祝敏
（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025）
近年来，随着互联网技术的不断发展和普及，工业控制科学技术的日新月异，社会对高等工程教育本科人才培养的要求日益提高，为了应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度出发，教育部提出要开展“新工科”建设。新工科专业是以智能制造、云计算、人工智能、机器人等用于传统工科专业的升级改造，相对于传统的电气工程及其自动化专业，应该培养新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才［1］。2017年底，按照“新工科”建设理念和《高等学校课程思政建设指导纲要》，贵州师范大学（以下简称学校）及时调整电气工程及其自动化本科专业的培养目标：立足贵州，面向全国，为适应经济社会发展，培养电气工程领域具有德才兼备、创新精神和实践能力的基础学术型、应用型人才。针对这一目标，学校修改了电气工程及其自动化专业传统培养方案，调整和完善了专业课程体系。电机学属于电气工程及其自动化专业的一门综合性较强的专业核心基础课程［2］，是发电厂和变电站、电力系统分析等核心专业课程的基础，起着承上启下的关键作用。本团队针对以往电机学课程教学中存在的问题，从教学内容、教学模式、学习评价及实践环节等进行全面的教学改革，为实现重新定位的电气工程及其自动化本科专业的培养目标打下坚实基础。
电机学课程教学内容必须以新工科建设思想为指导，以相应电气工程及其自动化的培养目标为准绳。电机学课程涉及基础理论知识多，知识点比较抽象，需要根据电机学课程内容难度合理安排教学内容和教学先后顺序，让初学者的认知有一个循序渐进的过程。需要合理补充与电机学相关的比较难的基础知识点，帮助学生学会新旧知识的贯通融合。需要拓展本课程的前沿科技进展，符合新工科培养新兴科技创新人才的要求。
（一）优选教学内容，制定合理的教学计划
电机学课程的内容多且繁琐复杂，从结构原理到运行性能及技术控制，各模块内容相对独立，却又有交叉融合，学生在学习过程中难以理清头绪，常常出现知识点的混淆和遗漏。为此，在电气工程及其自动化专业升级改造中，重新调整了电机学的教学大纲及计划，内容分为理论教学环节和实践教学环节。在理论教学环节，将课程内容分为“电机学Ⅰ”和“电机学Ⅱ”两个学期教学。电机学课程是电气类专业的传统课程，已出版的教材版本比较多，内容编排侧重点也有所不同，以往都是选定一本教材，按其编排的顺序从前往后地教学。这次教改，科研教学团队教师根据多年的教学经验，结合教学大纲内容和教学学时要求，充分评估学生对课程内容的学习难度，按照循序渐进的原则合理分配，重新调整电机学课程内容的教学顺序，将电磁学基础、变压器、交流电机理论的共同问题和异步电机等作为上学期“电机学I”的教学内容；
将同步电机、直流电机和控制电机等作为下学期“电机学II”的教学内容。教学过程中再结合承上启下的知识体系，相关学科知识的回顾应用，使学生对电机学知识点的学习，能够从入门再到熟练掌握，为后续的专业课学习打下坚实基础。在实践教学环节，采用独立成课，同样分为两个学期开设，单独记学分，以督促学生重视提升工程实践能力和创新能力。
（二）制作知识点视频，供学生线上查看学习
由于传统《电机学》教材内容几经改编、课时压缩，教材的一些基础知识内容有所删减，对初学者来说，难以在短时间内建立前后知识体系的联系，对新知识的理解比较困难。加上电机学课程涉及的基础知识面广，包括大学物理的电磁场分析、高等数学、电路原理等，以往的学生在学习过程中，常常难以在短期内具备基础知识点在电机学课程中的综合运用能力。如电磁场内容，“安培定则”的使用就容易混淆。“安培定则”是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。但是通电导体产生磁场有直线和螺线两种情况，右手定则使用的含义又变得不同，电动机采用的是直线导体磁场理论，而变压器则采用的是螺线电流磁场理论，这就需要培养学生的知识迁移能力。电路知识在电机学中的运用也多，如变压器和电动机就涉及等效电路的构建、等效方程及向量图的绘制等。为此，本团队制作出与电机学相关联的电磁场、电路、高等数学等基础知识点小视频，充分利用互联网的优势，通过网络上传到学校的移动学习通网站课程目录下，随时供学生查看学习，实现基础学科知识与专业学科知识的无缝融合。
