基于卓越工程师培养目标的电机学课程教学改革
许瑾+张安安+赵万明
[摘 要]电机学课程作为电气工程专业学生从公共基础课过渡到专业技术课程之间的桥梁，在教学环节中具有举足轻重的地位。基于卓越工程师人才培养计划，以学生为中心，立足校本教研，从教学内容优化、教学方法融合以及多层次实践教学体系建设等方面对西南石油大学电机学课程教学改革进行了分析和探索，以期达到培养工程应用型和创新型人才的目标。
[关键词]卓越工程师；电机学；教学改革；实践教学
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）01-0077-03
一、引言
2014年西南石油大学电气工程及其自动化专业被列入四川省普通本科高等学校卓越工程师教育培养计划试点专业。基于“面向工程、宽基础、强能力、重应用”的卓越工程师培养目标，以学生为主体，遵循工程知识能力培养的教育规律，采用多元化教学模式的改革思路，构建将实用性理论课程教学、开放型实践教学和具有行业特色的科研训练三方面结合的课程体系是我校电气工程专业开展卓越工程师教学培养计划工作的重点。
电机学课程作为电气工程专业学生从公共基础课过渡到专业技术课程之间的桥梁，在教学环节中具有举足轻重的地位。本文围绕卓越工程师培养目标，在工程教育背景下理解电机类课程的内涵，找差距、转理念、抓实践，探索其课程建设与改革的措施。
二、电机学课程改革措施
（一）优化课程内容
我校电气工程及其自动化专业于2014年启动人才培养方案优化工作，并于2015年开展工程教育认证申请工作。以此为契机，在充分体现“夯实专业基础知识，加强工程技能训练，凸显工程特色”的课程体系构建原则基础上，我们对电机学课程内容进行了优化调整。
在教学内容方面的改革，突出内容要“精而新”，实用性要强。“精”体现在在专业课学时被压缩的情况下，我们认真梳理电机学系列课程的教学内容，克服以往各课程内容自我封闭、课程间存在教学内容重复、缺乏系统性等缺陷，将系列课程进行必要的重组和优化。在2015版卓越工程人才培养计划中，课程组将原来单独开设的电机学、电力拖动基础和控制电机三门课程进行了整合，教学内容划分为6个单元：电机学基础知识、变压器、直流电机、异步电机、同步电机、电动机的选择与特种电机。需要强调的是，教学内容上的精不是一味地通过删除、压缩原有教学内容，电机学的教学内容依然要把握变压器、直流电机、异步电机和同步电机这条主线，系统讲解四类主要电机的基本结构、工作原理、电磁关系、运行特性、控制方法、相关设计计算方法，适当弱化学生难理解的理论分析和与实际应用联系不多的计算推导等环节内容。在编写教学大纲时，我们将每个章节和知识点进行细化，并与卓越人才培养和工程认证要求的指标点进行了对应，使电机学课程内容既具有独立特点，同时又具有关联性。
“新”体现在要摒弃过时的内容，紧跟科学技术的最新发展，反映科学前沿技术成果。要选择合适的教材，同时在授课内容上要突破教材编排的框架，通过多媒体手段引入与课堂授课内容相关的工程实例及科研项目。当然，这需注意理论和项目教学内容的深度和广度，要根据学生基础、理解力等去设置和开展，否则会引起学生的恐惧和厌学心理。
此外，优化电机学课程内容，还需要密切关注电机学关联性课程体系的建设和发展。电机学在学习分析过程中需要应用电路、工程电磁场等学科知识去掌握电机分析理论和方法，电机在工程中的应用则需要配合电机拖动自动控制系统、电力电子技术、新能源发电技术等专业课程，电机学虚拟实验的开展需要学习掌握例如ANSOFT、MATLAB及LabVIEW等软件。本专业在制定第二课堂教学计划时，已将上述内容融入学生认知能力的不同阶段，同时配套完成了电机学关联性课程多样化理论和实践教材建设的撰写。
