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摘要：“电机学”是电气工程学科重要的专业基础课程之一，因其涉及电路、磁场和磁路结构等诸多难点，教学内容过于抽象，使得学生在课堂学习中理解困难。将高等教育心理学中的建构主义认知理论应用于“电机学”变压器和旋转电机部分的教学实践中，使学生在课堂上轻松理解并牢固掌握旋转电机的基本工作原理及难点问题。
关键词：电机学；建构主义；变压器；旋转电机
作者简介：赵海森（1982-），男，河北邢台人，华北电力大学电气与电子工程学院，讲师；刘晓芳（1961-），女，内蒙古呼和浩特人，华北电力大学电气与电子工程学院，教授。（北京102206）
基金项目：本文系北京市优秀教学团队，“电机学”国家级精品课建设项目（项目编号：GJ2011023）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）13-0049-02
“电机学”是高等学校电气工程学科的重要专业基础课程，同时也是许多后续专业课程的基础。由于其具有涉及知识面广、理论性强以及时空概念抽象等特点，该课程长期以来一直被认为电气专业既难教又难学的课程，学生也称之为“天书”。华北电力大学（以下简称“我校”）经过十几年努力，通过三维动画、人机交互以及可视化等现代科学技术，开发了基于多媒体的辅助教学课件，成功解决了电机内部电磁场的可视化问题。[1，2]在教学过程中如何能够较透彻地讲授一些涉及电磁场理论方面难于理解的、抽象的物理概念，使得学生能够在课堂上更容易接受，这就有必要结合现代认知理论对“电机学”这门课程的讲授技巧以及教学方法进行相应改进。本文针对这一问题，将建构主义认知理论应用于“电机学”变压器和旋转电机部分的教学实践中，在激发学生学习热情的同时，取得了明显教学成果。
建构主义认知理论是高等教育心理学中认知理论的重要一个分支，该理论主要关注如何利用原有的认知结构与信念来建构新知识，强调学习的主动性、社会性与情感性，该认知理论的观点主要包括接受知识、建构学习过程以及教学生长点三方面。[3]以下分别对这三个方面的理论及其在“电机学”教学中的应用展开论述。
一、建构主义接受知识方面的理论及其应用
1.接受知识方面的理论描述
在学生接受新知识方面，该理论强调学习是学生主动建构内部心理表征的过程，并不是把知识机械地从外界搬到记忆中，而是以原有经验为基础来建构新知识体系。这就要求对于“电机学”的学习并不是单一地接受电机理论知识，而是要紧密联系以往所学知识并将其应用于新知识学习中，进一步构建新的知识体系。例如，在“电机学”课程之前，学生已经学过“电路”、“大学物理—电磁学”等基础课程，这使得学生初步具备了从“路”的角度去分析一些电力工程实际问题的能力，同时，对于“场”的概念也具有了一定认识。而“电机学”是一门集电路、磁场以及磁路结构为一体的交叉性综合课程，其基本要求就在于让学生在学习过程中熟练掌握磁场和电路的基本物理概念，并利用其从磁路角度分析变压器和电机内部的电磁关系，最终能够实现利用一种等值电路来描述上述电磁关系，以达到分析工程实际问题的目的。
2.典型教学实例分析
在“电机学”绪论部分教学内容中，需要对磁路的概念进行介绍，为后续变压器和旋转电机部分的基本电磁关系奠定基础。该部分内容中涉及磁路基本定律和一些基本物理概念，例如磁动势、磁通、磁阻等，在上“电机学”之前，学生并未接触过上述概念。只通过书本中的文字描述对磁路基本定律进行学习，学生理解起来较抽象且难度较大。如果将该部分内容与“电路”中所学的电路模型进行对比讲解，便可明显增快学生认知过程。为此，引入如图1所示的简单磁路模型及其等效磁路图，图中F为磁动势，Φ为磁通，Rm为磁路磁阻。在教学过程中，以此图为例引导学生将图示等效磁路和已经学过的电路模型进行对比分析，并进一步将磁路分析中所涉及的磁动势、磁通、磁通密度、磁阻、磁导等一系列抽象物理概念与学生知识体系中所掌握的电动势、电流、电流密度、电阻、电导等概念进行一一比较，寻找两者的共同点，这样便有助于学生对上述抽象物理概念的理解，达到事半功倍的效果。