（三）拓展前沿知识，实现教学内容的与时俱进
电机学课程教学内容既要符合专业发展的需求，同时也要与现代科技发展前沿相结合，才有利于学生科技创新意识的建立。同时随着永磁材料、电力电子等科学技术的进步和行业的发展，对新型电机又提出新的需求，但教材的编写和出版远远滞后于现代科技的进步，这就需要补充诸如无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等新型电机方面的内容，将这些内容与时俱进地融入电机学课程教学中，以拓展学生的知识面，激发学生的学习兴趣和学习热情，同时也可以达到学生步入工作场所后，能很快适应现代工业技术的要求。但由于教学课时不足，这些拓展的知识只有教师自己去收集最前沿的电机发展及新技术内容，编辑制作成教学视频上传到学校的移动学习通网站课程目录下，开放给学生随时学习参考，弥补现有教材内容的不足。
教与学需要相辅相成，学得有法，教得有方。由于电机学内容抽象难理解，教师要在教学上不断改革创新，改变以往电机学教学手段的传统模式。团队教师应结合课堂教学采用三维制图软件和仿真软件备课，让抽象的电机学内容变得直观和具体，化解诸如电机、变压器结构和电磁场分析等教学难点。利用校企合作的契机，采用大量的企业生产现场视频，使学生了解电机的生产及其应用场景，同时也了解电机学在大工程领域与其他学科的交叉融合，培养学生从多角度去思考问题，从大科技工程领域去理解学科知识的发展及意义。
（一）利用三维制图和仿真软件，化抽象为具体
电机是以电磁感应为基本原理，实现机电能量或信号转换的装置。电机结构复杂、封闭［3］，对电机结构原理和电磁场的分析等知识点，教师难教，学生难学。如三相交流同步发电机的结构和工作原理、转子产生磁场、外在机械能驱动转子旋转等，学生无法想象转子和外驱动机构如何连接，定子上发出的电又如何引出，这些问题的关键还是对电机的结构不了解。利用三维制图软件仿真电机的结构，如图1所示。
图1 发电机的内部结构原理
学生能直观地了解电机内部的结构组成，对其工作原理的理解就能水到渠成。又如三相交流异步电机的旋转磁场如何产生，磁场分布在哪里，全凭想象，学生更难于理解。利用仿真软件，仿真出肉眼看不见的磁场分布，如图2所示。
图2 交流电机的磁场分布
通过仿真磁场分布图，使得电生磁、磁生电等复杂的抽象理论过程变得直观和具体，学生对交流电机的发电和电动的原理知识就容易理解和掌握。同时，重视理论与实践并重、虚拟与现实结合，实验室机房对学生开放，学生课后可以亲自去仿真制作，体验感更好，学习的兴趣和热情更高。
（二）制作企业生产现场视频，拓宽学生视野
传统的电机学教学与实践环节严重脱钩，学生的思维容易禁锢在狭小的专业空间内。其实，电气工程问题需要放在运用现场中才能构建大系统观，“新工科”理念下培养的工程师，应该能在大的科学空间去观察、思考问题。如发电机需要机械传动、材料力学、高低压配电、计算机、网络化监控等多学科知识的交叉融合，在电机学的教学中，需要帮助学生建立多学科交叉的意识，养成在多学科空间观察、思考问题的习惯。
团队利用校企合作的契机，请企业工程师录制生产现场视频用于教学。如工业现场的电机和变压器生产视频，可以帮助学生很好理解变压器和电机结构及工作原理；
如录制发电机的输配电现场视频，能展示发电、变电、输电及监控等整个电力系统的运行，学生能清楚了解电机学课程在本专业中的作用，同时也了解发电、变电和输电不是一个独立的行业个体，而是需要多行业、多学科配合才能完成的大工程，以此拓展学生的科技视野。团队将现场录制的视频进行编辑、加入解说文案等后期制作后，制成教学视频，上传到学校的移动学习通网站课程目录下，供学生反复观摩学习。
（三）利用思维导图工具，梳理繁杂知识体系
