自动化专业“电机与拖动”课程教学的改革与思考

武康

【摘   要】  “电机与拖动”是自动化专业核心课程，涵盖知识面广，工程背景强，关联的专业课程众多，如电机学、运动控制系统、电力电子等课程都有涉及，对学生的专业能力培养至关重要。针对这门课程教学中存在的一些问题，如传统的教学周期较长、知识量较大、教学形式相对单一、课本内容知识更新不够及时、对技术发展的跟进存在不足等，本文提供了一些教学改革方法和建议，以供参考。

【关键词】  电机与拖动;自动化;运动控制系统;电力电子

自动化技术在国民生产和军工等众多领域都发挥着重要作用，自动化学科的发展和专门人才培养对祖国现代化建设至关重要，也关系着国家的核心竞争力。决定人才培养质量的因素有很多，高等教育的教学改革涉及许多方面，包括专业口径的拓宽、强调基础知识的学习、加强通识教育的学习、对柔性教学的引进和使用、对教学计划的优化、鼓励专业实践等方面，在这些大框架下，不同的专业课程教学需要结合自身情况进行改进。

一 、课程改革的必要性

改革开放以来，国家经济不断发展，技术日新月异，学生群体的思想也发生了很大的变化，如何充分利用新的科技手段和表现形式，适应现代大学生的接受习惯也很重要。很多改革工作已经展开，在诸如对教材内容的改编、借助现代化信息工具进行多元教学、建设相关的课程资源库等方面做出了许多努力。这些方法各有特点，也产生了一定的效果，值得继续改进和推广。教学改革之路还很漫长，除了上述这些问题外，还需要对教学条件进行改善，创造个性化的教学环境，让学生能够看得见摸得着，亲身体验书本知识与实际应用的联系，更好地将抽象知识具体化，将最近的科技产品与技术更新到课堂专业知识体系中，灵活变化教学形式，将“古老”的专业课程年轻化，让朝气蓬勃的年轻人不断地吸收新的知识，这些都是十分重要且迫在眉睫的事情。

二、课程特点与改革建议

“电机与拖动”是一门实用性很强的专业课程，也是一门综合性很强的课程，学习内容中包含了大量的知识点，其内容主要有各类电机的结构、变压器、拖动理论等。课程特点由浅及深、循序渐进，知识具备了很强的关联性和体系性，既有传统理论，又有最新的技术研究成果，是一门典型的既古老又年轻的课程。此外，电机及其拖动负载是运动控制系统的执行机构和控制对象，在整个控制系统中处于核心位置，学好这门课是十分关键的，对其他专业课程的影响不言而喻。就系统控制的角度而言，只有对执行机构和被控对象的特点和规律进行深入了解，才能设计出更好的控制方案，做出最优的控制回路选择和电力电子元器件选型，最终获得理想的系统性能。这也体现了“电机与拖动”课程是一门非常重要的衔接课程，通过对电路、电磁学等课程进行掌握后，学习电机本体结构和专门知识及其动力学特性，为后续运动控制系统等课程学习打下坚实的基础，对相关电力类课程的学习有很大帮助。众所周知，高品质电机系统被广泛应用于能源动力、交通运输、高端制造和国防军工等重大装备。在自动化专业“新工科”建设背景下，教育工作者逐渐意识到应改革以往过于专注传统理论的认识，根据学生的特点，将重点转移到提高学生的创新能力培育和对基础研究的兴趣上来，为国家培养适应未来发展的创新型、多元化、高素质的卓越工程人才以及具备扎实的基础、拥有创造性的科研型人才。结合课程自身的特点、在专业体系中的位置以及未来发展的趋势，本文结合具体教学情况及目前学生群体学习中存在的一些问题，总结经验，提出了一些教学内容调整和改革的思考与建议。

1.课程内容适当调整。首先，从专业发展的角度来看，需要教师加强自身的科学素养，将最新的科技进展与课程进行有机结合，以满足学生所处时代环境下的新需求。在时代的发展中，电机专业也在不断完善和丰富，尤其是随着相关学科的发展，在电子元器件和控制技术方面的不断进步以及交叉学科的影响，运动控制这一领域发生了巨大的变化。众多的新技术和新原理被推广开来。在继承傳统知识的基础上，也要考虑时下的产业领域情况，尽可能地满足教学与实际的联系，迎合工程应用的需要，根据本学科教改经验和传统教材的问题，进行针对性的教学重点改进，以符合时代的要求，这在学生专业能力的培养上至关重要。对此，根据自动化专业的知识体系和人才培养要求，可以将传统的电机学课程与电力拖动课程进行压缩和整合，形成一门统一的课程，对理论课时进行削减，将更多的课时用于学生的实践环节和对最新科技的理解和掌握。重点强调介绍基本概念、基本运行原理与基本运行特性，注重实用性，而非一味地以做题得分形式来体现出课程教学的优劣，避免工科学生理科化的现象。其次，为适应当前工业发展的需要，有必要进行一些课程内容的更新，以符合新的知识体系需求，介绍一些新型电机的发展和相关的控制手段。如电机的无感控制、参数整定等时下较为常用的技术和面临的问题。此外，还需要增加MATLAB仿真内容，在数学仿真软件功能日益强大的情况下，学生可以提早将相关知识结合运用，帮助学生借助计算机手段加深对内容的体会和理解，对日后从事科学技术研究也有一定的帮助。如今的教学条件已经实现了计算机的普及运用，上机同样也是重要的教学方法和手段，在一定程度上能够提高学生解决实际问题的能力。结合其他专业核心课程，在整体系统设计和实际应用上有更好的了解和把握。最后，面向系统层面，结合电力电子技术背景，在拖动问题上进行进一步的理解和学习。