二、建构主义在学习过程方面的理论及其应用
1.建构学习过程方面的理论描述
在学习过程方面，该理论强调学习过程既包括建构新信息、新知识结构体系，又需要对原有知识体系进行改造与重组。这就要求在“电机学”学习过程中，针对某一部分的知识点，在课堂上不能单纯地灌输，应将教学内容中前后有关联的知识点有机联系在一起，做到融会贯通。
2.典型教学实例分析
在“电机学”中，一种重要的分析方法是将电机内部磁通按其作用和分布特点分为主磁通和漏磁通两部分对基本电磁关系进行分析，然后利用电磁感应定律和基尔霍夫定律分别列出各个绕组的电路方程进而得出等值电路。在变压器教学部分，由于变压器属于静止电机，学生能够直观接受其实际结构及其基本工作原理，尤其是对于主磁通和漏磁通的理解，故该部分内容相对而言较容易讲授，如图2（a）所示变压器的二维模型图，图中Φm为主磁通、Φs1和Φs2分别为原副边漏磁通。但对于旋转电机而言，受三维结构影响，学生对电机绕组分布及铁芯结构尚缺乏深入了解，无法深刻认识电机主磁通和漏磁通的特点。为此，可建立电机三维物理模型，对其各部分漏磁场进行可视化描述，如图2（b）中的主磁通Φm和漏磁通Φs1所示。在此基础上，进一步通过分析漏磁通产生位置及性质的差异，将漏磁通分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁三部分。利用上述方法讲解后，可使学生对电机三维结构进行全面了解的基础上，更加深入理解“电机学”中利用主磁通-漏磁通法分析旋转电机基本电磁关系的分析方法，同时也可以完成对变压器和旋转电机基本电磁关系分析方法的整合和重组。
三、建构主义在教学生长点方面的理论及其应用
1.教学生长点方面的理论描述
在教学生长点方面，该理论强调教学不能无视学生的经验，应该把学生现有知识或经验作为讲授新知识的起点并引导学生从中“生长”出新的知识经验。这就要求教师在教学过程中，需要寻找从已经讲授内容中衍生出来的和未讲知识的结合点，帮助学生利用已经构建的知识体系去学习未知的、抽象的电机理论知识。
2.典型教学实例分析
在电机学教学内容中，电机内部磁场分布以及磁极判别通常是初学者比较难理解的内容。此前的学习过程中学生已经较熟练掌握了变压器基本电磁关系部分的知识，为此，在讲授该部分内容时，结合变压器基本结构及电磁关系，将其与电机之间建立必要联系，为分析电机的磁路和磁极服务，所设计的课件如图3所示。其中，图3（a）为单相壳式变压器铁芯模型；假设其绕组通入直流电，所通入电流流向、磁通路径和形成的N、S磁极如图3（b）所示，然后将壳式变压器的气隙由细长型变为圆形，可得磁路和N、S磁极如图3（c）所示；进一步将变压器外圆和槽形也变为圆形，便可得到如图3（d）所描述的电机简化模型，可以看出此时的磁路仍在铁心范围内，而N、S磁极仍在铁芯内圆。
利用上述方式对电机内部磁场和磁极进行分步讲解后，得出的旋转电机可以看作带有气隙的变压器，使得学生能够在课堂上结合以往所学变压器知识对旋转电机结构和内部磁场以及磁极判别进行认知，同时，进一步引导学生从变压器的角度去理解旋转电机，这也有助于后续教学内容中同步电机和异步电机中等值电路内容的顺利开展。
四、总结
“电机学”课程的教学内容涉及知识面广、物理概念抽象且较难理解。本文将建构认知理论融入“电机学”课堂教学中，一方面，从认知理论角度将以往学过的知识用于建构新的知识体系；另一方面，在学生对新知识学习的过程中改进了讲授技巧和教学方法，降低了对电机学中抽象物理概念的理解难度。实际课堂教学实践表明，结合现代认知理论所改进的讲授技巧和教学方法明显提高了学生对“电机学”的学习兴趣，同时也能够适应不同认知特点及不同知识层次的学生，对教学过程中新知识的学习以及能力培养方面均起到了积极作用。
参考文献：
[1]罗应立,刘晓芳,陈希强,等.电机学多媒体课件的体系结构和知识表示方法[J].电气电子教学学报,2004,(1):60-64.
