝试和探索,并收到了很好的效果。
二、目前“电机控制”课程教学的现状及问题
“电机控制”课程的特点是涉及科目多,课程难度大,涉及到“电机学”、“电力电子技术”、“自动控制”、“电机测量”和“计算机控制”等多门前期基础课程,而对这些课程的掌握程度都将直接影响到“电机控制”这门课的学习效果。
目前,各工科院校在“电机控制”的课堂教学和实验教学环节中存在以下诸多不足:
1.教学内容枯燥,不注重内容的更新和拓展。“电机控制”是一门实用性很强的课程,目前的电机控制教材主要以控制理论为主,不仅控制方法过时,而且应用实例很少,学生看起书来吃力而且积极性不高。
2.教学方法过时。教师的教学方法仍然只注重知识的传授,没有实物演示,和学生也没有互动,无法启发学生的求知欲望,学生只是在忙于记笔记,课堂教学效果很差。
3.传统的实验平台设备落后。大部分仍采用模拟电路构成的电机调速系统,不仅系统设计复杂、体积庞大、抗干扰性差、参数整定繁琐,而且调速性能也不好。
4.教师实践经验的不足。一线年轻教师和实验教师大多为刚毕业的研究生或博士生,理论性强而实际动手能力不足是他们的共性,因此难免在课堂教学中存在“理论”和“实际”相脱节的问题,既影响了学生的学习兴趣,课堂气氛不活跃,反过来也会影响到教师的教学心态,严重时会造成恶性循环。
由此可见,目前的课堂和实验教学存在着诸多问题,普遍存在着教学方法呆板,缺乏启发式、研究式的学习氛围,重理论、轻实践,这些都不利于激发学生思考新问题、培养创新欲望,不利于培养学生发现和解决问题的能力,更谈不上创新意识和创新能力的培养。
三、“电机控制”课程改革的措施
针对“电机控制”课程的教学现状,提出了改变课堂上单一理论教学的方式,在课堂教学中引入工程实例,由原来的教师讲授变成现在的启发、探讨,并将新颖的实验教学平台引入本科生的课堂教学和实验教学,在很大程度上解决了传统教学和实验环节的诸多不足,使“教”和“学”更具针对性。
1.启发式教学,调动学生学习积极性
在课堂上,教师以学生为主体采用启发式教学,在教学过程中学生获取的知识不是被动地由教师直接灌输而来,而是在教师的引导启发下,主动地通过自己的积极思考或联想而得来的。教师紧紧抓住学生的注意力,引起学生共鸣,从而引导学生去思考,并且给学生留出充分的思维空间。学生通过这样的多次学习,养成了勤于思考的好习惯,并提高了分析和解决问题的能力,培养了创新意识和能力。这种教学方式保证了学生是教学活动的主体,教师是教学活动的引导者,从而充分地发挥了两者的积极性。同时,在教学中引入工程实例,则大大增强了学生的学习热情。
2.将新颖的实验平台直接引入课堂中,激发学生的学习兴趣
本人长期从事“电机控制”的教学和科研工作,深知一个针对性强的教学实验平台对教学的作用,为此针对该门课程相继开发了直流电机控制器、异步电机变频调速控制器、无刷直流电动机控制器、步进电机控制器及开关磁阻电机控制器等。将这些控制器引入课堂教学,增强了学生的好奇心和求知欲,使学生在第一时间就能够接触到实物,学生见到了各个硬件模块,通过老师现场的演示和对各个模块的讲解,使学生了解了各个模块的功能,更加容易理解所学的知识,开拓了学生的视野,从而达到了很好的教学效果。
3.开放性的实验环境培养学生的创造力
实验在整个教学环节中有着非常重要地位,关系到学生是否能够真正掌握所学的理论知识,做到学以致用,实现理论与实践相结合,提高举一反三的能力。由此,我们采用开放性的实验,开放性实验与传统实验平台不同,不仅仅要求实验室开放,实验的设备也要开放,实验设备采用积木式结构,开放至底层元器件级别,灵活性好,可扩展能力强。学生能够接触到真正的实验平台,小到电阻、电容、二极管,大到DSP、IGBT和电机,学生能够掌握各个实验器件的使用方法,并且通过独立动手实验很清楚的了解各个元器件在系统中的功能和作用,打破了传统的“接线式”实验方法,实验设备没有了以往“神秘感”,在指导教师的引导下学生独立对系统局部模块的进行设计和调试,切实提高了学生的动手能力,很大限度地增强了学生分析问题、解决问题的能力。
同时,开放性的系统设计还增强了学生对“电子技术”、“自动控制技术”以及“C语言”等一些相关课程的学习效果,将各门课程学习有机的结合起来,有助于对电机控制系统各功能模块的深入理解。
4.重视课前答疑和课后辅导
课前答疑和课后辅导是巩固已学知识和加强和学生之间交流的重要环节,为此本人每节课都提前20分钟进入课堂,对学生在学习中遇到的问题进行及时解答,同时还定期进行课后的辅导。
四、个案研究
以下以异步电动机VVVF变频调速一节课为例说明我是如何进行教学设计的。