（二）改革教学方式
教学内容的拓展需要配合多样的课堂教学和实践教学方式开展。要转变学生对理论性强、概念抽象的电机学学习兴趣不高，以记忆为终结多，以理解实践为结果少、效果差的情况，课程教学方式改革是关键。
目前，基于以教师为主体的LBL教学模式，以学生为主体的PBL、PjBL教学模式被广泛讨论。其中LBL教学方式可充分发挥教师的引导作用，利用其专业素养对课程知识作全面和系统的分析讲解，保证知识传授环节的准确性、连贯性。通过现代教学手段丰富课堂内容和表现形式，有利于学生的理解，但是不利于激发学生的学习自主权和积极性，不利于培养学生的独立思考能力。
PBL教学方式注重学生思维方法和实际能力的训练，以真实开放性的问题为学习载体，培养学生自主学习与解决问题的能力。PjBL是以完成项目为学习载体，强调以学生以团队为主体，进行学科交叉、协作学习，自主探究。上述两者都是基于CDIO教育理念构建人才培养模式的具体措施，是一种基于过程的学习模式。过程式课程模式需遵循工程生命周期，依据学生在不同年级以简单工程、中等工程到复杂工程的学习顺序形成螺旋上升的课程体系。[1][2]现阶段该类方法在教学环节中全面实施的难度较大，且若只是阶段性开展，往往会让学生将注意力集中到具体问题和项目的处理上，从而忽略知识的系统性，造成学生基础知识掌握不扎实。
基于上述分析及电机学课程的特点，笔者认为电机学教学要能够动静相宜。所谓“静”，即教师作为引导者，要严格把握培养目标和课程知识构架间的严谨与统一，实质关系是静态的，但绝不是封闭的。所谓“动”，即对应教学内容、教学过程、教学空间是动态的，开放的。教学内容不拘泥于教材，教学过程不以掌握结论为目的，教学空间不局限在校内的三尺讲台。
他们间的结合具体可采用以下方式。每次授课前，教师先给学生提供课前自学提纲、问题及要求（自学内容可以是书本的知识点，也可以是基于知识点引出的问题或者相关科研项目），要求学生查阅资料，完成课前作业。
在课堂上抽出部分时间由学生进行讨论，教师对学生自学情况的反馈进行点评。在此基础上，教师采用板书、教具和现代教育技术相结合的手段进行重点和难点知识点的讲解和梳理。例如在讲解电机复杂电磁关系时，通过板书教学引导学生思维、控制节奏；讲解电机结时，需充分利用模型教具和多媒体课件，直观展现电机外形，内部结构等，使抽象的内容变得具体。讲解电机工作特性时，应配合电机学虚拟仿真实验平台，将实验带入课堂，现场通过实验模型的构建、参数的调整等观察特性曲线的变化，直观地观察电机运行时的状态。同时，教师要注意知识引导和凝练，让学生在课堂上有温故而知新的效果，有意味深长的感觉。
课后学生通过作业、虚拟仿真及实物实验等多种方式完成自学和课堂内容的总结报告，并进行考核，计入成绩综合评定系统。
通过学生课前自学、课堂教师精讲和课外拓展这一不同形式组合的动态学习过程，能调动学生的主动性。自学过程培养了学生借助各种手段获取知识的能力以及分析和思考问题的能力。课堂上师生间信息的互动与反馈，建立了学习效果闭环反馈系统，可以让教师及时掌握学生学习情况，优化课程内容，进行有针对性的知识传授。课后，借助于各种实践平台，学生可以让将理论知识渗透在实践过程和科研训练中，这拓展了学生电机学知识的领域。
（三）构建电机学多层次实践教学体系
上述教学方案的实施需要学生具有较强的自学能力和思维能力，经过卓越班层层选拔的学生具有这样的基本素质。同时，在整个教学计划实施的环节中，教师都需要结合教学培养目标，构建多层面的实践教学体系，提供良好的教学环境，配合教学内容，强化学生的工程意识、工程素养，锻炼学生的工程能力。
