電工學實驗中研究性教學模式的實踐

唐平英　王海波　蔣艷玲

【摘 要】本文通過電動機的正反轉(zhuǎn)控制實驗教學案例的實施，充分表明了研究性教學模式在電工學實驗教學改革中發(fā)揮的重要作用。采用研究性實驗教學，不僅激發(fā)了學生科學研究的興趣，使得自主學習始終貫穿整個實驗過程，而且培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。電工學實驗中踐行研究性教學模式達到了以學生為本，因材施教，提高教學質(zhì)量的目的。

【關(guān)鍵詞】研究性教學；電工學實驗；控制線路

電工學是高等院校非電類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，實踐性強，涉及面廣。作為這門課的重要環(huán)節(jié)，電工學實驗不僅是驗證和鞏固所學理論，更重要的是培養(yǎng)學生的實踐能力。研究性教學可推動實驗教學內(nèi)容、方法、手段及人才培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新，大幅提高大學生的創(chuàng)新能力[1]。

1 電工學實驗中采用研究性教學模式的必要原因

目前大多數(shù)高等院校將電工學課程設(shè)置為首批開設(shè)的基礎(chǔ)課，一般的電工學實驗主要側(cè)重于傳統(tǒng)教學模式，安排的實驗內(nèi)容多數(shù)是驗證性的。學生在實驗過程中基本上按照指導書上的電路圖連接導線，按規(guī)定的實驗步驟操作，依次讀取數(shù)據(jù)并填入已有的表格。這樣的教學模式雖然對操作規(guī)范的實驗演示和指導學生基本功的形成具有較好的引導作用，但它束縛了學生的主觀能動性。通過實驗環(huán)節(jié)激發(fā)學生科學研究的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高學生專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)，這才是開設(shè)電工學實驗的真正目的。

研究性實驗是與驗證性實驗相對應的一種教學模式[2]，是學生根據(jù)實驗指導教師提出的問題及要求去自行設(shè)計實驗方案、選用實驗方法、確定實驗線路圖、選擇實驗儀器、擬定實驗步驟，獨立操作的一種實驗教學模式。研究性實驗具有探索事物性質(zhì)的設(shè)計性、應用性和綜合開發(fā)性，又稱為探究性實驗，該教學模式適合于高校實驗。研究性實驗充分發(fā)揮了學生的自由空間，積極引導學生進行思考和探索，讓學生有興趣地、獨立地開展實驗，觀察實驗，總結(jié)實驗，調(diào)動了學生自行解決問題的主觀能動性。然而要實現(xiàn)驗證性實驗向研究性實驗的轉(zhuǎn)變，是需要雄厚的科研基礎(chǔ)和大量的實驗經(jīng)費支撐的，如何立足現(xiàn)實搭建實驗系統(tǒng)并研發(fā)配套的實驗裝置一直以來都是電工學實驗課程改革的主要任務(wù)。

2 研究性教學模式在電工學實驗中的案例

本文以電動機的正反轉(zhuǎn)控制實驗為例，利用現(xiàn)有的教學資源搭建實驗平臺，大膽嘗試嶄新教學模式、施行教學改革，充分說明研究性教學模式是一種新穎的教學理念。

2.1 著眼問題，提出要求

現(xiàn)代機床或其他生產(chǎn)機械往往要求運動部件向正反兩個方向運動。例如，機床工作臺的前進與后退，主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，起重機的提升與下降，等等。要求學生研究設(shè)計一個用控制電器來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)的控制線路。實驗指導教師可從創(chuàng)造問題情境出發(fā)，從而激發(fā)學生的興趣和探究熱情，引導學生自行查閱資料，達到解決問題的目的。

在實驗教學過程中，首先對學生提出幾個問題：（1）目前常用的控制電器有哪些？它們的結(jié)構(gòu)和功能分別是什么？（2）實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵控制電器是什么？如何實現(xiàn)？（3）除了實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能之外，控制線路還應考慮哪些因素？該提問過程可幫助學生全方位思考問題，加強了師生和生生之間的交流，培養(yǎng)了學生主動學習和求知的能力，增加了學習知識的積極性，給學生自主研究提供條件。

2.2 積極探索，設(shè)計方案

在學習三相異步電動機的工作原理時已經(jīng)知道[3]，當三相異步電動機定子鐵芯中的繞組通入三相電流后，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場會帶動轉(zhuǎn)子同向轉(zhuǎn)動。只要將接到電源的任意兩根線對調(diào)一頭，旋轉(zhuǎn)磁場就會反轉(zhuǎn)，電動機也跟著反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)的要求，必須要用兩個交流接觸器分別控制其正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動。在同一時間里電動機只能一個方向旋轉(zhuǎn)，也就是兩個交流接觸器只有一個工作，若兩個交流接觸器同時工作了，將有兩根電源線通過它們的主觸點而將電源短路。因此，電動機正反轉(zhuǎn)控制線路最根本的要求是：必須保證兩個交流接觸器不能同時工作。

學生通過回顧所學理論知識、查閱資料，了解該課題的研究現(xiàn)狀和實驗方法，選擇合適的實驗儀器，初步完成研究方案。實驗指導教師對研究方案的可行性、科學性進行論證，結(jié)合現(xiàn)有實驗室條件，對方案進行修改和完善。

