一、“電機學”現狀及問題
各門課程的銜接統籌,本科與研究生教育的協調,已經受到一些高校的關注。西安交通大學提出了“2+4+X”的培養模式,核心是透過打通本科生與研究生教育之間的隔離,強調培養內容上的拓展和實踐創新能力的提高,實現不同層次教育階段的平滑過渡和有機銜接,從而構建以本科教育教學改革爲主體的創新性人才培養新體系,多規格多層次多模式培養高層次人才。浙江大學電氣工程學院提出了電類基礎課程的系統關聯化建設的想法和方案,並進行了積極的嘗試,從系統的觀點,按照統一整體觀重新設計相互關聯的課程, 如電路、電磁場、信號、電子技術基礎等。同時,對各課程實驗進行整合,實現跨課程可持續性實驗的開發。因此,從關聯性分析入手,使學生既掌握紮實的基礎理論和專門知識,也能將其熟練運用到電機性能分析,實現“電機學”與電氣工程中其他相關課程的平滑過渡和銜接,對電氣工程專業的本科生和研究生培養都有着重要的意義。同時,透過“電機學”關聯性課程建設的探索,將大大加強“電機學”及其相關課程的統一規劃建設、師資隊伍培養及協調發展,並對相關學科建設可起到促進作用。圖1是“電機學”關聯性現狀與預期示意圖。
二、“電機學”關聯性分析
1.與相關課程的相關性
“電機學”的課程內容涵蓋磁路分析、變壓器原理、直流電機、交流電機(感應電機、同步電機)、永磁電機與開關磁阻電機、控制電機、電機絕緣、電機發熱和冷卻等章節。這些章節絕大多數涉及電路中的很多內容,如迴路法、節點法、相量法、自感與互感的概念、三相電路、磁路的概念、諧波分析法等;要用到電磁場中的電磁感應定律、感應電壓(反電勢)計算、磁路的計算、自感和互感的計算、電磁能量計算、電磁力計算、渦流、損耗等內容,這些知識點在電機學中都直接或間接地體現出來。由於計算機的'應用與普及,電磁場、溫度場等多物理場數值計算被引入“電機學”教學之中,爲電機性能分析和校覈提供了更爲精確的計算工具,併爲研究生的“工程電磁場”課程提供了大量的仿真實例。
2.與課程建設的相關性
“電機學”及其相關課程之間的關聯性,決定了在這些課程的建設中應充分考慮它們的關聯性。“電機學”及相關課程的建設,與從事這些課程教學的教師、實驗技術人員息息相關,師資隊伍實力提高和協調配合是實現“電機學”及其相關課程關聯性建設的關鍵。而相應的學科關聯性建設是“電機學”及其相關課程建設的有力補充、支撐和保障。學生既是“電機學”關聯性課程建設的受益者,又是關聯性課程建設的檢驗者。因此,關聯性課程建設離不開學生的積極參與。這些將在本文第三部分進行介紹。
三、“電機學”關聯性課程建設方案
1.“電機學”關聯課程的多樣化教材建設
電機學中大量地應用了電路、工程電磁場的概念、知識和分析方法,同時電磁場數值計算也爲電機磁場分析和性能分析提供了強有力的工具,也更體現工程教育的背景。首先,在紙質教材中,可引入相關電路、工程電磁場知識背景的連結,或者在講解理論、公式時,介紹其所體現的電路和工程電磁場的原理,力求使學生明白公式的出處,從而自覺地學會利用已有的知識,加深對電機學中的概念、理論和公式的理解。另外,引入解析解和有限元法等計算方法獲得的計算結果,與相應的電機學基於磁路的分析方法相互印證和比較,使學生了解電磁場計算對電機分析的重要性,也開拓他們解決工程實際問題的思路。在電路和“工程電磁場”課程例題或習題中,適當增加體現電機原理的工程類題目,在“電磁場數值仿真”課程中,增加電機電磁場數值分析的例題和習題,挺高學生的工程實踐應用能力。隨着計算機技術的發展,多媒體技術、互聯網技術和軟件技術的日益進步對豐富傳統教學方式和紙質教材建設起到了極大的促進作用。多樣化的電子教材成爲紙質教材的有力補充。在現代教育技術中,多媒體教學發揮着越來越多的作用,電機學電子課件可以和其他相關課程相關章節之間進行連結,從而方便地將不同課程知識關聯起來。充分利用其他相關課程的資源,使課堂教學得以豐富和完善。互聯網技術爲電機學及其相關課程教學形式的豐富提供了理想的平臺,各課程網站可提供豐富的教學資源,如習題難題解答、視頻、動畫等教學素材,而網站中相關課程內容知識連結可使學生迅速將不同課程間相關知識點及相互的繼承關係聯繫起來,便於建立完整的知識體系。
2.電機學軟件的開發中突出關聯性
開發電機學軟件,從工程實用背景出發,可包含電機設計和電機電磁場分析軟件,這些軟件可使學生在實際工程環境中將學到的電路、工程電磁場和電磁場數值仿真知識與電機學貫通融合。在執行這些軟件時,學生可透過幫助彈出電路、工程電磁場、電磁場數值仿真和電機學中相應的理論和公式,在工程實際應用中掌握相互關聯的理論,並培養工程實踐能力。筆者開發了電機設計軟件和電機多物理場分析軟件,透過這些軟件,加強學生對電機學及關聯課程的掌握。圖3是電機設計軟件介面及相應幫助資訊。
3.“電機學”及其相關課程實驗改革中的關聯性
電機學本科實驗以三相變壓器參數測定、連接組測定和傳統電機如(直流、異步、同步電機)的參數測定、執行特性測試爲主,多屬於驗證性實驗。隨着教學改革的深入,更多新型電機如永磁電機、開關磁阻電機和橫向磁通電機等的出現,爲電機學實驗的改革提供了新的思路。如“測定永磁同步電機轉子中內嵌永磁體的剩磁” 實驗,作爲新型電機的參數測定,需要“工程電磁場”和“電磁場數值仿真”課程中的相關知識;而電路實驗課程中,也可開設單相變壓器參數測定和性能測量,爲 “電機學”打下基礎。三峽大學電工電子實驗教學中心已有意將電路、模擬電字技術和數字電子技術實驗協調統一設定,體現這些電工電子基礎課程實驗的關聯性, 因此,在更爲廣泛的相關課程範圍內,從關聯性觀點出發,整合實驗項目和內容,將有助於包括“電機學”及其相關課程實驗在內的電氣工程類實驗課程的協調發展。
4.師資隊伍和學科建設是關聯性課程建設的保證與支撐