目前，我校电机学实践教学体系主要包含课程综合实践、创新型实践和校企联合的生产实践三部分。
1.课程综合实践
课程综合实践目前主要基于电机及控制实验平台进行。为加强学生的实际动手能力，我校单独开设了电力拖动综合实验课程，并对实验资源进行了整合，调整了基础验证型实验和综合设计型实验的比例。该实践环节遵循从简单验证型实验出发到综合设计型实验的过渡，实现了实践教学从简单到复杂，从定性分析到定量优化，从学生实验技巧的培养到学生设计创新能力提升的过渡。
2.创新型实践
创新型实践环节是卓越工程师人才培养环节中的重点，学生们通过第二课堂、开放性实验、各种设计大赛等实践活动，从大一起就开始接受工程实践的熏陶。就电机学相关创新型实践活动而言，我校建立了电机学系列课程虚拟仿真实验平台，该平台提供了基于ANSOFT等仿真软件构建的电机模型，学生可以通过三维动画等直观了解各种电机本身的结构特征，可以通过加载相关运行参数，直接观察电磁场的分布状况和分布特点等。基于Matlab软件构建的电机学课程实验平台，可以使学生通过虚拟仿真实验系统操作或自己设计搭建实验电路，掌握电机运行控制原理、控制策略和各类电机的动态运行性能等。
虚拟实验项目设计内容由浅入深，采用虚拟仿真与硬件实物相结合的教学方法，可实现学生从实验项目设置、技术指标、原理方案设计、系统模拟仿真、实验数据分析计算、系统分析改进和实验项目总结报告等一系列完整的工程化训练。该虚拟实验平台摆脱了传统实验室空间和时间的限制，为学生在电机学等基础性学习与工程探究性学习中提供互动、启发、探究式的研学辅助手段与工具。
根据卓越工程师人才培养方案要求，本专业还增设了工程实践与科技创新实践环节。该实践环节项目旨在依托电气学科优势和学校石油专业特色，充分利用校企资源，结合教师和企业科研项目引导学生进行综合性工程实践项目，建立实践教学与科学研究的联系。[3]实训项目包含采用变频调速等技术对油田广泛使用的抽油机、注水泵等大型耗能设计进行技术改造，油田用变压器故障检测及判断，太阳能充电背包设计，感应电动机矢量控制系统设计，新能源发电与并网系统的建模与仿真等从实际工程项目及有工程背景的科学研究中提炼出的内容。
该实践环节要求学生在遵循科学性、可行性和创新性的原则下完成从项目设计构思、方案论证到调试、撰写总结报告的全过程。通过实训和考核，实现学生对前一阶段理论学习的深化和实践能力培养的升华，充分检验学生综合素质、工程实践能力和创新意识培养效果。
3.校企联合的生产实践
面向卓越工程师培养的电机学生产实践环节，主要利用校内实训基地和长期固定的校企合作实习基地，使学生真正接触到电机实物，让学生了解电机在实际工业过程中运行、检修、维护、研发等环节。同时积极邀请川开电气、东方电机、四川电力公司、青峰岭教学电厂等企业的相关技术人员开展技术讲座，并建立企业工程师和校内教师的双导师制，指导学生进行相关工程实践项目，进一步培养学生的工程能力、工程意识和工程素养。
三、总结
电机学课程改革之路任重而道远，在卓越工程师人才培养计划指导下，以学生为中心，构建科学合理的电机学课程体系，优化教学内容、丰富教学手段、强化多层次的实践环节建设，进一步理解并实现电机学教学环节中课程理论与工程实践，知识体系与能力培养之间的有机融合，我们还需不断学习和探索。改革的目标是为了学生，教师应该结合学生实际情况因材施教，这样才能达到改革的最佳效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李茂国，朱正伟.面向工程过程的课程体系研究[J].高等工程教育研究，2014（4）：1-5.
[2] 胡志刚.工程型本科人才培养方案及其优化[J].高等工程教育研究，2014（6）：20-28.
