基于OBE的同步发电机电枢反应教学方案

1、PAGE PAGE 4基于OBE的同步发电机电枢反应教学方案朱姝姝，刘闯，杨兰芳，王凯（南京航空航天大学 自动化学院/高等教育研究所 江苏 南京210000）摘 要：成果导向教育(Outcomes-Based Education, OBE )理念以学生学习效果为目标驱动，注重学生创造能力、实践能力和解决问题能力的培养，非常适合用于电机学的教学。本文以“同步电机发电机电枢反应”章节为例，详细介绍了基于成果导向教育的教学方案设计。以保证学生深刻理解电机电枢反应为驱动目标，通过学生运用Maxwell仿真软件建模发现问题，鼓励学生讨论发言，从现象思考问题本质。关键词：成果导向教育理念；同步电机；电枢反

2、应；教学方案中图分类号：G426 文献标识码：A 文章编号： The Teaching Design of Armature Reaction of Synchronous Generator based on OBE ZHU Shu-shu, LIU Chuang, YANG Lan-fang Yang, Wang Kai( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Institute of higher education, Nanjing 210000, China )Abstract: The learning outcom

3、es is the goal of the Outcomes-Based Education (OBE). It highlights the developmentofstudentscreativeabilities, the abilities of observing the experiments, of thinking, and of analyzing and solving problems. Therefore, OBE is ideal for the electrical machinery. In this paper, the chapter of “Armatur

4、e Reaction of Synchronous Generator” is taken as the example. The teaching plan based on OBE is introduced in details. The goal of the lesson is developing a strong understanding of the armature reaction. The problems can be found using Maxwell. Students are encouraged to discuss and state the opini

5、on. The essence of the problem is obtained by analyzing the phenomenon. Keywords: OBE; practice; synchronous generator; armature reaction; teaching plan. 0 引言传统的教学方法以教师讲授为主，教学过程中以“教师怎么教”为主，学生被动地接受知识。电机学知识结构复杂，知识点繁杂，需要学生具备很强的逻辑分析能力和实践能力。采用传统的讲授方式带来目标不明确、接受知识慢、工程运用能力弱、综合运用知识能力欠佳等问题。国家自然基金青年项目(51800704

6、49), 校教育科学与改革专项课题(2019JYKX-05)作者简介：朱姝姝（1987-），女，博士，讲师，从事电工基础理论教学、航空电源设计，Email： HYPERLINK mailto:zhuss699 zhuss699成果导向教育（Outcomes-Based Education，简称OBE）是指“清晰地聚焦在组织教育系统，使之围绕确保学生获得在未来生活中取得实质性成功的经验”。同步发电机知识的学习的工程实践性较强，需要学生掌握发现问题和解决问题的综合素质能力。而OBE实现了以学生为本的教学目标，强调有意义的学习结果。以成果为出发，反向设计教学内容、设计教学内容，以提高学生们“应该学什

7、么的感知”。对于实践性较强的工程教育领域， OBE已经得到了广泛的研究和运用。现有的研究包括以下部分：1)教学理论的研究。文献1从国家社会的需求为出发点，论述了OBE教学设计所遵循的反向设计原则，介绍了实现该种思路的策略。文献2根据美国OBE实践成果，提出了成果导向务实教学设计。2)基于OBE理念的特定课程设计。文献3中基于OBE理念，对软件工程教学方案进行了改造和优化，重新对教学目标、内容框架以及实践方法进行了改造。文献4将理论教学与实际工程问题集合，对单片机应用技术课程进行试验案例设计。3)教学评价与学生学习成果评估。文献5提出基于成果导向理念的开放教育课程监控与评价。文献6提出采用多元化

8、评价方式，指定评估考核标准。电机学是电气专业的一门重要专业课，其实践性强，课程内容较难理解的特点非常适合采用OBE理念的课堂设计方法进行讲授。现有的文献中鲜有采用OBE理念进行电机学教学的研究。关于特定课程OBE的研究文献中往往从整个课程的角度进行OBE教学理念的设计，并无从具体章节入手进行教学设计的实例。本文将以同步电机中发电机的电枢反应这一章节为例，进行基于OBE的同步发电机电枢反应的教学方案设计。1 基于OBE教学方案的总体设计OBE理念的教学设计从学习成果出发，让学生明确预期的成果是什么，其基本思路如 REF _Ref192217 h * MERGEFORMAT 图 1所示。以学习成果

