電機學課程教學改革探討

姜宏偉　梁芬

[摘 要]文章針對電機學教學過程的特點與難點，根據電機學對電機結構的學習要求，提出精簡電機學教材中實際電機結構部分的內容，構建具有鮮明特點的簡化電機模型，降低電機結構的學習難度，使學生能夠快速完成電機基本結構部分內容的學習，順利進行電機內磁場和電磁關系分析等部分的學習。同時基于VBA技術制作電機學PPT課件，在PPT幻燈片上通過模擬仿真的方式動態(tài)展示電機的基本結構和基本工作原理、電機內磁場分布和電磁關系變化過程等，把電機學中抽象的問題變得形象生動，便于教師的課堂講解、與學生進行互動，提高學生的學習興趣，降低電機學學習難度，以提升課堂教學效果。

[關鍵詞]電機學;教材;教學;改革

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2022）02-0073-08

一、電機學課程的學習任務分析

電機學是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要課程，也是學生普遍反應比較難學的一門課程。電機學主要講述電機（主要包括直流電機、同步電機、感應電機和變壓器等四種經典電機）的基本結構和工作原理，通過分析電機內部的磁場分布和變化規(guī)律以及電磁關系，構建一個等值電路、代替既有磁又有電的實際電機，在此基礎上利用電路方法對電機進行穩(wěn)態(tài)分析和計算等。電機學課程兼有專業(yè)性質和專業(yè)基礎性質，對課程學習的目標要求如下。

（一）學習掌握電機的基本結構

一是電機學是與實際電機對象結合十分緊密的一門課程，通過學習電機的基本結構，為后續(xù)學習的電機基本工作原理、內部磁場及電磁關系分析做鋪墊;二是通過學習了解電機的典型結構，對特種電機結構學習有一定的幫助作用;三是通過學習實際電機的結構特點，為電機設計、電機控制等課程及畢業(yè)生從事電機設計、研發(fā)、控制等相關工作打基礎、作準備。

（二）學習電機的基本工作原理、分析電機內部磁場及電磁感應

一是通過學習和分析，把電機內部磁的關系轉化為電性質的關系，并建立替代實際電機的等值電路，是電機學重要環(huán)節(jié);二是電機本身的種類很多，新特型電機結合新的控制方法不斷涌現，掌握電機內磁場的基本分析方法有助于對新特電機工作原理及其控制方法的學習掌握。需要強調的是，電機內的磁場分析方法并不是基于“場”的思維方式，而是基于“路”（模仿電路）的思維方式，在電機學中稱之為“磁路”。

（三）學習掌握電機的等值電路

一是在學習等值電路的基礎上，學生才能對電機學所涉及的四種經典電機進行穩(wěn)態(tài)分析和計算;二是電力系統在國民經濟中占有重要地位，電機學中的變壓器和同步發(fā)電機都是電力系統的重要組成部件，等值電路是進行電力系統穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析的基礎;三是感應電動機是“電動機家族”中重要的“成員”，其等值電路是進行感應電動機電力拖動分析的基礎。

（四）通過等值電路對電機進行穩(wěn)態(tài)分析，學習電機的相關特性

一是變壓器和同步發(fā)電機特性學習是電力系統運行分析的重要基礎;二是機械特性是反映電動機性能的一個重要指標，可以直觀反映電動機的起動、制動、調速特點及控制要求;三是電動機種類繁多，掌握電動機的機械特性、起動和調速性能有助于根據實際的生產系統（負載特性、控制要求等）對電動機進行合理選型。直流電機結構復雜（需進行運行維護），隨著電力電子技術發(fā)展、感應電動機控制方法的躍升以及一批新特型電動機的涌現，直流電機使用范圍大幅縮小、在電機學中的地位降低。但直流電機是出現最早的一種電機，同時也是電機學中四種經典電機的重要組成部分，其內部磁場相對固定，工作原理簡單，直流電動機具有較好的起動和調速性能，對電機學的學習具有重要意義和入門起步作用。

二、電機學課程教學過程中存在的問題

從前面課程學習分析可以看出，在電機學學習過程中，學習目標的四個環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的，如果其中一個學習環(huán)節(jié)出現問題，都會影響電機學整個學習過程，使學生對專業(yè)學習產生畏懼心理，直接影響學生的專業(yè)學習和發(fā)展，對電氣專業(yè)的人才培養(yǎng)產生不良的影響。目前，電機學教材及教學方法中存在的一些問題（主要問題一般出現在第一、二環(huán)節(jié)），這些問題直接影響電機學課程的教與學，而針對問題所提出的一些解決方法由于沒有抓住問題的關鍵，對解決問題沒有起到實質性的幫助作用[1-6]。