[3] 张安安，王洪诚.创新型特色电气工程专业建设的探索与实践[J].中国电力教育，2010（35）：28-29.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]电机学课程作为电气工程专业学生从公共基础课过渡到专业技术课程之间的桥梁，在教学环节中具有举足轻重的地位。基于卓越工程师人才培养计划，以学生为中心，立足校本教研，从教学内容优化、教学方法融合以及多层次实践教学体系建设等方面对西南石油大学电机学课程教学改革进行了分析和探索，以期达到培养工程应用型和创新型人才的目标。
[关键词]卓越工程师；电机学；教学改革；实践教学
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）01-0077-03
一、引言
2014年西南石油大学电气工程及其自动化专业被列入四川省普通本科高等学校卓越工程师教育培养计划试点专业。基于“面向工程、宽基础、强能力、重应用”的卓越工程师培养目标，以学生为主体，遵循工程知识能力培养的教育规律，采用多元化教学模式的改革思路，构建将实用性理论课程教学、开放型实践教学和具有行业特色的科研训练三方面结合的课程体系是我校电气工程专业开展卓越工程师教学培养计划工作的重点。
电机学课程作为电气工程专业学生从公共基础课过渡到专业技术课程之间的桥梁，在教学环节中具有举足轻重的地位。本文围绕卓越工程师培养目标，在工程教育背景下理解电机类课程的内涵，找差距、转理念、抓实践，探索其课程建设与改革的措施。
二、电机学课程改革措施
（一）优化课程内容
我校电气工程及其自动化专业于2014年启动人才培养方案优化工作，并于2015年开展工程教育认证申请工作。以此为契机，在充分体现“夯实专业基础知识，加强工程技能训练，凸显工程特色”的课程体系构建原则基础上，我们对电机学课程内容进行了优化调整。
在教学内容方面的改革，突出内容要“精而新”，实用性要强。“精”体现在在专业课学时被压缩的情况下，我们认真梳理电机学系列课程的教学内容，克服以往各课程内容自我封闭、课程间存在教学内容重复、缺乏系统性等缺陷，将系列课程进行必要的重组和优化。在2015版卓越工程人才培养计划中，课程组将原来单独开设的电机学、电力拖动基础和控制电机三门课程进行了整合，教学内容划分为6个单元：电机学基础知识、变压器、直流电机、异步电机、同步电机、电动机的选择与特种电机。需要强调的是，教学内容上的精不是一味地通过删除、压缩原有教学内容，电机学的教学内容依然要把握变压器、直流电机、异步电机和同步电机这条主线，系统讲解四类主要电机的基本结构、工作原理、电磁关系、运行特性、控制方法、相关设计计算方法，适当弱化学生难理解的理论分析和与实际应用联系不多的计算推导等环节内容。在编写教学大纲时，我们将每个章节和知识点进行细化，并与卓越人才培养和工程认证要求的指标点进行了对应，使电机学课程内容既具有独立特点，同时又具有关联性。
“新”体现在要摒弃过时的内容，紧跟科学技术的最新发展，反映科学前沿技术成果。要选择合适的教材，同时在授课内容上要突破教材编排的框架，通过多媒体手段引入与课堂授课内容相关的工程实例及科研项目。当然，这需注意理论和项目教学内容的深度和广度，要根据学生基础、理解力等去设置和开展，否则会引起学生的恐惧和厌学心理。
此外，优化电机学课程内容，还需要密切关注电机学关联性课程体系的建设和发展。电机学在学习分析过程中需要应用电路、工程电磁场等学科知识去掌握电机分析理论和方法，电机在工程中的应用则需要配合电机拖动自动控制系统、电力电子技术、新能源发电技术等专业课程，电机学虚拟实验的开展需要学习掌握例如ANSOFT、MATLAB及LabVIEW等软件。本专业在制定第二课堂教学计划时，已将上述内容融入学生认知能力的不同阶段，同时配套完成了电机学关联性课程多样化理论和实践教材建设的撰写。
