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摘要:课堂教学是高等院校的传授专业知识的主要方式。对于工科类专业,传统的课堂讲授方式远远达不到理想的效果,由于教学现场资源的局限性,教学效果的提升需要更丰富教学形式和新的特色。以《电力拖动自动控制系统》课堂教学为例,提出将课堂教学与实习基地实践环节进行动态衔接,让课堂不局限于教学楼,而是安插在实习基地的不同现场的实践环节,将讲解、仿真、实验和工程现场合为一体,组建多种形式于一体的课堂。在此基础上,建立一套理论考试与实践操作相结合的成绩考核体系。实际运行表明,这种课堂教学改革不仅激发了学生学习兴趣,丰富了课堂教学内容,也极大提升了教学质量。
关键词:动态课堂;实习基地;工程实践;教学质量
中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)35-0165-03
一、工科类专业课程的课堂教学
在新的历史条件下,随着大众化高等教育不断深化,传统的教学方法难以提升办学质量。特别是工科类高等院校,专业知识在课堂教学中如何紧跟当前相关行业的最新需求,如何适应专业知识日新月异的更新和发展,是关系到教学质量提升的关键问题之一[1-2]。如何在教学过程中添加新的内涵,大幅度提高学生动手能力和创新能力,具有极其重要的社会意义[3-4]。近年来,课堂教学改革一直是探讨教学质量的热点问题,从整个工科教学模式出发,文献[5]认为采用多媒体辅助教学,可以很好地调动学生的学习积极性,有利于化解教学内容中的重点和难点,有助于实现立体化教学,能促进教学效果的改善。文献[6]结合小班化教学特点,探索实践发现式教学法在小班化教学各环节的优化改进方法。该教学法可以有效发挥发现式教学法和小班化教学的优势,在传授知识的同时培养学生学会学习,培养学生的创新意识。
具体到某一门课程的教学改革则更为丰富,如文献[7]为提高教学质量,培养高素质复合型人才,从教学内容、方法、手段以及实践环节几方面提出了“微特电机”课程建设的改革与实践。主要措施有: 增加预备知识; 引入最新科研成果,丰富教学内容; 将多媒体技术与黑板书写相结合; 引入现场直观教学,提高学生的参与性; 开放实验室,培养研究分析的能力; 加强实习训练,增强动手能力。实践表明,学生学习微特电机的积极性和主动性提高,激发了创新思维,取得了较好成效。文献[8]根据电机学课程目前存在的问题和教学特点,结合新形势下专业要求和教学体会,从技术层面分析了课程需要改革的要点和环节,包括开篇内容的引入,仿真技术的应用,章节的结构调整,课后高质量习题的需求等问题,提出了相应的建议,以供教材建设和课堂内容设计参考。对于“电力电子技术”这门课程,文献[9]基于PSIM实验仿真,融入理论教学。以整流电路为例,完成理论波形的绘制和分析,并获得整流电路常用参数值。将教学重点由计算转移到分析和思考,在理论教学中融入PSIM实验仿真,以仿真实验验证理论,对培养学生的创新精神和研究能力具有一定的促进作用。
“电力拖动自动控制系统”作为电气传动控制专业的主干课程,集“电机学”“微特电机”“自动控制原理”“电力电子技术”等专业知识为一体,是这四门课程的综合运用与提升,也是对新能源、供配电、电力转换、电气控制及电气装备等专业课程的有力支撑。大部分高校将这门课安排在第七学期讲授(大四第一学期),由于一部分同学因为之前一些基础专业课没有学好,知识结构上存在薄弱环节,所以听课吃力,加之教师在讲授时,教学方法和手段没有改善,照本宣科,则很难跟上教学进度;另外一部分同学,专业知识比较扎实,到了大四之后,希望在专业水平上有所提升。作为教师,一方面要照顾好基础比较差的学生,另一方面也要给学习成绩好的学生提升的机会,最终让所有的学生掌握这门专业课,提高创新能力。
二、课堂教学的任务分解与规划
1.知识点模块化