（一）對電機結構部分內容未進行適當調整

電機實際結構是比較復雜的，而一些學校的電機學課程學時受到壓縮，難以分配足夠的學時。

對實際電機結構的學習，更多是為后續(xù)電機設計課程作準備的。目前很多學校已經不再開設電機設計課程，對實際電機結構的學習要求不高，電機學中所構建的電機模型只需抓住電機的結構特點，能夠順利進行后續(xù)的磁場和電磁關系分析即可。如電機學中的變壓器部分，構造了一個具有典型特點的變壓器模型，這個變壓器模型沒有考慮變壓器的繞線方式（連續(xù)式、層式），也沒考慮變壓器作為高電壓設備其內部的絕緣設計，更沒有考慮變壓器的高壓分接繞組等，但這并不影響變壓器結構、工作原理以及磁場和電磁關系分析等的學習，一個相對簡單的變壓器模型能夠讓學生快速掌握其結構特點，順利進行后續(xù)內容的學習。

（二）對電機實踐定位不夠科學

電機結構的學習、內部磁場分布和電磁關系分析等學習內容，都是很抽象的內容，而課堂講授又是這部分內容學習的主要方式和方法，對電機學學習的實際情況分析，目前的課堂講授方式方法是需要改進的。

有文獻指出，電機學課程難學，歸結為電機學學習與實踐結合不夠。在教學過程中，結合電機的實踐訓練，加強對實際電機結構的學習和了解，本身這部分內容學習的重要性已經降低，過分強調這部分內容的學習，而且還占用實踐課時，對后續(xù)電機內容學習幫助不大，還容易分散學生的學習精力，增加學生的學習負擔。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

有文獻指出，通過加強電機實驗課程，理論結合實際，會有助于電機工作原理的學習以及內部電磁關系的分析。這種觀點在實踐中也會遇到困難，電機學實驗很重要，但主要是為電機穩(wěn)態(tài)工作時的特性分析及驗證而開設的，實際電機考慮繞組的絕緣及機械強度，被嚴格包封起來，電機運行時轉子繞組轉動速度很高，內部磁場變化、電磁關系轉換頻率很快，這些都是難以直接進行觀察驗證的，基本上只能通過課堂講解進行。

（三）電機學課程中難點被弱化

在一些應用型大學，部分教師采取弱化電機內部磁場分析及數學模型的建立過程，要求學生有選擇性地學習電機學知識點，有些教師采取簡單跳過知識難點的處理方法等，這些都會使學生基礎知識不牢，并使專業(yè)知識缺乏系統連貫性。

（四）教學改革實踐針對性不夠強

有文獻把電機學教學過程中存在的問題歸結為電機學教學內容沒有與時俱進、缺乏前瞻性等，難以引起學生的學習興趣，提出增加一些本學科前沿的新知識、新技術，提出與教師科研相結合，其實質也是沒有很好把握電機學的學習任務，對電機學在專業(yè)課程體系中的地位不明確所造成。另有一些文獻提出，對電機學教學方式進行改革，如利用新興網絡技術教學手段，加強課堂互動和討論環(huán)節(jié)，對考核方式進行改進等。

三、提升電機學課程學習的策略

通過上述分析，電機學課程學習的難點主要在電機結構和電機工作原理學習、電機內磁場分布和電磁關系分析等部分，在電機學的學習中起到重要作用，教學過程中要針對這些難點進行改進，把電機學的教學難度控制在一定范圍，確保該課程的學習順利完成。以下通過精簡教材部分內容，采用新的課堂講授方法加以說明。

（一）重構具有鮮明特點的電機模型，精簡實際電機結構部分內容

使電機學教材更加貼合電機學教學任務和要求，對電機學的教學起到積極的作用，發(fā)揮教材的價值，使學生能夠快速掌握電機結構部分的學習，順利過渡到電機基本工作原理、電機內磁場分布和電磁關系分析等部分。