9、为出发点，理清学习的原因，寻求如何取得学习成果的方法，取得成果后如何进行运用以解决其他类似的问题。电机学是一门工程实践性较强的学科，在教学中注重学生发现问题、解决问题、总结规律的能力。教师由传统型的讲授知识的任务转换为对学生的引导。在明确预期取得的学习成果后，让学生通过现象寻找科学问题，找寻学习原因。电机性能实验属于强电实验，不便于学生在课下独自实验。因此可以通过学会基本的仿真软件以增强实践的能力，初步掌握理论与仿真相结合的研究方法以解决问题，从而掌握如何取得学习成果的方法。最后由学生自己总结出结论。在本章中，学生掌握的核心目标是同步发电机的电枢反应，其中包括电枢反应的定义、产生原因、影响因素

10、。掌握如何运用学习成果进行带不同性质负载情况下的磁场和端电压变化的分析。图 SEQ 图 * ARABIC 1 基本教学思路2 基于OBE教学方案的细节设计整个教学细节过程如 REF _Ref182098 h * MERGEFORMAT 图2所示。首先，教师在明确本节课学习的成果：掌握电枢反应。要求学生分别在课前、课中和课后围绕这一目标完成相关的仿真、数据整理分析、讨论、报告撰写等一系列学习任务。教师在其中注意对学生的引导，并根据学生课堂讨论和报告整理情况给出相应的评价，评估学生是否达到预期的学习目标。图 SEQ 图 * ARABIC 2 基于OBE的教学过程细节图在上课前提出问题，鼓励学生尝试

11、解决。教师可布置预习作业，请学生分析发电机空载、带阻性负载、感性负载和容性负载时电机的端电压有效值以及磁场分布的变化。介绍Maxwell仿真发电机带载情况的方法，要求学生记录仿真结果，总结仿真数据。通过 “雨课堂”等方法推送课堂教案，鼓励学生自己搜集资料，解释仿真数据中出现的现象。本文提供了一种2对极36槽，额定功率1.5kVA，额定频率50Hz的同步发电机Maxwell模型如 REF _Ref209060 h * MERGEFORMAT 图3所示。通过外电路调节发电机的带载情况，带载运行时阻抗设置为100，所带负载可参照 REF _Ref209078 h * MERGEFORMAT 表1。图

12、 SEQ 图 * ARABIC 3 Maxwell中的电机模型表 SEQ 表 * ARABIC 1 仿真时的负载设置纯电阻负载纯感性负载纯容性负载功率因素0.75感性负载功率因素0.75容性负载100318.3mH31.831uF75+210mH75+481uH课堂上，首先请学生对自己的仿真结果进行发言讨论，教师负责对各学生的发言成果进行总结，引出电枢反应的定义，进一步明确本节课的学习目标是：明确何为电枢反应，电枢反应的性质取决的因素。在讲述电枢反应定义时，涉及到了电枢磁动势的概念，教师请学生根据前一章学习的磁动势的知识，讨论电励磁磁动势和电枢反应磁动势的区别。引导学生从基波波形、大小、位置、

13、转速、转向进行讨论，通过如 REF _Ref209524 h * MERGEFORMAT 表2的表格总结，帮助学生加深对磁动势物理概念的理解。表 SEQ 表 * ARABIC 2 电励磁磁动势和电枢反应磁动势的区别基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定、由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定、由励电枢电流决定由电流顺时决定由极对数决定由电流相序决定 在传统的讲授型教学中会直接给出电枢反应性质取决的因素。在采用OBE理念后，希望能由学生自己总结出这些因素。教师可首先画出同步电机示意图如 REF _Ref210886 h * MERGEFORMAT

14、 图4所示。请学生标注出励磁磁动势方向。教师标注出电枢电流基波的方向如 REF _Ref210896 h * MERGEFORMAT 图5所示，请学生标注电枢磁动势基波方向以及所合成的气隙磁势方向。教师改变电枢电流的方向，电枢磁动势基波方向与励磁磁动势夹角为180和0，请学生标注电枢磁动势基波方向以及所合成的气隙磁势基波方向，并总结出影响气隙磁势大小和方向的影响因素。引导学生总结出电枢反应的性质是取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间相对位置的结论。励磁磁动势基波与空载电动势成正比，而电枢磁动势基波与电枢电流之间也成正比，空载电动势和电枢磁动势基波之间的夹角为，因此电枢反应的性质取决于。让学