“电力拖动自动控制系统”主要以直流电机和三相异步电动机及永磁同步电机的控制作为学习对象,涉及电机类专业基础知识较抽象,内容较繁杂。在授课前,教师需要对教学内容进行精心的设计和安排。首先,把握全面,突出重点。按照知识点之间的连贯性,理出一条知识链,并根据相关性分成若干相对独立的知识模块。考虑到大纲要求和给定的课时,讲授的顺序应该是从直流到交流电机控制部分,将知识模块进行优化。直流电动机重点是双闭环控制部分;交流电机的内容包括三相异步电动机和同步电动机,以三相异步电机为重点。控制原理部分无须展开,控制系统涉及到II型系统即可。对于直流电动机控制部分,难点主要集中在直流部分的PI调节器设计、双闭环调速过程、逻辑控制的无环流可逆V-M系统等。三相异步电动机的难点主要集中在动态模型部分,如坐标变换、矢量控制、直接转矩控制等。
2.知识难点采用循环式教学方法重点突破
电机控制在工程应用中是比较常见的应用,也是“电力拖动自动控制系统”的重点内容,如直流电动机双闭环控制、V-M可逆直流调速系统、逻辑控制的无环流可逆V-M系统等。交流电机VVVF调速、变频器技术、矢量控制与直接转矩控制等,应当作为经典知识点进行重点讲授。为保证课堂教学效果,须采用循环式教学方法如图1所示,即从讲解开始到仿真、实验、工程现场调试,再回到讲解环节,进行知识总结、分析和理论提升。使学生在工程应用中掌握专业理论知识,启迪创新思路。
三、课堂教学中的虚拟仿真是走向实践现场的桥梁
1.仿真将理论从抽象走向直观
(1)电机控制系统学习,离不开运动方程的推导和分析,三相异步电动机驱动系统模型为高阶方程,其特点是多变量、强耦合、非线性。为避免抽象枯燥的理论分析,可以给学生设计几个有代表性的电机调速案例,让学生独立推导,建立数学模型,并在仿真平台上给出明确结果,分析模型的特点和性能。以教材为依托,按照“先理论后仿真,再演示”的教学方法,使学生对本课程内容产生浓厚的兴趣,并循序渐进地学好本课程专业知识。 (2)学生掌握MATLAB、SIMetix等仿真软件的用法,不仅可以加强对专业理论知识的理解,还可以发挥创造性思想,独立完成对新的控制对象建模,设计控制路线。教师还可以把科研上的建模课题带入教学中,或者结合学生创新项目与竞赛项目,如大学生参与的电子设计大赛、SRT及春苗项目等,提升学生的建模能力。
2.从仿真到实验平台的过渡
如前所述,“电力拖动自动控制系统”这门课要求学生有很强的动手能力,实验研究是重要的学习过程。从仿真到实验的过渡,需要考虑以下的几个方面:
(1)详细的预案。基于实验教学大纲和现有的实验条件,学生在做实验之前,必须自拟一套实验方案。为充分发挥学生的创造性思想,这种方案可以不拘泥于大纲规定的“规范操作步骤”,而是根据自己的理解进行设计。
(2)实验中所涉及到的设备,其原理和参数描述,必须先逐个了解,并作记录。如所用三相异步电动机的铭牌参数、转子类型、测功机的原理和精度、变频器类型及相关参数等。设备上没有标出的,需要进行查阅。另外,根据前期的仿真实验结果,初步掌握实验过程的基本特性和参数。
(3)根据仿真模块图的连接顺序,自主搭建实验平台系统。实验设备的搭建,是训练动手能力的关键。摒弃封闭式实验插线柜,将所有的设备元气件开放性地放置在实验平台或挂架上,让学生充分了解设备的结构和性能。由于设备数量的限制,可以将学生进行分组,小组内再进行分工,协调开展实验活动。
(4)仿真的目的是为了实验的顺利开展,仿真的顺利完成可以最小限度减少损耗,缩短调试周期,达到高效率地完成实验任务。课堂教学中,应该把仿真与实验平台对应起来,达到平顺过渡。
3.团队合作式课堂教学提升教学效果