（二）改革教学方式
教学内容的拓展需要配合多样的课堂教学和实践教学方式开展。要转变学生对理论性强、概念抽象的电机学学习兴趣不高，以记忆为终结多，以理解实践为结果少、效果差的情况，课程教学方式改革是关键。
目前，基于以教师为主体的LBL教学模式，以学生为主体的PBL、PjBL教学模式被广泛讨论。其中LBL教学方式可充分发挥教师的引导作用，利用其专业素养对课程知识作全面和系统的分析讲解，保证知识传授环节的准确性、连贯性。通过现代教学手段丰富课堂内容和表现形式，有利于学生的理解，但是不利于激发学生的学习自主权和积极性，不利于培养学生的独立思考能力。
PBL教学方式注重学生思维方法和实际能力的训练，以真实开放性的问题为学习载体，培养学生自主学习与解决问题的能力。PjBL是以完成项目为学习载体，强调以学生以团队为主体，进行学科交叉、协作学习，自主探究。上述两者都是基于CDIO教育理念构建人才培养模式的具体措施，是一种基于过程的学习模式。过程式课程模式需遵循工程生命周期，依据学生在不同年级以简单工程、中等工程到复杂工程的学习顺序形成螺旋上升的课程体系。[1][2]现阶段该类方法在教学环节中全面实施的难度较大，且若只是阶段性开展，往往会让学生将注意力集中到具体问题和项目的处理上，从而忽略知识的系统性，造成学生基础知识掌握不扎实。
基于上述分析及电机学课程的特点，笔者认为电机学教学要能够动静相宜。所谓“静”，即教师作为引导者，要严格把握培养目标和课程知识构架间的严谨与统一，实质关系是静态的，但绝不是封闭的。所谓“动”，即对应教学内容、教学过程、教学空间是动态的，开放的。教学内容不拘泥于教材，教学过程不以掌握结论为目的，教学空间不局限在校内的三尺讲台。
他们间的结合具体可采用以下方式。每次授课前，教师先给学生提供课前自学提纲、问题及要求（自学内容可以是书本的知识点，也可以是基于知识点引出的问题或者相关科研项目），要求学生查阅资料，完成课前作业。
在课堂上抽出部分时间由学生进行讨论，教师对学生自学情况的反馈进行点评。在此基础上，教师采用板书、教具和现代教育技术相结合的手段进行重点和难点知识点的讲解和梳理。例如在讲解电机复杂电磁关系时，通过板书教学引导学生思维、控制节奏；讲解电机结时，需充分利用模型教具和多媒体课件，直观展现电机外形，内部结构等，使抽象的内容变得具体。讲解电机工作特性时，应配合电机学虚拟仿真实验平台，将实验带入课堂，现场通过实验模型的构建、参数的调整等观察特性曲线的变化，直观地观察电机运行时的状态。同时，教师要注意知识引导和凝练，让学生在课堂上有温故而知新的效果，有意味深长的感觉。
课后学生通过作业、虚拟仿真及实物实验等多种方式完成自学和课堂内容的总结报告，并进行考核，计入成绩综合评定系统。
通过学生课前自学、课堂教师精讲和课外拓展这一不同形式组合的动态学习过程，能调动学生的主动性。自学过程培养了学生借助各种手段获取知识的能力以及分析和思考问题的能力。课堂上师生间信息的互动与反馈，建立了学习效果闭环反馈系统，可以让教师及时掌握学生学习情况，优化课程内容，进行有针对性的知识传授。课后，借助于各种实践平台，学生可以让将理论知识渗透在实践过程和科研训练中，这拓展了学生电机学知识的领域。
（三）构建电机学多层次实践教学体系
上述教学方案的实施需要学生具有较强的自学能力和思维能力，经过卓越班层层选拔的学生具有这样的基本素质。同时，在整个教学计划实施的环节中，教师都需要结合教学培养目标，构建多层面的实践教学体系，提供良好的教学环境，配合教学内容，强化学生的工程意识、工程素养，锻炼学生的工程能力。
目前，我校电机学实践教学体系主要包含课程综合实践、创新型实践和校企联合的生产实践三部分。
