應(yīng)用型地方本科院校自動化專業(yè)“金課”的建設(shè)探索

陳中顯

【摘 要】結(jié)合黃淮學(xué)院作為教育部應(yīng)用技術(shù)大學(xué)改革戰(zhàn)略研究試點的實際，在分析地方本科院校校情和人才培養(yǎng)定位的基礎(chǔ)上，以自動化專業(yè)的“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程為例，闡述如何建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的專業(yè)“金課”。通過一個學(xué)期的教學(xué)過程和實踐過程，文章重點從三維結(jié)構(gòu)展示、線下和線上混合學(xué)習(xí)、仿真分析研究、樣品制作過程等方面，探索了“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的“金課”建設(shè)過程，并得出若干結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】“金課”;“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”;課程建設(shè)

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0083-03

0 引言

2018年，從教育部陳寶生部長在“新世代全國高等學(xué)校本科教育工作會議”首次提出“金課”和“水課”這一概念，到后來教育部高等教育司吳巖司長在“中國大學(xué)教學(xué)論壇”上詳細(xì)闡述“金課”的三大標(biāo)準(zhǔn)，這為我國目前高等教育過程中亟待解決的“水課”課程教學(xué)改革問題指明了方向[1]。

什么是“金課”？吳巖司長概括得非常到位，指的是具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程。具體來講，高階性就是提高學(xué)生對于知識能力素質(zhì)的有機(jī)融合度和解決復(fù)雜問題的高級思維能力;創(chuàng)新性就是充分把握課程知識的前沿性，提高教學(xué)過程的先進(jìn)性和互動性，以及開發(fā)學(xué)習(xí)過程的勇于探索潛力;挑戰(zhàn)度就是增加課程的難度和拓展課程的深度，需要教師和學(xué)生共同“跳一跳”，從而完成課程的高標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)和學(xué)習(xí)。至于何為“水課”？從教師的角度講，主要指課堂內(nèi)容乏味、教師跨專業(yè)教學(xué)、作業(yè)量少和課堂管理松;從學(xué)生的角度講，主要指學(xué)生收獲小、對課程不感興趣、易于拿到學(xué)分和較高成績[2]。

1“金課”課程體系的建設(shè)基礎(chǔ)

在上述背景下，黃淮學(xué)院作為教育部第一批應(yīng)用技術(shù)大學(xué)改革戰(zhàn)略研究試點，應(yīng)當(dāng)兼顧地方本科院校實際和人才培養(yǎng)定位（服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)），建立與本地區(qū)水土相符的“金課”課程體系。具體來講，黃淮學(xué)院是一所地方本科院校，辦學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，則專業(yè)課程的建設(shè)就要與當(dāng)?shù)靥厣漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密融合，這樣不僅節(jié)約了教學(xué)成本，也向?qū)W生提供了參與企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)的機(jī)會，并提高了學(xué)生畢業(yè)后服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)的能力。以自動化專業(yè)的“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程為例，由于本地區(qū)有一個我國中西部地區(qū)最大的電動車生產(chǎn)基地汝南新能源電動車產(chǎn)業(yè)園，則“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程的“金課”建設(shè)過程，可以圍繞電動車的電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行控制等內(nèi)容展開，而不是緊跟技術(shù)前沿，做電磁彈射電機(jī)的“金課”建設(shè)和教學(xué)[3]。

因此，本文圍繞上述的地方本科院校實際和人才培養(yǎng)定位，以自動化專業(yè)的“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程為例，從三維結(jié)構(gòu)展示、線下和線上混合學(xué)習(xí)、仿真分析研究、樣品制作過程等多步驟和角度，探索了“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的“金課”建設(shè)過程，并得出若干結(jié)論。

2 “電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的“金課”建設(shè)過程

在諸多基礎(chǔ)學(xué)科知識的授課過程中，均是遵循點、線、面的教學(xué)過程，講究的是知識學(xué)習(xí)需要循序漸進(jìn)，以點滴積累至匯成大海。而專業(yè)課程“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的授課過程中，必須采用面、線、點的教學(xué)過程，只有對電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)有一個清醒和真切的認(rèn)識，才能充分掌握電機(jī)運(yùn)行過程中的電、磁、力三要素之間的相互關(guān)系。因此，“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的“金課”建設(shè)過程，必須以其三維結(jié)構(gòu)展示作為啟程點。