按小组或小班进行上课,是很多高校提升课堂教学效果的常用模式[10-13]。无论是何种形式,其实都是以团队的合作特征来完成课堂教学任务。以嘉兴学院“电力拖动自动控制系统”课堂教学改革为例,采用了更为有效的动态课堂教学模式,团队为自由组合,团队之间的工作是前后衔接和接力式的关系,每个团队必须按时完成自己的工作,下一个团队的工作才能顺利展开。在后续的基地实习工程现场课堂中,这种团队式的协作,更有利于促进学生的团队精神和凝聚力的形成。
四、实习基地资源在课堂教学中的作用
1.实习基地的课堂教学平台准备
由于强调工程实践能力的培养,课堂主要是设在校外实习基地。实习基地是不同年级在不同时间的共享平台,设备使用过程中,存在一定程度的重复性和间断性。构建一定的机制保证基地的使用效率,在有限的时间内,保证设备和实践教学发挥最好的效果。指导教学在制定本批学生课堂教学环节任务的时候,要做好下一批教学的准备工作。为保证两批学生教学的连贯性,下一批学生必须预习课堂上需要演示或完成的专业操作步骤。
2.工程现场课堂教学的考核认定
工程现场的课堂教学,学生成绩的考核认定是教学效果的直接体现。教学的讲解主要是通过现场演示,学生的学习过程主要是通过观摩之后现场操作,团队合作的协调性主要体现在小组接力式操作以完成生产流水线上的不同环节。实习基地统筹办公室,应制定一套《大学生实习实践课堂成绩评价细则》,汇总每个学生的工程现场操作的成绩,根据现场安装调试的结果,结合系统运行情况,采用优秀、良好、中等、合格和不合格等五个等级来确定最终成绩。学生的成绩评价包括:实践时间、完成指标(如程序编写、产品组装、设备调试)、团队协作、创新能力等几个方面。
学生成绩汇总之后,一方面记入学生档案,另一方面存放企业实习基地备案,做为学生实训的一部分成绩。
五、“电力拖动自动控制系统”课堂教学改革的运行效果
作为2014年度嘉兴学院课堂教改专项,“电力拖动自动控制系统”课堂教学展开了全新的运行模式。动态课堂主要穿插于教室、实验室、工程现场、校外实习基地等,将课本专业理论知识与仿真、实验、校外实习基地工程实践紧密结合起来。学生不仅掌握了书本知识,而且将专业知识直接运用于工程实践或产品研发。
例如,在讲授永磁同步伺服驱动系统时,其原理在课堂上先作简单讲述,然后再请企业工程师站在实际应用角度来谈调速方法。课堂直接进入企业现场(实习基地),现场讲述控制器及驱动器的工作、安装原理,将大家分组,进行驱动器安装、调试的操作训练。当所有小组的驱动系统带动电动机正常工作以后,指导教师再一次向同学们讲授伺服系统的工作原理及控制过程。整个教学环节衔接紧凑,同学们兴趣浓厚,操作热情高涨,学习效果良好。
实际运行表明,这种课堂教学改革不仅激发了学生学习兴趣,丰富了课堂教学内容,也极大提升了教学质量。
参考文献:
[1]刘滨清,周玲.我国高等工程教育课程研究综述[J].理工高教研究,2008,27(5):43-46.
[2]陶勇仿,商存惠.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究,2006,(11):81-83.
[3]陈小鸿.高校研究性教学的内涵、评价与管理[J].高教与经济,2008,21(3):7-11.
[4]张学洪.创建实践教学平台提升学生创新能力[J].中国高等教育,2012,(6):25-27.
[5]胡学兵,施卫国.多媒体辅助教学在工科专业课程中的应用[J].萍乡高等专科学校学报,2010,27(6):92-93.
[6]卢麟,朱勇,李建华.发现式教学法在工科专业课程中的探索与实践[J].高教论坛,2012,(4):81-83.
[7]刁小燕,朱熀秋,杨泽斌,等.《微特电机》课程的教学与实践[J].电力系统及其自动化学报,2011,23(4):158-160.
[8]王铁军,方芳,饶翔,等.电机学课程改革的技术要点探讨[J].中国电力教育,2011,208(21):187-188.
[9]王耀,吴艳萍,郑丹.基于PSIM仿真的电力电子课程设计[J].实验技术与管理,2013,30(12):108-110.
