电机实践课程的改革与创新

[摘 要] “电机学”是电气工程专业一门重要的专业技术基础课程，是一门教师难教、学生难学的课程，其理论性强、抽象概念多、涉及的基础理论知识广;因此，研究如何通过丰富实践教学环节来加深学生对课程的理解变得尤为重要。为丰富电机实践课程教学环节，弥补以往该课程实践教学环节存在的诸多问题，对当前实践教学现状及存在的问题进行了分析，从丰富完善教学内容、设计电机拆装与维修实训软件、探索与分析电机实践课程教学规律、“电机实验与实践”课程教材建设等方面提出了具体的改革举措。

[关键词] 电机实践;实践教学;教学改革;教学创新

[基金项目] 2021年度校级教学成果立项培育项目“培养电磁能新型作战人才的研究与实践”（202191）

[作者简介] 孙 盼（1986—），男，山东淄博人，博士，海军工程大学电气工程学院助理研究员，主要从事无线电能传输研究;杨 刚（1992—），男，江苏南京人，硕士，海军工程大学电气工程学院助教（通信作者），主要从事装备测试性设计与分析研究;熊义勇（1988—），男，湖北仙桃人，博士，海军工程大学电气工程学院讲师，主要从事多相电机理论研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）04-0077-04 [收稿日期] 2021-05-30

一、背景和意义

教育部在《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》中指出要加强各种形式的实践教学基地和实验室建设。在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中强调必须切实提高大学生的实践能力。这些意见的出台，说明课程实践教学的改革与创新已成为我国普通高等教育发展的重要环节之一[1，2]。电机学是电气工程专业重要的专业基础课程之一，是一门集理论性、实践性、综合性与应用性于一体的课程，该课程对学生的创新创业能力培养至关重要[3，4]。由于该门课程理论性强且复杂，很多教师对理论教学内容阐述得很详尽，而实验教学环节跟不上，导致学生学习兴趣降低，大大削弱了该门课程的教学效果。因此，研究如何通过改革电机实践课程的教学内容与教学方式来提高学生的学习兴趣变得尤为重要。

二、当前电机实践教学存在的问题

电机实践课程是我校2013年新开设的一门综合实践类课程，是电气工程专业学生提高工程实践能力和综合素质的重要课程，在培养学生处理工程问题的能力上起着重要作用。通过电机实践课程的学习和实践，学生可以掌握常见电机的使用、维护和测试，培养运用理论知识解决实际问题的工程实践能力，提高综合素质[5-7]。通过广泛调研和深入研讨发现，对照近年来行业对电机类人才能力的需求变化，我校当前电机实践教学存在以下几方面的问题。

（一）实验内容单薄，体系不够完善

当前电机实践课程内容主要包括单相变压器设计与制作、基础能力训练、异步电动机拆装等实践教学环节，但这些环节内容过于单一，只注重电机的拆装，缺乏对电机电量参数的设计及测量环节，缺少对电机整体性能的理解与应用，在实际运行过程中学生很难体会到这些实践环节的系统性。再加上配套的管理制度不够完善，导致学生的实践活动处在简单的拆卸、装配层面，不利于其综合实践能力的全面提升。因此，迫切需要丰富电机实践教学内容，完善课程体系的保障制度。

（二）教学内容不灵活

目前电机实践课程所涉及的实验均为固定不变的内容，所有实验题目都是预先设计好的，学生不能根据自己的想法去设计实验，缺乏自由发挥的空间。课堂内容是简单重复使用变压器和电机的拆装过程，缺乏自主设计过程，不利于激发学生对该课程学习的兴趣。因此，非常有必要在电机实践课程中开发自主设计实践环节，以激发学生动手的兴趣和对课程的认同感。

（三）缺少电机虚拟软件

当前电机实践课程主要采用硬件设备，如实物变压器、异步电动机等。电机是机械结构及电气性能都非常复杂的电磁机械，其原理抽象，学生理解起来很困难。正常运行时，该类设备是封装的成品，不利于学生对内部结构的认识及工作原理的理解。因此，为提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解和运用，可借鉴软件开展辅助教学，通过人机交互的方式，最大限度地使学生在每一个环节都参与其中，强调操作过程，在动手操作过程中学习并理解枯燥的理论知识。通过虚拟软件清晰展示电机内部结构直观明了，易学易用。