15、生自己总结出结论有助于学生提高自我学习能力。在此基础上教师将电枢反应性质进行分类，介绍去磁和助磁的概念。图 SEQ 图 * ARABIC 4同步电机示意图图 SEQ 图 * ARABIC 5电枢电流基波的方向在课下请学生自我总结学习成果，完成总结表格。并按照表1给的参数完善Maxwell仿真进行验证，形成完整的学习报告。表 SEQ 表 * ARABIC 3 电枢反应总结Fa位置电枢反应性质对气隙磁势输出电压负载性质=0q轴交轴波形畸变R=90d轴直轴去磁削弱下降L=-90d轴直轴助磁增强上升C090d、q轴交轴直轴去磁削弱下降R、L-900d、q轴交轴直轴助磁增强上升R、C在完成报告的基础上，

16、请学生从理论上和仿真上，研究当负载为阻性负载时，电机的端电压变化。从理论上看电机的端电压应该升高，但是在仿真上端电压降低。请学生们作为下次课的预习题目，请学生预习发电机的电动势方程和相量图，尝试自己解决以上问题。3 基于OBE教学成效评价OBE理念以所有学生均能成功为前提，并非以相同的方式和时间代表成功。在评价学生学习成果时需采用多元化的评价方式，关注学生各时期的进步情况，关注每个个体在学习上的优势和劣势。不再仅仅通过课后习题作业的完成情况决定学生的平时成绩。例如在完成同步电机电枢反应的课程后，教师可以通过以下内容给出综合评价：Maxwell建模质量（实践评量），课堂发言语言表达能力（语言表达

17、能力），报告撰写情况（书面表达能力），是否能发现问题并尝试解决（研究能力），能否运用课堂知识解释仿真现象（运用知识的能力）。教师还应与实验课老师及时沟通，获取学生在实验课上的表现，及时了解学生掌握理论知识的情况。为了降低教师评量上的主管因素，可以鼓励学生自评和同学互评。从以上能力的培养情况反馈可以及时了解输入与产出之间的结果，对学生所遇到的困难可以及时掌握，以此为基础修订教学策略。 教师在进行最后的打分时，基于以上内容给出相应的成绩，根据学生的学习情况，对每一个部分制定相应的所占比例，给出综合的成绩。在教学大纲制定的时候就要对知识的指标点进行分数赋值，由学生的表现计算课程的目标达成值。得到了达

18、成值就可以找到哪一方面时学生学习的薄弱环节，从而帮助教师优化教学大纲。课程是知识的载体，在进行课程评价的时候需要对比学生的毕业要求，获得对应的指标点。例如在本节课的教学评价中，综合了上述综合评价所包含的5大毕业要求的目标。在最后进行课程评价时，教师可以以本节课学生所完成5大目标的情况为评价的根据，结合其他课程内容中学生完成学习目标的整体情况，给出最后的评价成绩。4 结语本文以同步发电机电枢反应章节为例，提出了基于OBE理念的教学设计。学生在学习中不但能掌握电枢反应的定义和影响因素等理论知识要点，还培养了运用Maxwell有限元软件进行仿真研究的能力。同时，尝试了自己发现问题、分析问题、得到结论

19、、运用结论的能力。此外，学生还锻炼了口头表达和撰写学术报告的能力。这些能力都是学生未来自主进行科学研究或者完成工程项目所必备的能力。比起传统的教学方法，基于OBE理念的教学方法不再用相同的方法要求学生学习，学生可以在教师的引导下采用自己觉得合适的方法达到学习目的，使得所有水平层次的学习都有机会成功学习。在掌握基本知识的同时，更能掌握未来研究与工作的能力。 ADDIN NE.Bib参考文献：1李志义. 成果导向的教学设计J. 北京：中国大学教育, 2015,5(3):32-39.2 HYPERLINK /s?wd=author%3A%28%E7%94%B3%E5%A4%A9%E6%81%A9%29%20%E5%A4%A7%E8%BF%9E%E6%B5%B7%E6%B4%8B%E5%A4%A7%E5%AD%A6%E6%95%99%E8%82%B2%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%89%80%2C%E8%BE%BD%E5%AE%81%E5%A4%A7%E8%BF%9E%2C116023&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight%3Dperson t _blank 申天恩， HYPERLINK /s?wd=author%3A%28%E6%96%AF%E8%92%8