[10]蒋存波,陈小琴,金红.提高单片机教学效果的实验教学方法探讨[J].电气电子教学学报,2006,6(28):21-23.
[11]张卓然.基于MAXWELL2D 静磁场分析的特种电机教学[J].电气电子教学学报,2008,30(3):55-57.
[12]王田苗,陈殿生,吴永亮.《机电控制基础》一体化项目教学实践[J].北京航空航天大学学报,2008,21(2):77-90.
[13]邵如平,方志,郝丽丽.《高电压技术》教学改革的探索[J].中国电力教育,2008,(4):64-65.
(责任编辑:韩晓英)
关键词:动态课堂;实习基地;工程实践;教学质量
中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)35-0165-03
一、工科类专业课程的课堂教学
在新的历史条件下,随着大众化高等教育不断深化,传统的教学方法难以提升办学质量。特别是工科类高等院校,专业知识在课堂教学中如何紧跟当前相关行业的最新需求,如何适应专业知识日新月异的更新和发展,是关系到教学质量提升的关键问题之一[1-2]。如何在教学过程中添加新的内涵,大幅度提高学生动手能力和创新能力,具有极其重要的社会意义[3-4]。近年来,课堂教学改革一直是探讨教学质量的热点问题,从整个工科教学模式出发,文献[5]认为采用多媒体辅助教学,可以很好地调动学生的学习积极性,有利于化解教学内容中的重点和难点,有助于实现立体化教学,能促进教学效果的改善。文献[6]结合小班化教学特点,探索实践发现式教学法在小班化教学各环节的优化改进方法。该教学法可以有效发挥发现式教学法和小班化教学的优势,在传授知识的同时培养学生学会学习,培养学生的创新意识。
具体到某一门课程的教学改革则更为丰富,如文献[7]为提高教学质量,培养高素质复合型人才,从教学内容、方法、手段以及实践环节几方面提出了“微特电机”课程建设的改革与实践。主要措施有: 增加预备知识; 引入最新科研成果,丰富教学内容; 将多媒体技术与黑板书写相结合; 引入现场直观教学,提高学生的参与性; 开放实验室,培养研究分析的能力; 加强实习训练,增强动手能力。实践表明,学生学习微特电机的积极性和主动性提高,激发了创新思维,取得了较好成效。文献[8]根据电机学课程目前存在的问题和教学特点,结合新形势下专业要求和教学体会,从技术层面分析了课程需要改革的要点和环节,包括开篇内容的引入,仿真技术的应用,章节的结构调整,课后高质量习题的需求等问题,提出了相应的建议,以供教材建设和课堂内容设计参考。对于“电力电子技术”这门课程,文献[9]基于PSIM实验仿真,融入理论教学。以整流电路为例,完成理论波形的绘制和分析,并获得整流电路常用参数值。将教学重点由计算转移到分析和思考,在理论教学中融入PSIM实验仿真,以仿真实验验证理论,对培养学生的创新精神和研究能力具有一定的促进作用。
“电力拖动自动控制系统”作为电气传动控制专业的主干课程,集“电机学”“微特电机”“自动控制原理”“电力电子技术”等专业知识为一体,是这四门课程的综合运用与提升,也是对新能源、供配电、电力转换、电气控制及电气装备等专业课程的有力支撑。大部分高校将这门课安排在第七学期讲授(大四第一学期),由于一部分同学因为之前一些基础专业课没有学好,知识结构上存在薄弱环节,所以听课吃力,加之教师在讲授时,教学方法和手段没有改善,照本宣科,则很难跟上教学进度;另外一部分同学,专业知识比较扎实,到了大四之后,希望在专业水平上有所提升。作为教师,一方面要照顾好基础比较差的学生,另一方面也要给学习成绩好的学生提升的机会,最终让所有的学生掌握这门专业课,提高创新能力。
二、课堂教学的任务分解与规划
1.知识点模块化