（四）需进一步探索教学规律

作为一门新课程，教师教学时要丰富和完善内容，不断探索教学规律是提升课程质量的重中之重。通过理论创新与实践教学，可进一步摸清教学过程的规律，总结其特点，为课程的不断深化奠定基础。

（五）课程教材不匹配

当前使用的教材内容陈旧，与实际装备脱节，与学校实验室设备不匹配，导致学生和教师不能顺利地开展教学。因此，为从根本上解决这个问题，结合新时代对电机人才的要求以及课程改革内容，需要综合实际情况对教材内容进行更新，或编写一本更实用的教材。

三、解决电机实践教学现存问题的措施

为解决当前在电机实践教学过程中存在的诸多问题，进一步提高教学质量，提高学生学习兴趣，通过研究与探讨，拟定解决措施如下：针对实验内容单薄，增设三相异步电动机、同步电机的参数测量实验;针对教学内容不灵活，建设学生DIY自主设计自由内容;针对缺少电机虚拟软件、设计电机拆装软件，建立电机拆装的模拟操作平台;针对需进一步探索教学规律，通过教学实践和理论创新来探索与完善课程教学规律和教学模式;针对课程教材不匹配，编写《电机实验与实践》教材。下面将详细阐述各解决措施的具体实现方式。

（一）增设电机参数测量实验

为丰富实验内容，解决实验内容过于单薄的问题，增设三相异步电动机及同步电机参数测量实验。利用电机综合试验平台，搭建三相异步电动机、同步电机参数测量实验系统。实验系统配置微机型操作台，包括操作台架、工业计算机（含键盘、鼠标）、19英寸液晶显示器、面板显示仪表和各类指示灯、控制开关与按钮、计算机接口与采集模块、自动控制模块、相关保护模块等。实验过程具体要求如下。

测量方式：三相电参表、单相电参表连接微机测量。测量回路配置高精度电压、电流传感器，中间环节采用信号调理接口模块，由计算机完成信号采集和测量任务。

控制方式：采用PLC直接控制。采用西门子S7-200系列PLC进行联锁控制，联锁程序可根据用户要求自由编辑、修改，控制系统性能稳定，系统可扩展性好。

操作方式：手动操作和自动操作方式并存。为避免微机故障时影响试验工作，采用手动控制（面板按钮操作）和自动控制（计算机键盘/鼠标操作）并存的方式，不便采用自动控制或微机出现故障时可以采用手动操作进行试验。

试验数据处理：试验结果保存在工控机内。

（二）增设学生DIY自主设计实验

为解决教学内容不灵活的问题，进一步激发学生兴趣，特增设学生DIY自主实验环节，给予学生更大的自由发挥空间。首先，学生根据自身兴趣爱好，提出设计目标，由教师把关，并指导学生完善与优化设计目标。然后，学生根据所学知识自主查阅资料，设计初步技术方案，形成文字材料提交教师审核。若审核不通过，学生再次修改完善技术方案;若初步技术方案审核通过，学生即可采购DIY自主设计所需的元器件、材料和其他设备，按计划进行设计。设计完成后，由学生向教师进行展示，教师根据学生所设计的作品对其进行评定给分。

该DIY自主实验环节的组织形式为：学生2～3人一组，可以在课堂上设计，也可以在课余时间设计，地点不限制。时间周期为：从开课第一天开始选题，整个设计周期为1个月。

（三）设计电机拆装与维修仿真实训软件

为弥补硬件实验环节的缺陷，课题组与某公司共同研发了一款电机拆装与维修仿真实训软件。该软件在计算机上无须安装便可直接使用，根据不同选择进入不同实训项目。采用交互式FLASH、3D动画等技术，进行模块化设计，可使界面生动、美观，便于学生理解枯燥的理论知识，以此提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解和运用。

