一、“电机学”现状及问题
各门课程的衔接统筹,本科与研究生教育的协调,已经受到一些高校的关注。西安交通大学提出了“2+4+X”的培养模式,核心是通过打通本科生与研究生教育之间的隔离,强调培养内容上的拓展和实践创新能力的提高,实现不同层次教育阶段的平滑过渡和有机衔接,从而构建以本科教育教学改革为主体的创新性人才培养新体系,多规格多层次多模式培养高层次人才。浙江大学电气工程学院提出了电类基础课程的系统关联化建设的想法和方案,并进行了积极的尝试,从系统的观点,按照统一整体观重新设计相互关联的课程, 如电路、电磁场、信号、电子技术基础等。同时,对各课程实验进行整合,实现跨课程可持续性实验的开发。因此,从关联性分析入手,使学生既掌握扎实的基础理论和专门知识,也能将其熟练运用到电机性能分析,实现“电机学”与电气工程中其他相关课程的平滑过渡和衔接,对电气工程专业的本科生和研究生培养都有着重要的意义。同时,通过“电机学”关联性课程建设的探索,将大大加强“电机学”及其相关课程的统一规划建设、师资队伍培养及协调发展,并对相关学科建设可起到促进作用。图1是“电机学”关联性现状与预期示意图。
二、“电机学”关联性分析
1.与相关课程的相关性
“电机学”的课程内容涵盖磁路分析、变压器原理、直流电机、交流电机(感应电机、同步电机)、永磁电机与开关磁阻电机、控制电机、电机绝缘、电机发热和冷却等章节。这些章节绝大多数涉及电路中的很多内容,如回路法、节点法、相量法、自感与互感的概念、三相电路、磁路的概念、谐波分析法等;要用到电磁场中的电磁感应定律、感应电压(反电势)计算、磁路的计算、自感和互感的计算、电磁能量计算、电磁力计算、涡流、损耗等内容,这些知识点在电机学中都直接或间接地体现出来。由于计算机的'应用与普及,电磁场、温度场等多物理场数值计算被引入“电机学”教学之中,为电机性能分析和校核提供了更为精确的计算工具,并为研究生的“工程电磁场”课程提供了大量的仿真实例。
2.与课程建设的相关性
“电机学”及其相关课程之间的关联性,决定了在这些课程的建设中应充分考虑它们的关联性。“电机学”及相关课程的建设,与从事这些课程教学的教师、实验技术人员息息相关,师资队伍实力提高和协调配合是实现“电机学”及其相关课程关联性建设的关键。而相应的学科关联性建设是“电机学”及其相关课程建设的有力补充、支撑和保障。学生既是“电机学”关联性课程建设的受益者,又是关联性课程建设的检验者。因此,关联性课程建设离不开学生的积极参与。这些将在本文第三部分进行介绍。
三、“电机学”关联性课程建设方案
1.“电机学”关联课程的多样化教材建设
电机学中大量地应用了电路、工程电磁场的概念、知识和分析方法,同时电磁场数值计算也为电机磁场分析和性能分析提供了强有力的工具,也更体现工程教育的背景。首先,在纸质教材中,可引入相关电路、工程电磁场知识背景的链接,或者在讲解理论、公式时,介绍其所体现的电路和工程电磁场的原理,力求使学生明白公式的出处,从而自觉地学会利用已有的知识,加深对电机学中的概念、理论和公式的理解。另外,引入解析解和有限元法等计算方法获得的计算结果,与相应的电机学基于磁路的分析方法相互印证和比较,使学生了解电磁场计算对电机分析的重要性,也开拓他们解决工程实际问题的思路。在电路和“工程电磁场”课程例题或习题中,适当增加体现电机原理的工程类题目,在“电磁场数值仿真”课程中,增加电机电磁场数值分析的例题和习题,挺高学生的工程实践应用能力。随着计算机技术的发展,多媒体技术、互联网技术和软件技术的日益进步对丰富传统教学方式和纸质教材建设起到了极大的促进作用。多样化的电子教材成为纸质教材的有力补充。在现代教育技术中,多媒体教学发挥着越来越多的作用,电机学电子课件可以和其他相关课程相关章节之间进行链接,从而方便地将不同课程知识关联起来。充分利用其他相关课程的资源,使课堂教学得以丰富和完善。互联网技术为电机学及其相关课程教学形式的丰富提供了理想的平台,各课程网站可提供丰富的教学资源,如习题难题解答、视频、动画等教学素材,而网站中相关课程内容知识链接可使学生迅速将不同课程间相关知识点及相互的继承关系联系起来,便于建立完整的知识体系。
2.电机学软件的开发中突出关联性
开发电机学软件,从工程实用背景出发,可包含电机设计和电机电磁场分析软件,这些软件可使学生在实际工程环境中将学到的电路、工程电磁场和电磁场数值仿真知识与电机学贯通融合。在运行这些软件时,学生可通过帮助弹出电路、工程电磁场、电磁场数值仿真和电机学中相应的理论和公式,在工程实际应用中掌握相互关联的理论,并培养工程实践能力。笔者开发了电机设计软件和电机多物理场分析软件,通过这些软件,加强学生对电机学及关联课程的掌握。图3是电机设计软件界面及相应帮助信息。
3.“电机学”及其相关课程实验改革中的关联性
电机学本科实验以三相变压器参数测定、连接组测定和传统电机如(直流、异步、同步电机)的参数测定、运行特性测试为主,多属于验证性实验。随着教学改革的深入,更多新型电机如永磁电机、开关磁阻电机和横向磁通电机等的出现,为电机学实验的改革提供了新的思路。如“测定永磁同步电机转子中内嵌永磁体的剩磁” 实验,作为新型电机的参数测定,需要“工程电磁场”和“电磁场数值仿真”课程中的相关知识;而电路实验课程中,也可开设单相变压器参数测定和性能测量,为 “电机学”打下基础。三峡大学电工电子实验教学中心已有意将电路、模拟电字技术和数字电子技术实验协调统一设置,体现这些电工电子基础课程实验的关联性, 因此,在更为广泛的相关课程范围内,从关联性观点出发,整合实验项目和内容,将有助于包括“电机学”及其相关课程实验在内的电气工程类实验课程的协调发展。
4.师资队伍和学科建设是关联性课程建设的保证与支撑