电机学作为工科课程，需要采用分析和理解方法去学习，但同时也有大量理解记忆的内容。对初学者来说，如何将大量的抽象又繁琐的电机学知识点清晰记住是个难点。利用思维导图辅助学习，让记忆不再有难度。
思维导图是英国心理学家布赞（Buzan）发明的，号称是对记忆的革命。它利用逻辑思维结构模式、简化的知识体系架构、图形化的辅助，实现对复杂知识体系的归纳和梳理，能更清楚明了地帮助学习者对所要掌握的内容进行高效记忆［4］。电机学课程内容多且繁琐，正好可以利用思维导图工具进行学习，以达到事半功倍的效果。
思维导图的画法，首先将知识体系的核心内容提炼出关键词，如同步电机；
再找到总体的关联知识点作为二级关键词，如同步电机的结构、工作原理、额定参数和电枢反应等；
再按照内容的包含性及逻辑关系，层层链接发散，最终把所有的内容用一个网络串接起来，把复杂的知识体系用一系列关键词串联简化，变得容易记忆。如，图3所示的同步发电机部分内容的知识点梳理。
图3 同步发电机思维导图
教师在教学中用思维导图讲解知识点，使学生对知识体系有一个总体的把握，前后知识点的连贯性变得清晰而容易理解。同时在教学中教师不断引导学生学习思维导图绘制的逻辑理念，让学生在课后复习中采用思维导图把教材上的每一章、每一节的内容绘制出来，构建出整体内容知识体系的关联，逻辑清晰便于记忆，学习效率得到明显提高。
（四）建立课程题库，提供学习和检测平台
教育教学质量是新型工程技术人才培养的基础保障，2017年，教育部首次提出“新工科研究与实践”项目的设想，更明确地将“教育教学的新质量”列为新工科五大研究内容之一［5-6］。电机学教改中，教学团队采用建立学生训练题库和期末试题库的方式，既能促使学生主动学习，又可监督教师教学，从另一个角度去提高教学质量。大学应注重培养学生的学习能力，不应采用“刷题”的模式进行学习，但通过题目引导学生学习新知识也有其优势。团队建了一个涵盖所有知识点的“习题库”供学生练习，学生带着问题去查资料，学习的深度得到了提高；
建了一个自我检测试题库，学生可以随时自己检查学习效果，从而有针对性地查缺补漏；
建了一个期末考试的试题库，实现教考分离，客观反映教学质量。
1.建立一个练习习题库
电机学内容多且繁琐，以前只有少量的课后书面作业，题目难以覆盖全部知识点，学生平时感觉听课效果不错，但期末考试的卷面成绩却差强人意。问题在于学生没有掌握知识点的出题方式，对教材内容的考核方式、重难点理解不透。为此，团队建立了一个涵盖电机学课程各章节知识点、含参考答案的、题型多样化的习题库。习题分章节设置，方便学生课后归类复习。建好的习题库上传到学校的移动学习通网站课程目录下，开放给学生去练习。学生在不断练习的过程中，学会解题的思路和方法，再带着问题去看资料，学习效果明显改善。
2.建立一个自我检测试题库
为了给学生提供一个自我检测学习效果的途径，团队利用学习通平台，建立了一个自我测试的试题库，由选择题和判断题两种题型组成，学生可以在网上自行测试。测试时题目从题库随机抽取，20～50题为一套试题，满分100分。测试中每完成一题进入下一题，测试结束提交后系统自动判分。通过测试，学生可以检验自己对知识的掌握情况，同时了解知识点的出题形式，帮助学生复习巩固和把握重难点内容。
3.建立一个期末考试试题库
课改前，学校电机学课程的期末考试试题由任课教师自主命题。教师出题会带有个人偏好，有时难免出只与自己教学中覆盖的知识点相关，同时难免会考虑学生期末考试成绩对自己的影响，教学和评价能否做到全面按大纲要求，全凭个人师德素养，无法客观反映教师的教学质量。教师在期末复习中或许在无意间有漏题之嫌，学生也难免会投机取巧，无法达到通过期末考试考查学生学习的效果。建立了考试题库，便可从题库中随机抽取考题，实现教考分离，对任课教师的教学质量和学生的学习质量都提出了更高要求。为避免一个教师出题的偏好和侧重不同，采取由教研团队共同研究出题，至少由20套试题组成试题库，每套试题必须符合教学大纲的要求，题型多样，题量适中，突出课程的重难点。要求学生考试成绩有一定的区分度，有选拔的成分在里面，毕竟部分学生要用成绩高低作为评奖评优和推免研究生积分。通过实施教考分离，教师和学生的教和学的积极性有效提高，达到了以考促教、以考促学的良性循环。