实训软件分为三相同步电机模块、单相异步电动机模块、直流电机模块、三相鼠笼式异步电动机模块以及变压器模块。各模块配有动画对各电机可实现器件简介、拆装步骤、拆装动画、原理讲解的演示。在模拟装配模块，学生可对各电机进行装配仿真实验，如果装配顺序正确，即可完成装配，如果错误会记录装配错误的次数。如果对装配顺序不清楚，装配指示部分会提示你下一步应当装配的零件。图1为三相同步电机模拟装配界面。

（四）探索电机实践课程教学规律

为进一步提高教学质量，通过行之有效的实践教学，可把理论教学与实践教学有机结合起来，培养学生分析与处理问题的能力、实践能力、创新能力及综合应用能力等。通过调研、学习、分析和总结，不断凝练课程的教学特点，摸索出在电机实践教学过程中应重视以下教学规律。

1.应重视培养学生工程化的观念。

2.应进一步加强校外参观见学。

3.发挥指导教师作用。

4.合理细分考核标准。

5.整理归档实践材料。

6.考虑增设综合设计环节。

（五）编写电机实验与实践教材

依据“以应用为目的，以够用为度，以掌握概念、强化应用为重点”的原则，编写针对电机实践课程的教材。新编《电机实验与实践》教材共五章，主要内容分为基础能力训练、直流电机实践、变压器实践、异步电机实践、同步电机实践和异步电机综合设计实践。新编《电机实验与实践》教材按照电机类别分章，每章内容首先阐述每种电机的基本原理和运行特性，然后针对应用背景介绍每种电机的实践内容，在此基础上安排变压器与异步电机的综合设计实践，锻炼学生的综合素质。

四、电机实践课程创新综合实践改革成果

（一）完善并丰富了课程教学内容

通过增设DIY自主设计和异步电机参数测量、同步电机参数测量，遵循理论结合实践、学生为主导的理念，整合和规范相关课程实践环节，重新修订课程实施方案，规范课程教学和考核方法，为学生提供可施展才华的平台和空间，进一步提升学生的实践能力。例如，通过在班级内尝试增设DIY自主设计实验，有五组学生大胆选择了自己的设计内容，并用一个月时间较好地完成了设计目标。学生设计的电机往往会结合物理创新竞赛、水下机器人大赛、航模比赛等大学生竞赛活动，可见课程的开展为学生提供了良好的平台和专业的辅导。试点结束后，学生纷纷表示对该环节有极大兴趣，取得了良好的教学效果。

（二）设计出电机仿真实训软件

电机拆装和维修仿真软件可服务于多门电机类课程。该软件不仅适用于电机实践课程，同样可服务于电机学、电机学与电力拖动，以及MOOC课程等多门电机类课程，帮助学生从抽象的结构中解脱出来，建立形象、具体的机械认识。通过设计实训软件环节，学生反映电机结构和工作原理不再像以前那么抽象难理解，通过每个电机器件的简介、拆装工具、拆装步骤、拆装动画、原理讲解、模拟装配等模块的训练，电机的构成和原理形象具体地展示在仿真界面，极大地增强了学生的学习兴趣，加深了学生对电机工作原理的理解。

（三）编写完成专业教材《电机实验与实践》

编写完成《电机实验与实践》教材。该教材是一本与电机学、电机与电力拖动课程相匹配的实践教材，针对性强，实践色彩浓，贴近实战化教学，是培养高素质复合型机电人才的重要课程，对电机类课程建设有巨大的推动作用，是适应新形势下实战化教学改革的新成果。

五、总结与展望

本文探讨研究了电机实践课程的创新综合实践改革，在完善课程内容、探索课程教学规律、教材建设等方面进行了深入研究。通过将以上研究成果运用于实践教学环节，在提高教学效率、激发学生学习兴趣、增强学生自主设计能力等方面取得了明显的成效。但是教学改革不是一蹴而就、一劳永逸的，需要不断完善、探索。例如虽然经过前期建设，DIY自主设计已经进行了尝试，但是自主设计存在经费来源不确定、指导教师精力有限、设计周期过长等问题，仍有大量的工作需要继续开展下去。创新综合实践改革将是一个长期的系统性工程，需要持之以恒的不懈努力。对于如何细化DIY自主设计环节及增设课程综合设计方面，还有待进一步探索，以期提高本课程专业实践教学的软硬件水平，推动各方面协调发展。