2.1 三維結(jié)構(gòu)展示

由于電機(jī)不可隨意拆卸，且其重量較大，不易在理論課堂上進(jìn)行實物演示和講解，所以筆者在講授“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門課的首次課堂中，首先通過三維畫圖軟件（Solid works）和實物圖片，向?qū)W生們展示了三相感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成。通過軟件調(diào)整電機(jī)各個部件的三維圖坐標(biāo)位置，可以使學(xué)生們輕松地從各角度了解電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成;把電機(jī)結(jié)構(gòu)的三維圖和電機(jī)部件實物圖做對比，可以加深學(xué)生的記憶和印象，使學(xué)生掌握電機(jī)各個部件的材料組成[4]。然后通過三維結(jié)構(gòu)和實物圖對比，并結(jié)合之前的電磁感應(yīng)基礎(chǔ)知識，可以引出電機(jī)在運(yùn)行過程中的電、磁、力三個要素之間的聯(lián)系。在這種情況下，學(xué)生們可以在學(xué)習(xí)本課程之前，對電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和組成有一個清晰的認(rèn)識，這為后續(xù)理論課程講解和實驗操作奠定了扎實的感性基礎(chǔ)。圖1是“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程的電機(jī)三維結(jié)構(gòu)展示分析過程。

從學(xué)生們的課堂反饋和實驗操作概況，驗證了電機(jī)三維結(jié)構(gòu)演示作為“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程講學(xué)的首堂課，是完全正確的和切實有必要的。

2.2 線下和線上混合學(xué)習(xí)

“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”是一門有著較高學(xué)習(xí)難度的專業(yè)課，其包含的電場、磁場和力場，以及三者之間的相互關(guān)系邏輯分析，具有很強(qiáng)的抽象性和復(fù)雜性。因此，針對課堂學(xué)習(xí)時間不足、無法兼顧每個學(xué)生學(xué)習(xí)能力和進(jìn)度的情況，可以采用線下和線上的混合學(xué)習(xí)模式，從而促進(jìn)師生在教和學(xué)方面的充分交流，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的參與度和理解度[5]。

所謂線下學(xué)習(xí)，主要指課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和課后實踐等學(xué)習(xí)過程。事實證明，養(yǎng)成良好的課前預(yù)習(xí)模式，有利于學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中分析和解決具有針對性的問題，提高課堂學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果。此外，針對“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程而言，課后復(fù)習(xí)和課后實踐（實驗），有利于鞏固和加深學(xué)生們對于電機(jī)工作原理的深入了解。所謂線上學(xué)習(xí)，指的是學(xué)生們通過慕課（MOOCS）、云課堂、學(xué)習(xí)強(qiáng)國等網(wǎng)絡(luò)平臺，了解國內(nèi)外優(yōu)秀教育工作者對于“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門課的獨到授課過程，彌補(bǔ)線下學(xué)習(xí)過程中的不足，從而增強(qiáng)學(xué)生們在課程學(xué)習(xí)過程中的主動性和創(chuàng)新性。

綜合線下學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)的各自優(yōu)點，則線下和線上學(xué)習(xí)的混合學(xué)習(xí)模式應(yīng)運(yùn)而生，這也是打造“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門“金課”的核心。線下和線上混合學(xué)習(xí)模式（如圖2所示），充分體現(xiàn)了教師和學(xué)生的雙主體角色，實現(xiàn)課堂教學(xué)和課外教學(xué)的有機(jī)融合，使學(xué)生成為教學(xué)過程的“登山者”，教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)的“登山臺階”。

上述幾種教學(xué)流程，極大地改變了“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”的傳統(tǒng)教學(xué)流程，改變了教學(xué)始終以教師作為主體的陳舊觀念，真正實現(xiàn)了以教師和學(xué)生作為教學(xué)過程中的雙主體思想。

2.3 仿真分析研究

隨著當(dāng)前計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力大幅度提高，一些電機(jī)仿真分析的軟件應(yīng)運(yùn)而生，譬如ANSYS公司的Maxwell電磁場模擬軟件、Motor Design Ltd公司的Motor-CAD電機(jī)熱計算，以及Infolytica公司的MagNet電機(jī)電磁場模擬分析軟件等，這些軟件不僅能夠精確地計算瞬態(tài)磁場分布、電場分布、損耗分布、感應(yīng)電動勢變化、力矩變化、負(fù)載特性等，也能夠完成電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和溫度場分析，完全滿足電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的仿真分析研究工作[6]。尤其重要的是，電機(jī)的仿真分析研究，可以為電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化設(shè)計奠定完善的理論基礎(chǔ)。

圖3是電機(jī)運(yùn)行性能的二維結(jié)構(gòu)仿真分析過程。首先，可以通過動態(tài)和靜態(tài)的二維平面，分析電機(jī)的磁力線分布和磁密分布，查看電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的初步合理性;其次，查看和分析電機(jī)的感應(yīng)電動勢、電磁力、磁鏈等電磁參數(shù)，并分析這些參數(shù)的特點，譬如感應(yīng)電動勢和磁鏈的諧波分析、電磁力的幅值分析等;最后，基于上述電機(jī)電磁參數(shù)的分析，進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和材料的優(yōu)化設(shè)計，并加以仿真分析驗證，從而確定待加工的電機(jī)樣品結(jié)構(gòu)尺寸和材料。