（五）利用互联网技术，构建智慧教室
学校采用的移动网络教学平台是学习通，前面所有的录制视频和课件等学习资料均上传到课程下的资料库。在教室线下教学时，可以从教室进入学习通平台，课堂的教学课程可以全程录制，学生课后可以通过学习通平台线上观看回放，温故而知新。课堂上，学生可以通过学习通平台同步打卡，教师不用花费时间点名；
可以通过学习通平台提出问题，教师与学生之间、学生与学生之间实现良好互动，提升课堂教学效果。同时，学生在课堂上回答问题的整个过程，在网络上都留有痕迹，教师可以收集这些记录，进一步量化学生的课堂学习成绩。教师还可以随时根据学生的学习情况，及时调用学习通上的网络资源，实现线下线上有机结合、相得益彰，提高课程教学质量。
以往对学生电机学课程理论部分的考核，由于评价体系没有细化，学生平时学习无压力，仅仅停留在求及格的角度考虑，到了期末才开始突击复习，学习的主动性和积极性不高，学习效果不理想。问题的关键在于对平时学习过程的考核不够精准，没有具体的分数量化。因此，必须制定合理的对学生学习成绩的评价考核体系。
（一）学习平台上补充知识的学习成绩占总成绩的10%
严格量化学生对课堂外补充知识的学习。补充的如电磁场分析的视频、工厂生产线上的视频、前沿学科知识等内容，作为平时学习的考核之一。学习通网络平台支持视频学习的进度和学习时长的统计。教师可以根据每学期的学习视频给予总分数，再根据每个学生的学习量给予具体的分数量化，最后统计学习平台上补充知识的学习成绩占总成绩的10%。
（二）课堂成绩占总成绩的10%
严格量化学生的平时课堂成绩。线下课程与线上学习通平台的结合，可以通过课堂网络的答题记录，学生课堂回答问题的情况，课堂笔记等，量化课堂成绩，最后统计平时课堂成绩占总成绩的10%。
（三）书面作业成绩占总成绩的20%
严格量化学生的书面作业成绩。平时的课堂教学课后，教师会留有书面作业，要求学生将完成的书面作业拍照上传到学习通平台，这样既便于教师批改，也便于老师对学生作业的统计。所有作业全部量化为分数，最后统计书面作业成绩占总成绩的20%。
（四）期末卷面成绩占总成绩的60%
期末考试实行教考分离。从已建成的试题库中随机抽取试题组成试卷，采用闭卷考试，严格公平公正地评判试卷，最后统计期末卷面成绩占总成绩的60%。
工程实践能力和创新能力是工程技术人才必备的素养。电机学实验是电机学理论课程的重要教学实践环节［7］，课程教学目标主要是为了让学生掌握本专业中分析和设计工程问题所需的电机学相关的基础知识和技能，对电机有初步的理论分析、电路设计、安装及调试等能力［8］。加强电机学实验室建设，改变以往只能做验证性实验项目情况，将验证性实验项目和设计性实验项目相结合，规范实验报告格式，加强实验过程和实验报告考核，有效提升学生实践环节学习效果。
（一）验证和设计实验项目相结合
对于像电机学这类实践性强的课程，行之有效的实践教学，能把理论教学与实践教学有机结合起来，提升学生分析和解决问题的能力，培养他们的创新能力。长期以来，学校电机学的实验设备套数有限且陈旧，内容以验证性的实验项目居多，无法激发学生通过实验来学习理论知识的兴趣。为此，学校加强了电机实验室的建设，配置了符合现代教学要求的设备，不仅能开设验证性实验项目，学生还可以自主设计开放性实验项目。开实验课之前，教师给学生通报本学期的实验计划及要求，告知学生只有做好验证性实验才能为自主设计实验打下基础，以此引起学生对验证性实验项目的重视，学生对待实验的态度比教改前明显改变。对验证性的实验项目，教师把重点放在引导学生对实验设备的熟悉，避免因误操作而导致设备损坏和危及人身安全。通过验证性实验项目，使学生达到理解实验项目的目的及意义、了解实验的流程，熟练操作设备的效果。对设计性实验项目，教师采用翻转课堂的教学模式［4］，引导学生自主设计实验项目，每个实验项目都有精准细化的具体目标，要求实验步骤清晰，设备配置合理，线路布局正确，确保实验项目设计的正确性。同时，要求学生实验操作过程必须规范，允许学生有失败的概率，但不允许有误操作的行为。学生带着疑问去做实验，极大地激发了学生主动学习、主动实践的热情，可以培养学生的工程实践能力、科学观测和分析能力，实现理论知识的进一步升华。