2.3 共同研討，開展實驗

實驗室提供了三相異步電動機和常見的控制電器組合開關(guān)、按鈕、交流接觸器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器及自動空氣短路器等等。學生可以先考慮電動機單向轉(zhuǎn)動的情況。此時，啟動按鈕和停止按鈕是必不可少的，它們分別實現(xiàn)了控制線路的啟動和停止。交流接觸器的結(jié)構(gòu)和功能使其常用于接通和斷開電動機或其他設(shè)備的主電路。它有主觸點和輔助觸點兩種，主觸點能通過較大電流，接在電動機的主電路中；輔助觸點通過電流較小，常接在電動機的控制電路中。由于啟動按鈕在松開時其觸點會在彈簧的作用下恢復到斷開位置，為了保持電動機的連續(xù)轉(zhuǎn)動，學生在設(shè)計電路時必須考慮到自鎖。自鎖功能可用交流接觸器的輔助觸點來實現(xiàn)。此外我們還應該考慮電路的保護作用，熱繼電器可以用來保護電動機使之免受長期過載危害。熔斷器是最簡單而有效的短路保護電器，可以將其安裝在主電路里。其實交流接觸器本身就可以實現(xiàn)零壓（或失壓）保護。通過實驗指導教師對關(guān)鍵知識點的指導，可有效促進學生創(chuàng)見性地思考問題解決問題。此時我們就可以設(shè)計出如圖1所示的單向轉(zhuǎn)動控制線路圖。

圖1 電動機單向轉(zhuǎn)動控制線路圖

在電動機單向轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)上，學生再開拓思路，積極思考正反轉(zhuǎn)都實現(xiàn)的情況。可在單向轉(zhuǎn)動控制線路的基礎(chǔ)上多設(shè)計一條電路，使其達到控制電動機的反向轉(zhuǎn)動的目的即可。但該控制線路的關(guān)鍵在于如何保證同一時間里兩個交流接觸器只有一個工作，即實現(xiàn)互鎖（或連鎖）保護。圖2所示的控制線路就是由兩條電路組成，上面一條控制正向轉(zhuǎn)動，下面一條控制反向轉(zhuǎn)動。每一條電路中都有啟動按鈕，分別控制正向啟動（SBF）和反向啟動（SBR），停止按鈕則可合并為一個（SB1）。該控制線路在使用正轉(zhuǎn)交流接觸器KMF和反轉(zhuǎn)交流接觸器KMR分別控制正向和反向轉(zhuǎn)動時，同時也采用了正反轉(zhuǎn)交流接觸器的動合自鎖觸點來實現(xiàn)自鎖。另外，過載保護也通過同一個熱繼電器FR得以實現(xiàn)。通過比較發(fā)現(xiàn)，圖2所示控制線路中，KMF的一個動斷輔助觸點串接在KMR的線圈線路中，而KMR的一個動斷輔助觸點串接在KMF的線圈線路中。當按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SBF時，KMF線圈通電，主觸點KMF閉合，電動機正轉(zhuǎn)。同時，KMF的動斷輔助觸點斷開了KMR的線圈線路，這樣就保證了即使誤按反轉(zhuǎn)啟動按鈕KMR也不能動作。KMF和KMR的這兩個動斷輔助觸點的連入實現(xiàn)了聯(lián)鎖保護，它們也稱為聯(lián)鎖觸點。

圖2 電動機正反轉(zhuǎn)動控制線路圖

其實這樣一種控制電路也是有缺點的，比如在正轉(zhuǎn)過程中要求反轉(zhuǎn)時，只能先按停止按鈕SB1，讓聯(lián)鎖觸點KMF閉合后，才能按反轉(zhuǎn)啟動按鈕SBR使電動機反轉(zhuǎn)，這樣就造成操作上的不便。感興趣的同學可以在此基礎(chǔ)上嘗試修改控制電路，解決這個問題。

學生在設(shè)計好合理的實驗電路之后，自己連線，同時實驗指導教師要對學生的實驗進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題一起討論，發(fā)現(xiàn)錯誤及時糾正。經(jīng)實驗指導教師許可后方可供電操作運行，要求學生仔細觀察積極思考，獨立操作完成實驗。

3 研究性教學模式在電工學實驗中的成效

該實驗過程從實驗內(nèi)容的確定到實驗的開展，都是學生獨立完成的。學生從質(zhì)疑、查找到解疑的過程中不斷學習與收獲，培養(yǎng)了獨立分析和解決實驗問題的能力，達到了理論聯(lián)系實際的目的，學生的實驗操作技能普遍得到提高。實驗指導教師會就整個實驗的可行性等提出意見或建議，并適當?shù)膯l(fā)學生。過去許多學生認為電工學實驗只是重復前人已經(jīng)完成過的實驗步驟和數(shù)據(jù)，很難有突破，由于采用了研究性的教學模式，該實驗變成了一個生動有趣，富有吸引力的課程。我們在實踐過程中，提高了教學質(zhì)量，獲得了較好的教學效果。

【參考文獻】

[1]李志杰，付浩，王治國，等.納米薄膜的研究性教學實驗設(shè)計探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（8）：118-120.

[2]王明彥.構(gòu)建研究性實驗教學體系的思考與實踐[J].中國大學教學，2009，3： 75-77.

[3]秦曾煌.電工學（上冊）：電工技術(shù)[M].6版.北京：高等教育出版社，2003.

[責任編輯：薛俊歌]