電機(jī)仿真分析研究，是打造“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門“金課”的要素之一。該要素在很大程度上緩解了“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門課的枯燥難學(xué)困境，使教師在教授這門課的過程中延伸了教學(xué)時間和空間，同時也給予學(xué)生們一些諸如眼睛愉悅和心靈震撼的感受。所以，仿真分析研究豐富了教學(xué)生態(tài)，為學(xué)生們的創(chuàng)新思維和實踐提供了諸多軟件環(huán)境。

電機(jī)仿真研究也是電機(jī)設(shè)計和加工制造的先遣環(huán)節(jié)之一。譬如，通過仿真分析研究，可以得到電機(jī)尺寸與電機(jī)性能之間的邏輯關(guān)系，從而可以尋找到基于最優(yōu)電機(jī)性能的電機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)。諸如此類的研究工作，已經(jīng)在很多文獻(xiàn)資料中得到驗證。

2.4 樣品制作過程

經(jīng)過了電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)展示、線下和線上混合學(xué)習(xí)、仿真分析研究之后，就是電機(jī)樣品的機(jī)械加工和組裝過程了。電機(jī)樣品制作過程，考查了學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實踐是否合理統(tǒng)一。電機(jī)樣品制作過程需要注意以下幾個方面。

（1）避免電機(jī)的尺寸和結(jié)構(gòu)過于高精密。電機(jī)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜或尺寸精度過高，將會導(dǎo)致無法進(jìn)行電機(jī)樣品的機(jī)加工，從而使先前的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計徒勞無功。因此非常有必要讓學(xué)生認(rèn)識到這一點的重要性，既要仰望天空，又要腳踏實地。

（2）電機(jī)材料的物理特性差異。電機(jī)的材料主要由銅制材料的繞組、導(dǎo)磁材料的定子硅鋼片和轉(zhuǎn)子硅鋼片、永磁材料（永磁電機(jī)）、外部結(jié)構(gòu)框架組成。由于各個公司的生產(chǎn)工藝特點，導(dǎo)致硅鋼片和永磁材料的實際物理特性與理論物理特性有差別。大多數(shù)時候，電機(jī)材料的實際物理特性略低于其理論物理特性，因此學(xué)生們應(yīng)該在電機(jī)加工過程中學(xué)會適時調(diào)整理論數(shù)據(jù)，做到理論與實踐的高度有機(jī)統(tǒng)一。

（3）電機(jī)的裝備過程。電機(jī)的裝備過程中，最容易出現(xiàn)錯誤的就是其繞組的繞制問題。由于電機(jī)的繞組有相數(shù)和匝數(shù)的區(qū)別，并且其匝數(shù)眾多，一不小心將會使繞組的繞制方向發(fā)生錯誤，或者是各個相繞組的串聯(lián)發(fā)生錯誤，因此電機(jī)的裝備過程，可以提高學(xué)生在實踐過程中的精力集中度和認(rèn)真度。

（4）通過電機(jī)的樣品制作過程，可以加深學(xué)生對于電機(jī)結(jié)構(gòu)的理解，并為后續(xù)的電機(jī)控制過程學(xué)習(xí)和實操奠定扎實的實踐基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文基于地方本科院校和應(yīng)用技術(shù)大學(xué)改革試點的特點，闡述了自動化專業(yè)“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”課程的“金課”建設(shè)之路：以三維結(jié)構(gòu)展示作為“金課”建設(shè)的開端;把線下和線上學(xué)習(xí)當(dāng)做“金課”建設(shè)的核心;強(qiáng)調(diào)課程學(xué)習(xí)后續(xù)環(huán)節(jié)的仿真分析研究和樣品制作過程，從而提高“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”這門課程的高階性和挑戰(zhàn)度，并激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新能力。

“電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”是一門學(xué)生普遍反映難度較大的專業(yè)課，其“金課”建設(shè)過程需要著重注意以下幾點：一是要調(diào)動學(xué)生的積極性，祛除學(xué)生的短期功利性心態(tài);二是要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因為興趣是學(xué)習(xí)效果提升的第一驅(qū)動力;三是提高課程實踐的安全性，這門課程的實踐過程中會涉及電和力的因素，一旦出現(xiàn)安全事故，所有的“金課”建設(shè)過程將會毀于一旦。

參 考 文 獻(xiàn)

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