直流電機部分，構建盤形直流電機模型，包括主磁極、電樞、電樞繞組和換向器等主要部分，和鼓形直流電機模型相比，盤形電機的電樞繞線方式比較簡單，有效導體（工作邊）在電樞表面的分布更加直觀，很容易理解電樞反應的基本概念和“電機旋轉時，一個磁極下的導體中的電流方向一致，一個電樞支路中的導體電流方向一致，電刷是電樞表面導體電流的分界線”等常識性結論，并能順利完成直流電機電磁關系分析部分的學習。最后可通過交代盤形電機與鼓形電機電樞繞組的拓補關系，使學生了解實際的鼓形電機電樞繞組結構特點。

變壓器部分，仍使用目前電機學教材中常見的變壓器模型。

同步電機和感應電機定子繞組（交流繞組），可用一個三相單層整距集中單匝繞組作為模型，通過這個模型，可直觀看出三相繞組中電流變化時，三相繞組在氣隙中產生旋轉磁動勢和旋轉磁場，以及當正弦分布的旋轉磁場切割三相對稱繞組時，在三相繞組中產生的電動勢的變化情況。最后可通過交代短距、分布等概念，使學生了解實際三相交流繞組的特點，以及短距、分布等措施對抑制諧波具有重要作用。

對同步電機、轉子結構相對比較簡單和易于理解，可使用現有的同步電機轉子模型。

對感應電機繞線形轉子，可構建一個與定子繞組相同的轉子繞組結構（目前很多電機學教材中已經如此處理），學生在學習交流繞組的基礎上，可快速掌握繞線形轉子繞組結構特點。對感應電機籠型轉子，結構相對比較簡單，可使用現有感應電機籠型轉子模型。

（二）開發(fā)基于VBA技術的電機學PPT教學課件

把電機的基本結構和基本工作原理、電機內磁場分布和電磁關系分析等，通過模擬仿真的形式在PPT課件上形象生動地展示出來，降低這部分內容的講解難度和學習難度，通過課堂講授使學生掌握相關內容，充分發(fā)揮課堂講解在電機學學習中的作用。

VBA是Microsoft Office系列軟件的內置編程語言，面向對象進行編程，功能強大，利用VBA嵌入式技術，可以增強PPT幻燈片的界面控制功能和視覺觀感，增強PPT課件的應用效果[7]?；赩BA技術進行PPT課件制作，其基本原理是把幻燈片上圖形中的內容劃分為可控部分和不可控部分兩類，然后利用VBA的控制功能，控制可控部分圖形進行位移和角度的變化，從而產生運動的效果，可模擬仿真電機的實際運行以及展示電機內部的電磁變化規(guī)律。

四、基于VBA技術的電機學PPT課件設計方案

基于VBA技術開發(fā)電機學PPT教學課件，構建具有典型特點的電機模型，通過模擬仿真展示電機的基本工作原理和內部磁場分布以及電磁關系等，同時還可把VBA技術用于電機的特性分析和實驗仿真等教學環(huán)節(jié)?；赩BA技術的“電機學”課程PPT課件設計過程如下。

（一）緒論部分

該部分主要為引論，并講述磁場及其定則、電磁感應定律、磁路概念及磁路的基本定律等。在進行PPT課件設計時，可利用兩視圖（主視圖和俯視圖）建立一個可控的直線電機運動模型，通過模擬仿真直線電機的運動，便于學生學習磁場、左手定則、右手定則以及電磁感應定律，使學生對電動機原理和發(fā)電機原理的并生性建立初步的認識。

（二）直流電機部分

直流電機結構復雜，但工作原理相對簡單，易于起動和調速控制，在電機學課程學習中占有一定地位。

構建盤形直流電機模型，通過模擬仿真，有利于學生學習直流電機基本結構和基本工作原理、電樞反應和電磁關系分析等。如圖1所示，該圖為電機學課件中設計的直流電機模型，通過單擊動畫模型控制按鈕，可以方便地進行直流電機模擬仿真。

直流電動機機械特性章節(jié)，可在PPT幻燈片上構造直流電動機調控電路，通過模擬仿真調節(jié)直流電動機的電樞電壓、勵磁電流和轉子串電阻，在機械特性圖上動態(tài)展示人為機械特性，利用人為機械特性講解直流電動機的調速原理，進行恒轉矩負載的調速分析。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

（三）變壓器部分

為了讓學生更好地理解變壓器內部磁場變化，構造一個能夠實時變化的交變磁場，如下頁圖2所示，用磁力線方向及其疏密變化反映變壓器內部空載和負載時的磁場及其變化規(guī)律，利于學生對變壓器內部交變磁場、主磁路、漏磁路等產生直觀認識。