“电力拖动自动控制系统”主要以直流电机和三相异步电动机及永磁同步电机的控制作为学习对象,涉及电机类专业基础知识较抽象,内容较繁杂。在授课前,教师需要对教学内容进行精心的设计和安排。首先,把握全面,突出重点。按照知识点之间的连贯性,理出一条知识链,并根据相关性分成若干相对独立的知识模块。考虑到大纲要求和给定的课时,讲授的顺序应该是从直流到交流电机控制部分,将知识模块进行优化。直流电动机重点是双闭环控制部分;交流电机的内容包括三相异步电动机和同步电动机,以三相异步电机为重点。控制原理部分无须展开,控制系统涉及到II型系统即可。对于直流电动机控制部分,难点主要集中在直流部分的PI调节器设计、双闭环调速过程、逻辑控制的无环流可逆V-M系统等。三相异步电动机的难点主要集中在动态模型部分,如坐标变换、矢量控制、直接转矩控制等。
2.知识难点采用循环式教学方法重点突破
电机控制在工程应用中是比较常见的应用,也是“电力拖动自动控制系统”的重点内容,如直流电动机双闭环控制、V-M可逆直流调速系统、逻辑控制的无环流可逆V-M系统等。交流电机VVVF调速、变频器技术、矢量控制与直接转矩控制等,应当作为经典知识点进行重点讲授。为保证课堂教学效果,须采用循环式教学方法如图1所示,即从讲解开始到仿真、实验、工程现场调试,再回到讲解环节,进行知识总结、分析和理论提升。使学生在工程应用中掌握专业理论知识,启迪创新思路。
三、课堂教学中的虚拟仿真是走向实践现场的桥梁
1.仿真将理论从抽象走向直观
(1)电机控制系统学习,离不开运动方程的推导和分析,三相异步电动机驱动系统模型为高阶方程,其特点是多变量、强耦合、非线性。为避免抽象枯燥的理论分析,可以给学生设计几个有代表性的电机调速案例,让学生独立推导,建立数学模型,并在仿真平台上给出明确结果,分析模型的特点和性能。以教材为依托,按照“先理论后仿真,再演示”的教学方法,使学生对本课程内容产生浓厚的兴趣,并循序渐进地学好本课程专业知识。 (2)学生掌握MATLAB、SIMetix等仿真软件的用法,不仅可以加强对专业理论知识的理解,还可以发挥创造性思想,独立完成对新的控制对象建模,设计控制路线。教师还可以把科研上的建模课题带入教学中,或者结合学生创新项目与竞赛项目,如大学生参与的电子设计大赛、SRT及春苗项目等,提升学生的建模能力。
2.从仿真到实验平台的过渡
如前所述,“电力拖动自动控制系统”这门课要求学生有很强的动手能力,实验研究是重要的学习过程。从仿真到实验的过渡,需要考虑以下的几个方面:
(1)详细的预案。基于实验教学大纲和现有的实验条件,学生在做实验之前,必须自拟一套实验方案。为充分发挥学生的创造性思想,这种方案可以不拘泥于大纲规定的“规范操作步骤”,而是根据自己的理解进行设计。
(2)实验中所涉及到的设备,其原理和参数描述,必须先逐个了解,并作记录。如所用三相异步电动机的铭牌参数、转子类型、测功机的原理和精度、变频器类型及相关参数等。设备上没有标出的,需要进行查阅。另外,根据前期的仿真实验结果,初步掌握实验过程的基本特性和参数。
(3)根据仿真模块图的连接顺序,自主搭建实验平台系统。实验设备的搭建,是训练动手能力的关键。摒弃封闭式实验插线柜,将所有的设备元气件开放性地放置在实验平台或挂架上,让学生充分了解设备的结构和性能。由于设备数量的限制,可以将学生进行分组,小组内再进行分工,协调开展实验活动。
(4)仿真的目的是为了实验的顺利开展,仿真的顺利完成可以最小限度减少损耗,缩短调试周期,达到高效率地完成实验任务。课堂教学中,应该把仿真与实验平台对应起来,达到平顺过渡。
3.团队合作式课堂教学提升教学效果
按小组或小班进行上课,是很多高校提升课堂教学效果的常用模式[10-13]。无论是何种形式,其实都是以团队的合作特征来完成课堂教学任务。以嘉兴学院“电力拖动自动控制系统”课堂教学改革为例,采用了更为有效的动态课堂教学模式,团队为自由组合,团队之间的工作是前后衔接和接力式的关系,每个团队必须按时完成自己的工作,下一个团队的工作才能顺利展开。在后续的基地实习工程现场课堂中,这种团队式的协作,更有利于促进学生的团队精神和凝聚力的形成。