1.课程综合实践
课程综合实践目前主要基于电机及控制实验平台进行。为加强学生的实际动手能力，我校单独开设了电力拖动综合实验课程，并对实验资源进行了整合，调整了基础验证型实验和综合设计型实验的比例。该实践环节遵循从简单验证型实验出发到综合设计型实验的过渡，实现了实践教学从简单到复杂，从定性分析到定量优化，从学生实验技巧的培养到学生设计创新能力提升的过渡。
2.创新型实践
创新型实践环节是卓越工程师人才培养环节中的重点，学生们通过第二课堂、开放性实验、各种设计大赛等实践活动，从大一起就开始接受工程实践的熏陶。就电机学相关创新型实践活动而言，我校建立了电机学系列课程虚拟仿真实验平台，该平台提供了基于ANSOFT等仿真软件构建的电机模型，学生可以通过三维动画等直观了解各种电机本身的结构特征，可以通过加载相关运行参数，直接观察电磁场的分布状况和分布特点等。基于Matlab软件构建的电机学课程实验平台，可以使学生通过虚拟仿真实验系统操作或自己设计搭建实验电路，掌握电机运行控制原理、控制策略和各类电机的动态运行性能等。
虚拟实验项目设计内容由浅入深，采用虚拟仿真与硬件实物相结合的教学方法，可实现学生从实验项目设置、技术指标、原理方案设计、系统模拟仿真、实验数据分析计算、系统分析改进和实验项目总结报告等一系列完整的工程化训练。该虚拟实验平台摆脱了传统实验室空间和时间的限制，为学生在电机学等基础性学习与工程探究性学习中提供互动、启发、探究式的研学辅助手段与工具。
根据卓越工程师人才培养方案要求，本专业还增设了工程实践与科技创新实践环节。该实践环节项目旨在依托电气学科优势和学校石油专业特色，充分利用校企资源，结合教师和企业科研项目引导学生进行综合性工程实践项目，建立实践教学与科学研究的联系。[3]实训项目包含采用变频调速等技术对油田广泛使用的抽油机、注水泵等大型耗能设计进行技术改造，油田用变压器故障检测及判断，太阳能充电背包设计，感应电动机矢量控制系统设计，新能源发电与并网系统的建模与仿真等从实际工程项目及有工程背景的科学研究中提炼出的内容。
该实践环节要求学生在遵循科学性、可行性和创新性的原则下完成从项目设计构思、方案论证到调试、撰写总结报告的全过程。通过实训和考核，实现学生对前一阶段理论学习的深化和实践能力培养的升华，充分检验学生综合素质、工程实践能力和创新意识培养效果。
3.校企联合的生产实践
面向卓越工程师培养的电机学生产实践环节，主要利用校内实训基地和长期固定的校企合作实习基地，使学生真正接触到电机实物，让学生了解电机在实际工业过程中运行、检修、维护、研发等环节。同时积极邀请川开电气、东方电机、四川电力公司、青峰岭教学电厂等企业的相关技术人员开展技术讲座，并建立企业工程师和校内教师的双导师制，指导学生进行相关工程实践项目，进一步培养学生的工程能力、工程意识和工程素养。
三、总结
电机学课程改革之路任重而道远，在卓越工程师人才培养计划指导下，以学生为中心，构建科学合理的电机学课程体系，优化教学内容、丰富教学手段、强化多层次的实践环节建设，进一步理解并实现电机学教学环节中课程理论与工程实践，知识体系与能力培养之间的有机融合，我们还需不断学习和探索。改革的目标是为了学生，教师应该结合学生实际情况因材施教，这样才能达到改革的最佳效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李茂国，朱正伟.面向工程过程的课程体系研究[J].高等工程教育研究，2014（4）：1-5.
[2] 胡志刚.工程型本科人才培养方案及其优化[J].高等工程教育研究，2014（6）：20-28.
[3] 张安安，王洪诚.创新型特色电气工程专业建设的探索与实践[J].中国电力教育，2010（35）：28-29.
[责任编辑：陈 明]