旋轉矢量在變壓器、感應電機及同步電機分析中占有重要地位，這里可在PPT幻燈片上，讓這些矢量真正地旋轉起來，交代矢量之間的相對靜止關系等，讓學生學習掌握矢量分析法的基本知識。

為了讓學生更好地理解變壓器短路實驗過程，構造一個能夠進行電壓調節(jié)，并通過儀表實時顯示電路中的電流和電壓的變壓器短路實驗接線圖，模擬仿真變壓器短路實驗的調節(jié)過程以及參數讀取，達到仿真實驗的效果，并避免學生在實際變壓器短路實驗時的電壓誤操作導致實驗設備和儀器損壞。

（四）三相交流繞組部分

該部分主要講述：一是同步電機和感應電機定子繞組結構;二是三相交流繞組通三相交流電時所產生的磁動勢和磁場，其磁場為正弦分布的以同步轉速運動的旋轉磁場;三是正弦分布的旋轉磁場切割三相定子繞組時，在定子繞組內產生三相對稱的電動勢等問題。這部分內容的特點是電生磁、磁又生電，磁場是正弦分布的、同時又是運動的，電是隨時間按正弦規(guī)律進行變化的，兩者之間緊密相關，這些內容非常抽象，也難于講授和理解。這里在PPT幻燈片上構建一個三相單層整距集中單匝繞組，通過模擬仿真進行課堂教學。

通過模擬的方式實時展示單相繞組通單相交流電時，氣隙中產生正弦分布的脈振磁場及其變化的規(guī)律;三相繞組通三相交流電時，在氣隙中產生正弦分布的磁場，以及該磁場以同步轉速進行正向旋轉的情況，如下頁圖3所示，其中，“演示”“初始化”“停止”為控制按鈕。

通過設計動畫演示把圓形氣隙切口并展開成一條直線的過程，過程中氣隙中的磁場保持正弦分布不變，展開后氣隙磁場運動方式由旋轉運動變化為平移運動，通過這種轉變，利于對旋轉磁場的特點進行描述。

通過設計動畫實時展示正弦分布的旋轉磁場切割一相繞組時，在繞組中產生的單相交變電動勢;正弦分布的旋轉磁場切割三相繞組時，在繞組中產生的對稱的三相交變電動勢。

（五）同步電機部分

在PPT幻燈片上構建同步電機模型，通過模擬的方式實時展示同步發(fā)電機空載運行時，轉子磁場切割定子繞組過程，以及產生的電動勢E0。

在同步發(fā)電機外特性章節(jié)，通過給定的同步發(fā)電機參數，在PPT幻燈片上編程實時計算不同功率因數情況下同步發(fā)電機的外特性曲線，并進行繪制。

構造同步發(fā)電機并入無窮大電網的接線電路，可使用暗燈法及燈光旋轉法接線方式，模擬仿真電網與發(fā)電機的電壓矢量（包括大小、旋轉速度和相位關系等），以及調節(jié)發(fā)電機勵磁和轉速時的矢量變化情況（包括燈光變化情況），達到并網要求后進行并網操作。如下頁圖4所示，為同步發(fā)電機并聯運行模擬動畫。

通過旋轉矢量分析建立時空統一矢量圖，同步發(fā)電機電動勢E_0與電壓矢量U之間夾角，等于主磁極旋轉磁場與氣隙旋轉磁場夾角。PPT幻燈片制作時，在所構造的同步發(fā)電機模型上，展示電動勢E_0與電壓矢量U，主磁極以及氣隙旋轉磁場旋轉過程及位置關系。并可利用此模型講述同步發(fā)電機并入無窮大電網后向電網輸送有功功率的調節(jié)原理。

在PPT幻燈片上，利用矢量圖動態(tài)展示同步發(fā)電機與無窮大電網并聯運行時的無功調節(jié)，以及各物理量的變化規(guī)律。

利用同步電機模型模擬仿真電機運行時，內部氣隙旋轉磁場和轉子旋轉磁場在三種運行狀態(tài)下（發(fā)電機、補償機、電動機）的相對位置關系。

仿真講解同步電動機的基本結構、直接起動情況以及起動措施。

仿真演示同步磁阻電機的基本結構和基本運行原理。

（六）感應電機部分

在PPT幻燈片上，利用構造的繞線形轉子感應電機模型，仿真感應電機氣隙磁場旋轉與轉子旋轉之間的關系，如圖5所示，通過控制按鈕，可從外部視角、定子視角、轉子視角等不同的角度進行觀察，另外也可選擇當轉差率s=0和s=1，以及正常轉差率時進行觀察。利用該幻燈片可形象講解轉子電流頻率以及轉子磁動勢的轉速。