（二）从理论导向转变为问题导向设计实验报告
以往没有要求学生参与实验项目的设计，导致学生没有学习的动力和压力，对开设的验证性实验多数采取应付了事，导致学生的实验报告流于形式，抄完步骤和数据即可。通过教改，要求以问题导向的方式设计实验报告，实验数据及结果与课程理论进行对比，分析实验的成败，同时进一步规范实验报告的格式，力求内容翔实。如三相异步电动机的起动与调速实验，实验目的是通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。理论预习要求掌握三相异步电动机有哪些起动方法和起动技术指标；
三相异步电动机有哪些调速方法；
起动电流和外施电压成正比，起动转矩和外施电压的平方成正比在什么情况下才能成立？实验报告就以实验观察到的现象和测出的数据分析回答下面的问题：第一，比较异步电动机不同起动方法的优缺点；
第二，线绕式异步电动机转子绕组串入电阻对起动电流和起动转矩的影响；
第三，线绕式异步电动机转子绕组串入电阻对电机转速的影响；
第四，由起动实验数据求下述3种情况下的起动电流和起动转矩：外施电压为额定电压（直接法起动）；
外施电压为额定电压的1/3（Y-Δ起动）；
外施电压为负载起动电压的1/KA,式中KA为起动用自耦变压器的变比（自耦变压器起动）。最后对实验数据及结果进行分析，是否与理论一致？分析实验成功或失败的原因。通过教改引入问题导向式的设计、分析和撰写实验报告，可以提升学生分析和解决问题的能力，培养学生的工程实践能力和创新能力。
（三）制定合理的实验成绩评价模式
为了更好地培养学生的工程实践能力和创新能力，学校在电气工程及其自动化本科专业改造中，修改了电机学的大纲和教学计划，将电机学实验独立成课，分两个学期开设，成绩单独考核，单独计学分。教改前，实验成绩缺乏合理严格的考核制度，仅以学生的考勤和实验报告评定，只要上交实验报告就算完成任务，很难引起学生对实验过程的重视，甚至出现学生互相抄袭实验报告的现象。针对存在的问题，在引进设计性实验项目的基础上，对实验成绩评价体系进行重构，将所有开设的验证性实验项目和设计性实验项目分别考核、实验过程和实验报告分别考核。其中，验证性实验的实验过程完成时间和完成质量占总成绩的20%，设计性实验的设计方案、实验过程完成时间和完成质量占总成绩的30%；
实验报告的完成质量占总成绩的50%。经过近几届学生的教学实践，学生对实验的重视程度、实践能力均有明显提高。
学校从本科2018级电气工程及其自动化专业开始，电机学课程按照以上的教改方案实施，经过了三届学生的教学实践，取得了以下几方面的效果：
第一，教师教学质量提升。教师的备课有的放矢，条理清晰。大量的相关补充资料、录制的小视频已建成资料库，上传到学习通网络平台，且资源共享，教师可以随时调用加入课件，使得课堂教学更丰富生动，更有利于教师教和学生学。
第二，学生学习效果良好。丰富的教师课堂教学资源，有利于学生构建完善的知识体系。课堂教学的互动，有利于激发学生积极思考。学生课后如有疑惑的知识点，可以随时上学习通平台课程资料库查看学习，让规定的课堂学变为灵活的随时学。三届学生的期末成绩及格率已提高到80%以上。
第三，学生对课程的评价较高。通过网络对学生的匿名问卷调查，教学模式和方法等得到了学生的普遍认可，学生对课程的评价均在良好以上。
总之，团队秉承高等学校工程教育改革的理念，即以教师为中心的“传道、授业、解惑”的模式，转型为以学生为中心的“悟道、求业、生惑”的新模式，以新工科建设思想为指导，根据人才培养和课程培养目标的需要［9］，从教学大纲、教学内容的选取，教师的教学方法与手段，考核方式等方面入手，不断进行教学改革，全面提高教学质量，在教学实践中不断探索与创新［10］，培养出更加符合新时代经济社会发展需求的德才兼备、德学兼修的复合型工程技术人才。
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