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《黑龙江教育(高教研究与评估)》杂志

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“电机与拖动基础”课程教学改革与实践
发布时间:2018-03-12        浏览次数:101        返回列表

  “电机与拖动基础”是黑龙江科技大学电气自动化、自动化专业重要的一门专业基础课,对后续“自动控制系统”、“现代交流调速”课程的教学起承上启下的作用,但教学效果普遍较差,有学者研究认为教学交互的信息流具有不对称性与复杂性。在教学交互过程中,教学内容信息基本上是流向学习者的量远远大于流向传者教师的量[1]。这就是典型的以教师为中心的课堂中师生信息交互的现状,其最终结果是学生的学习兴趣和积极性被大大扼杀,学生对学习感到厌烦,创造性被泯灭,培养学生的分析问题和解决实际问题的能力便无从谈起[2]。另外,教学内容与实际结合不紧密,学生对课程不感兴趣,课下应付考试。为了改变这一局面,我们整合黑龙江科技大学的教学资源,对该课程进行了教学模式改革,做了有益的尝试,取得了较好的效果。

一、创新教学模式,完善平台建设

(一)“翻转课堂”的设计

  “翻转课堂”(Flipped Classroom,也译为“颠倒课堂”、“反转课堂”)是在信息化环境下,课程教师提供以教学视频为主要形式的学习资源,学生在上课前完成对教学视频等学习资源的观看和学习,师生在课堂上一起完成作业答疑、协作探究和互动交流等活动的一种新型的教学模式[3]。围绕这一教学模式,我们开展了“翻转课堂”教学设计,大力推进精品课网络视频平台建设,按照“慕课”的模式将每章节的重难点内容以微课的形式出现,最终采用二微码扫描的方式链接播放,学生预习章节内容时,采用PBL教学法[4],以问题为基础的学习,遇到问题时观看微课,如无法解决问题通过课堂平台解决和微信群发布求助信息。

  美国富兰克林学院Robert Talbert教授经过多年反转教学实践总结出目前大家比较认可的翻转课堂模型[5],以此流程为基础,在教学实践中根据课程性质和教学需要摸索出了一套反转教学组织流程体系。该教学流程由个人自主学习—平台探究学习—课堂问题探究—学习成果汇报—总结反馈五个阶段组成。此课堂平台教师为组织者,学生带着问题上课,教师收集共性问题归纳总结后给出研讨内容,总结课程的重难点,在课上师生讨论分析,教师帮助学生解决理论与实践的问题。

实践平台主要依托省级实验示范中心和大学生创新实践平台,授课教师带领学生做大纲规定的实验,实验内容与实验的仪器设备是以视频的形式出现,学生要提前观看相关仪器的使用说明,教师根据实验结果给出成绩;实践环节分为课内和课外,课内实践统一在省级实验示范中心进行,在电机学课程上完后进行。课外实践则由任课教师组织利用大学生创新实践平台在业余时间开展科研活动,最终在课程结束时考核。学生在实践过程中遇到问题可以上精品课网络视频平台查找资料,平台提供了电机应用的参考文献、成熟的电路图及程序代码,学生登录去下载并参考设计,遇到问题时可以和群内教师交流,实现平台间互动的机制,图1所示为“翻转课堂”教学模式的资源和平台设计。

图1 “翻转课堂”教学模式的设计

(二)多种教学手段的运用

以往课堂教学中教师上课利用一个PPT,从头读到尾,无法吸引学生的眼球,无法满足学生对知识运用的要求,学生普遍不会运用仿真分析,无法适应社会对复合型人才的需求;为此要求课程组教师教学中大量使用MATLAB、PSIM和虚拟等仿真软件,通过仿真可以直观地为学生分析特性曲线,还可以为学生展示建模的方法,例如他励直流电动机电枢串电阻起动分析,可以搭建仿真模型讲解起动过程机械特性、速度和电流变化过程,这样既深入地探讨研究又很好地引导学生利用MATLAB工具解决问题,如搭建他励直流电动机电枢串电阻起动模型,可以观测电机起动的机械特性曲线。

(三)考核方式的改革

该课程“电机与拖动基础”作为本专业的专业核心课程,多年以来采用期末考试一张卷作为学生成绩的唯一标准,这已经不能适应学生能力的培养,我们将理论课、实验课与实践课综合考虑,理论课占总分的60%,实验课20%,实践课20%,理论课考核包括预习笔记的成绩和期末考试成绩,分别为30%和70%的比例。实验课考核学生完成课内实验的情况,由任课教师指导完成;实践课考核学生完成课外科技活动的情况,围绕电机方面的实际应用设计,要求学生用实际作品演示,根据结果给出总成绩,三人一个小组,内部组员决定各自得到的分值。