在PPT幻燈片上，利用給定的感應電機參數，實時計算感應電機轉子串不同電阻時的轉矩轉差率特性，并繪制曲線。利用該曲線可直觀認識轉子串不同電阻時的最大轉矩和臨界轉差率等的變化規(guī)律，有助于對感應電機起動和調速的講解。

在PPT幻燈片上進行單相感應電動機的氣隙旋轉磁場演示。

（七）特種電機

這部分主要講述永磁同步電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、伺服電機、步進電機等特種電機的基本結構和基本運行原理，該部分一般不作為“電機學”的重點，可利用PPT幻燈片構造這些電機的模型，介紹這些電機的結構特點，通過仿真其實際運行情況，講授這些電機的基本工作原理和控制方法。

五、基于VBA技術制作電機學PPT課件的基本方法

（一）圖形繪制的方法

基于VBA技術進行PPT幻燈片圖案設計時，對不可控圖形，可以使用AutoCAD等繪圖軟件進行圖紙設計，并生成矢量圖，或利用其它繪圖方法繪圖并生成圖片格式的圖形;對可控圖形，必須使用PPT中的繪圖方法進行繪圖，并保留圖形的固有格式。PPT中的繪制可控圖形的方法總的來說有兩種。

一是SlideShowWindows.View.DrawLine方法，這種方法利用畫筆在PPT幻燈片上進行繪圖，但這種方法具有局限性。

二是ActivePresentation.Slides.Shapes.Add方法，包括Addline、AddShape、AddPolyLine以及AddLabel等，功能比較齊全。利用該方法在PPT界面上可手工繪制圖案，也可通過編程進行參數化繪圖，這種方法繪制的圖形與PPT風格一致，方便在PPT幻燈片上進行配色，具有線條光滑、圖案清晰、圖形靚麗等特點，具有較好的視覺效果。如果使用程序進行參數化繪圖，可以生成復雜的圖形，故經常使用這種方法進行不控圖形的繪制。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

（二）動畫效果制作

VBA控制PPT幻燈片產生動畫效果的方法主要有以下3種。

一是使用SlideShowWindows.View.DrawLine方法進行繪圖，并間隔一段時間后擦除圖形，然后重新計算繪制新的圖形，這種方法易在幻燈片上產生屏閃。

二是使用ActivePresentation.Slides.Shapes.Add方法在界面添加文字、線條、形狀和多段線（統稱形狀Shape）等構成圖案，間隔一段時間后，刪除這些Shape，然后重新計算并添加所需的Shape。因PPT程序進行界面添加Shape操作時，會花費一定的時間，程序復雜時，可能會降低程序執(zhí)行的速度。

三是在圖案設計階段，對構成可控圖形所添加的Shape進行賦名，執(zhí)行程序時，每間隔一段時間重新計算Shape的相關參數，修改Shape的相關屬性，屏幕自動刷新。這一點有些類似于VB中的直線控件的使用方法。

六、結語

電機學教材中精簡實際電機結構部分的內容，構造具有鮮明特點的電機模型，降低電機結構部分的學習難度，使教材更加貼合教學活動，有利于學生快速掌握電機的結構，在此基礎上順利學習電機的基本工作原理、電機內部的磁場分布及進行電磁關系分析等內容。

基于VBA技術制作電機學PPT課件，在課件上構造電機模型，通過模擬仿真的方式展示電機的基本結構特點和基本工作原理、電機內部的磁場分布和變化規(guī)律，電磁關系以及變化過程和變化規(guī)律等。每一次動態(tài)展示都相當于一堂生動的電機實驗課，通常這些實驗課程是難以通過實物的方式在實驗室開設的，通過PPT在課堂上進行模擬仿真，具有較好的觀察效果，使一些復雜抽象的問題變得比較形象和簡單化，能夠提高學生的學習興趣，降低學生的學習難度，便于教師課堂講解和互動學習，也便于學生理解和掌握知識難點，具有較好的教學效果。

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[作者簡介]姜宏偉，中原工學院副教授，研究方向：電機電器;梁芬，河南工業(yè)貿易職業(yè)學院副教授，碩士，研究方向：電機及電機控制。

[責任編輯 韋書令]C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C