1.课前准备
首先对授课内容进行充分准备,并对其中的重点、难点如固有机械特性、人为机械特性、异步电机的电磁转矩表达式、恒转矩、恒功率等知识点进行重点准备;
其次,对VVVF变频调速的相关知识进行准备,如涉及到电力电子技术中SPWM、SVPWM、功率拓扑结构、自然采样法、规则采样法以及单片机C语言编程等进行认真准备;
最后,进行VVVF变频调速实验装置的调试,并将其6路控制信号、相电压波形、线电压波形用导线连出,已备授课过程中进行演示实验。
2.课堂教学
课程教学按照基础理论、系统设计以及实验验证三个步骤进行:
(1) 基础理论
1) 说明机械特性的基本概念,让学生明确机械特性是电磁转矩与转速之间的关系,在讲授异步电机机械特性之前,可以先联系直流电机的机械特性;
2) 推导异步电机的电磁转矩表达式,在此基础上说明恒磁通、恒转矩的概念,并强调说明恒磁通的实现方式以及恒转矩与最大转矩之间的联系;
3) 说明固有特性和人为特性的概念,让学生明确固有特性是在额定参量下的机械特性,而人为特性是在改变电源参量情况下的机械特性,如变压、变转子电阻以及协调变频变压时的机械特性,并强调说明恒定压频比(即恒定V/F的VVVF)调速时的机械特性。
(2) 系统设计
以所设计的基于DSP的变频调速系统实验平台为例说明如何进行变频调速系统设计。
1)系统组成
说明恒定V/F时变频调速系统的组成,即包括控制单元、驱动单元和主电路三部分,同时简要说明各部分之间的关系。
2)控制单元
说明控制单元是系统的核心部分,并说明如何采用规则采样法实现具有恒定压频比变压、变频功能的SPWM波形。熟悉并学会使用由TI公司生产的数字信号处理器TMS320LF2407,能够熟练的编程。
3)驱动单元
说明由功率型光耦TLP250构成IGBT功率驱动电路的工作原理,并对光耦隔离的作用进行详细说明。
4)对三相全桥式主电路的功率拓扑结构进行说明。
(3) 实验验证
以实验教学平台为例进行实验证,并对SPWM控制信号、TLP250功率驱动输出、线电压波形进行测试,以加深学生对异步电动机VVVF变频调速和电压利用率等的理解。学生通过动手深刻地认识课本内容,验证了理论知识,了解基本芯片,熟悉和学会使用电气工具,如电烙铁、扒线钎、吸枪等。
五、教学效果
在理论教学中联系工程实际,将教学实验平台引入课堂教学的教学方法加深了学生们对课堂所学基础理论知识的理解,极大地提高了学生们的学习热情,增强了学生的好奇心和求学欲望;同时,学生在第一时间就能够接触到实物,并可见到了系统的各个组成模块,通过老师的现场演示和对各个模块的讲解,开拓了学生的视野,达到了很好的教学效果。
六、结论
随着教育制度的改革,我国正进入高等教育大众化的时代,大学毕业生就业竞争十分激烈。用人单位不仅仅注重学生的理论知识水平,同时对学生的实践能力有着越来越高的要求,通过我们的探索发现,新的教学内容、教学方式以及开放性的实验平台有助于提高学生的综合应用能力,符合当今素质教育的要求,培养出“宽口径、复合型”的高素质专业技术人才。同时也能够培养学生独到的创新能力,不轻言失败、不轻言放弃的心理品质,培养学生与人沟通、协调的能力,良好的语言表达能力,良好的礼貌修养以及团队精神,促进他们的多元化发展。
实践表明,本人的探索大大提高了学生的学习积极性,课堂气氛活跃,学生的学习态度由过去的消极被动变成了现在的积极主动,并大大增强了学生的工程实践观念,拓宽了学生的思维,提高了学生的综合素质和教学质量,受到了学生们的广泛好评。
[参考文献]
[1]倪勇.大学生创新能力培养的研究与实践。第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2009年8月,pp:943-945
[2]孙铁成,林景波等.培养学生实践能力,创建实验教学新模式。第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2009年8月,pp:665-667
[3]吴晓,堵俊等.电气专业课程综合性、设计性实验教学改革与实践。第五届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集。2008年4月,pp:576-579
[4]谢卫才,黄绍平等.应用型电气工程及其自动化本科专业教学模式探索。电气电子教学学报,2008,30(8):141-144
(作者单位:哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院)