2.教学环节灵活多样。可以从运动控制系统的角度讨论电机与拖动，从电机配合电力电子变流器与控制策略的角度出发，按照先定性、后定量再到分析计算的顺序引入各类电机的运行原理、控制方案及其拖动系统的组成，符合学习认知的规律。对自动化专业学生而言，重点放在电机的外部特性及其控制方案，实用性得到体现，对本体结构的改进不做强调，对内部绕组和磁路的部分不做过多的学习，旨在介绍电机与拖动领域最新的知识和理念，以满足当前工程实际的需要。在对经典的教学方法进行保留的前提下，继续使用基于符号法的正弦向量分析工具，增加综合矢量为分析的手段，让学生理解其中变化的原因，结合电力电子等课程的学习，因为传统的向量分析在供电为正弦电的情况下适用，主要是由电网供电，在使用电力电子变流器后，此时绕组外加电压或电流不再是正弦的情况，上述方法便不再适用。其次，对磁场定向的矢量控制、直接转矩控制在内的最新拖动系统的理解需要以综合矢量为基础的新的教学工具。强化各类电机与电力电子变流器之间的关联，突出电机的各种控制变量在供电变流器中是如何具体实现以及变流器存在的局限性等物理概念。在这些方面进行结构性的讲授，让学生对电机控制从基础到逐步提高过程形成清晰的认知，帮助学生更好地掌握数学与物理量之间的关系与控制原则。

3.思政精神有机融入。当下越来越强调学生的思政教育，培养具有爱国精神的科技人才，这使课程过往历史与未来发展沿革的介绍也尤为重要。学生理解一门课程知识体系的源头、发展历程，对于学生的学科素养加强和对学生科学探求精神的培养有很大的帮助。电机的问世与理论发展已经有近两百年的历史，从1820年法拉第发现电磁感应定律后组装直流发电机，历经亨利、特斯拉等人的努力，各种类型的电机相继被制造出来。这其中，我国的著名电机学家钟兆琳研制了中国的第一台交流发电机，被称为中国的“电机之父”，这些优秀的国内电机学家都值得学生去学习，他们的精神激励着学生不断艰苦奋斗。时至今日，电力拖动系统正朝着网络化、信息化方向发展，包括现场总线、智能控制策略以及因特网技术在内的各种新理论、新技术、新工艺均在电力拖动领域中得到了应用。这一部分内容可以作为理论知识以外的科普内容进行学习。

4.科研兴趣合理引导。引导学生思考不同类型电机的特点及发展的趋势。因为不同类型的电机在结构材料、特性和运行原理上都有很大的不同。以永磁同步电机进行举例，因其材料的特殊性和先进电气及控制技术的发展，在众多领域中得到了广泛使用，包括当下热门的新能源、机器人和航空航天等。学生在了解永磁同步电机本体结构的同时，对其性能和使用场景有了更进一步的理解，对于如何选型、如何提高电机工作性能、优化系统设计有了一定的认识。同时可以拓展补充一些关联课程和科技知识进行结合理解和运用，向学生介绍未来技术的应用热点和研究方向，在这里以两个现实问题举例。2018年，《科技日报》指出：由于控制算法不精，导致国产机电产品伺服系统响应速度慢、故障率居高不下、稳定性不佳。随着DSP技术的广泛应用，高性能电机控制系统成为装备制造业向高端化发展的关键与核心，但系统的干扰及参数的不确定性往往对关键的指标产生影响。所以系统抗干扰技术的研究得到了极大重视并有大量的优秀成果见诸报道。通过目前现实问题的引入，从控制算法的角度，启发学生思考，对运动控制系统的专业知识学习有一定的指引。再比如，在现代调速控制系统中，研究的热点在于如何减少机械传感器的数量，以此来降低设备的成本和避免传感器使用中的一些问题。又因为控制器的设计需要用到传感器提供的如位置和速度的精确信息，所以在系统的控制中，设计观测器进行无感观测是一个有意义且前沿的研究方向，这类知识的学习还需要结合查阅相关的资料和对关联课程进行学习。以此来引导学生对现代控制方法进行了解和学习，使相关课程联系紧密。相比传统的控制器设计方法，许多现代控制方法有着特殊的优势，得到了系统、全面的研究和应用。通过这方面的介绍，可以引导学生加强对现代控制理论等课程的学习。

总而言之，本文针对自动化专业“电機与拖动”课给出了一些课程改革的建议与思考。在课程结构、课程内容、教学环节、思政学习、未来发展趋势、亟待解决问题几个方面系统地讲述了电机理论到控制的过程，从原始结构到具体场景应用和面临的问题，基于这些问题进行详尽、全面的教学。相比于传统教学内容中理论教学和公式计算的单调和难以理解，本文提出的方法可以搭建理论与应用之间的桥梁，将技术中涉及的问题进行可视化、动态化讲解，致力于让学生能够学得懂、用得会、感兴趣，为教学提供可行的参考方案。

【参考文献】

[1]杜丽敏，王宪伟，谭丽，何秉高.“电机与拖动”课程教学改革与实践[J].无线互联科技，2019，16（24）：77-79.

[2]李瑾.“电机与拖动基础课程”课程教学的改革与实践[J].科技视界，2020（27）：42-43.

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