二、调整人才培养方案,完善知识体系

(一)强化基础内容的教学

电机学的原理从磁路入手,以介绍机电能量转换原理为基础,深入地阐述了变压器、直流电机、异步电机、同步电机和特种电机的原理,课程的侧重点为电机的物理本质和分析方法,由于学生没有开设电磁场课程,学生在学习电机学及拖动控制时,对于提到的概念和公式不理解,学习效果不好。通过在第四学期开设电磁场课程,在第五、六学期分两学期开设电机学与电力拖动基础,13级学生的知识体系趋于完善,相对于12级学生基础扎实,成绩提高,且具有了学习该课程的兴趣,为后续课程的学习打下了坚实的基础。

本专业开设电机方面的课程,主要目的是让学生掌握电机原理基础上控制电机,为此,我们对电机学内容进行了难易点、重难点划分,主要从两个方面进行教学。一是重点讲授电机的工作原理、主要的电磁关系、工作特性及电机的等效电路等,对电机的绕组结构及磁动势等部分只做简要阐述;二是对直流电机的换向等难点进行重点讲授[6]。这样既降低了学习难度,减轻了学生的学习负担,也不会影响教学效果。

(二)紧密联系实际,适应时代发展要求

  随着电力电子技术的进步和新型材料的问世,一批新型电机相继出现并应用于实际,学生在科研活动中围绕步进电机、直流无刷电动机、开关磁阻电动机等开展科技活动,但我们的教学内容重点在直流有刷励磁电机、交流异步绕线电机等内容。由于资金等原因,学生在课外无法进行相关的综合实践活动,影响了学生的学习兴趣,为此,我们合理安排教学时数,在讲授传统电机内容的基础上增加特种电机的理论,指导学生在课外开展相关的科技活动,使课上与课下的学习有机衔接,学生带着问题上课,感觉学习不再枯燥。

  在电力拖动内容教学中将重点放在电机的机械特性、电机的起动、制动和调速过程分析,物理量的变化情况及动态特性的分析上。理论联系实际,采用案例教学与实际接轨,分析大功率直流提升系统(2800KW)应用于煤矿主井提升系统,分别对电枢串电阻起动和调压起动进行分析;大功率交流变频系统(540KW)应用于皮带运输系统,结合电力电子技术说明能耗制动时,变频器通过电阻消耗能量的实现方式,回馈制动采用前级PWM变换器将直流电变换为交流电的方式;围绕恒转矩负载特性,说明变频器基频以下恒转矩调速,基频以上恒功率调速;使学生对课程前后知识点的衔接以及体系内课程知识的融会贯通起到了催化剂的作用,为后续“自动控制系统”等课程的学习打下良好的基础。

三、注重课内外实践结合,创新实践能力培养

(一)创新实践教学内容

为了提高学生的实践动手能力,在第五学期学完电机学课程后,依托省级实验示范中心,安排了电机制作实践课程。在设定好异步电机设计要求后,给学生提供机械构件和相关材料后,由学生自主设计电机的参数,并动手制作绕组、完成绕组下线、绝缘铺设、电机安装、绝缘测试、空载试验、满载试验等测试。通过这样的实践,学生一方面提高了对电机结构和原理的认识,另一方面,锻炼了学生的动手能力和综合设计能力。在这一实践活动中,体现了翻转课堂的教学模式,真正实现了学生自主学习。

(二)提高学生的综合应用能力

  在综合运用能力的培养过程中,以基本的电力拖动控制理论和电力电子技术为基础,注重学生对实际的电力拖动系统的综合设计应用能力方面的培养[8]。以

BUCK降压变换器为主电路,采用STM32单片机为控制核心实现直流他励电动机的定子串电阻起动控制系统;单片机控制的电机正反转控制器;鼠笼异步电动机的变极调速控制器;鼠笼异步电动机的Y-△起动控制器;设计了以DSP为控制器的异步电机的变频调速系统以及开关磁阻电机控制系统、直流无刷电机控制系统等特种电机控制系统。

  信息化、网络化技术的成功应用,实现了“电机与拖动基础”教学模式的改革和实践,使本课程的教学水平有了很大的提高,学生们受益匪浅,其理论课的成绩提高12%,省级科研立项比例比前几年提高35%,电子设计大赛获奖率比前几年提高32%。该模式不但培养了学生自学的能力,而且提升了学生分析问题解决问题的实际应用能力,符合应用型本科大学培养的目标。同时该教学模式也促进了教师对“慕课”本土化的研究和实践,促进了教师内在自我教学水平的提升和对教学的反思。

参考文献:

[1]陈迪.互动媒体支撑下的课堂教学研究[D].武汉:华中

师范大学,2012.

[2][4]刘璐,古继宝.PBL教学方法的理论与实践探讨[J].

教育与现代化,2004,(2).

[3][6]钟晓流,宋述强,焦丽珍.信息化环境中基于翻转课

堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究,2013,(1).

[5]Robert Talbert.Inverting the Linear Algebra

Class[本文来自于wWw.ekxX.com]room[EB/OL].http://prezi.com/dz0rbkpy

6tam/inverting-the-linear-algebra-classroom.

[7]庞科旺,马继先,余慧卿等.电机拖动及PLC控制精品课

程建设的探索[J].电气电子教学学报,2007,(4).

[8]朱正伟,加强高校实践教学的探索与实践[J].北京:中

国大学教学,2007,(1).