四、实习基地资源在课堂教学中的作用
1.实习基地的课堂教学平台准备
由于强调工程实践能力的培养,课堂主要是设在校外实习基地。实习基地是不同年级在不同时间的共享平台,设备使用过程中,存在一定程度的重复性和间断性。构建一定的机制保证基地的使用效率,在有限的时间内,保证设备和实践教学发挥最好的效果。指导教学在制定本批学生课堂教学环节任务的时候,要做好下一批教学的准备工作。为保证两批学生教学的连贯性,下一批学生必须预习课堂上需要演示或完成的专业操作步骤。
2.工程现场课堂教学的考核认定
工程现场的课堂教学,学生成绩的考核认定是教学效果的直接体现。教学的讲解主要是通过现场演示,学生的学习过程主要是通过观摩之后现场操作,团队合作的协调性主要体现在小组接力式操作以完成生产流水线上的不同环节。实习基地统筹办公室,应制定一套《大学生实习实践课堂成绩评价细则》,汇总每个学生的工程现场操作的成绩,根据现场安装调试的结果,结合系统运行情况,采用优秀、良好、中等、合格和不合格等五个等级来确定最终成绩。学生的成绩评价包括:实践时间、完成指标(如程序编写、产品组装、设备调试)、团队协作、创新能力等几个方面。
学生成绩汇总之后,一方面记入学生档案,另一方面存放企业实习基地备案,做为学生实训的一部分成绩。
五、“电力拖动自动控制系统”课堂教学改革的运行效果
作为2014年度嘉兴学院课堂教改专项,“电力拖动自动控制系统”课堂教学展开了全新的运行模式。动态课堂主要穿插于教室、实验室、工程现场、校外实习基地等,将课本专业理论知识与仿真、实验、校外实习基地工程实践紧密结合起来。学生不仅掌握了书本知识,而且将专业知识直接运用于工程实践或产品研发。
例如,在讲授永磁同步伺服驱动系统时,其原理在课堂上先作简单讲述,然后再请企业工程师站在实际应用角度来谈调速方法。课堂直接进入企业现场(实习基地),现场讲述控制器及驱动器的工作、安装原理,将大家分组,进行驱动器安装、调试的操作训练。当所有小组的驱动系统带动电动机正常工作以后,指导教师再一次向同学们讲授伺服系统的工作原理及控制过程。整个教学环节衔接紧凑,同学们兴趣浓厚,操作热情高涨,学习效果良好。
实际运行表明,这种课堂教学改革不仅激发了学生学习兴趣,丰富了课堂教学内容,也极大提升了教学质量。
参考文献:
[1]刘滨清,周玲.我国高等工程教育课程研究综述[J].理工高教研究,2008,27(5):43-46.
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[4]张学洪.创建实践教学平台提升学生创新能力[J].中国高等教育,2012,(6):25-27.
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[6]卢麟,朱勇,李建华.发现式教学法在工科专业课程中的探索与实践[J].高教论坛,2012,(4):81-83.
[7]刁小燕,朱熀秋,杨泽斌,等.《微特电机》课程的教学与实践[J].电力系统及其自动化学报,2011,23(4):158-160.
[8]王铁军,方芳,饶翔,等.电机学课程改革的技术要点探讨[J].中国电力教育,2011,208(21):187-188.
[9]王耀,吴艳萍,郑丹.基于PSIM仿真的电力电子课程设计[J].实验技术与管理,2013,30(12):108-110.
[10]蒋存波,陈小琴,金红.提高单片机教学效果的实验教学方法探讨[J].电气电子教学学报,2006,6(28):21-23.
[11]张卓然.基于MAXWELL2D 静磁场分析的特种电机教学[J].电气电子教学学报,2008,30(3):55-57.
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(责任编辑:韩晓英)