[2]牛印锁,王昊.“电机学”精品课程的网络资源建设[J].中国电力教育,2009,(1):116-117.
[3]朱文彬,赵淑文.高等教育心理学[M].北京:首都师范大学出版社,
2007.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：电机学；建构主义；变压器；旋转电机
作者简介：赵海森（1982-），男，河北邢台人，华北电力大学电气与电子工程学院，讲师；刘晓芳（1961-），女，内蒙古呼和浩特人，华北电力大学电气与电子工程学院，教授。（北京102206）
基金项目：本文系北京市优秀教学团队，“电机学”国家级精品课建设项目（项目编号：GJ2011023）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）13-0049-02
“电机学”是高等学校电气工程学科的重要专业基础课程，同时也是许多后续专业课程的基础。由于其具有涉及知识面广、理论性强以及时空概念抽象等特点，该课程长期以来一直被认为电气专业既难教又难学的课程，学生也称之为“天书”。华北电力大学（以下简称“我校”）经过十几年努力，通过三维动画、人机交互以及可视化等现代科学技术，开发了基于多媒体的辅助教学课件，成功解决了电机内部电磁场的可视化问题。[1，2]在教学过程中如何能够较透彻地讲授一些涉及电磁场理论方面难于理解的、抽象的物理概念，使得学生能够在课堂上更容易接受，这就有必要结合现代认知理论对“电机学”这门课程的讲授技巧以及教学方法进行相应改进。本文针对这一问题，将建构主义认知理论应用于“电机学”变压器和旋转电机部分的教学实践中，在激发学生学习热情的同时，取得了明显教学成果。
建构主义认知理论是高等教育心理学中认知理论的重要一个分支，该理论主要关注如何利用原有的认知结构与信念来建构新知识，强调学习的主动性、社会性与情感性，该认知理论的观点主要包括接受知识、建构学习过程以及教学生长点三方面。[3]以下分别对这三个方面的理论及其在“电机学”教学中的应用展开论述。
一、建构主义接受知识方面的理论及其应用
1.接受知识方面的理论描述
在学生接受新知识方面，该理论强调学习是学生主动建构内部心理表征的过程，并不是把知识机械地从外界搬到记忆中，而是以原有经验为基础来建构新知识体系。这就要求对于“电机学”的学习并不是单一地接受电机理论知识，而是要紧密联系以往所学知识并将其应用于新知识学习中，进一步构建新的知识体系。例如，在“电机学”课程之前，学生已经学过“电路”、“大学物理—电磁学”等基础课程，这使得学生初步具备了从“路”的角度去分析一些电力工程实际问题的能力，同时，对于“场”的概念也具有了一定认识。而“电机学”是一门集电路、磁场以及磁路结构为一体的交叉性综合课程，其基本要求就在于让学生在学习过程中熟练掌握磁场和电路的基本物理概念，并利用其从磁路角度分析变压器和电机内部的电磁关系，最终能够实现利用一种等值电路来描述上述电磁关系，以达到分析工程实际问题的目的。
2.典型教学实例分析
在“电机学”绪论部分教学内容中，需要对磁路的概念进行介绍，为后续变压器和旋转电机部分的基本电磁关系奠定基础。该部分内容中涉及磁路基本定律和一些基本物理概念，例如磁动势、磁通、磁阻等，在上“电机学”之前，学生并未接触过上述概念。只通过书本中的文字描述对磁路基本定律进行学习，学生理解起来较抽象且难度较大。如果将该部分内容与“电路”中所学的电路模型进行对比讲解，便可明显增快学生认知过程。为此，引入如图1所示的简单磁路模型及其等效磁路图，图中F为磁动势，Φ为磁通，Rm为磁路磁阻。在教学过程中，以此图为例引导学生将图示等效磁路和已经学过的电路模型进行对比分析，并进一步将磁路分析中所涉及的磁动势、磁通、磁通密度、磁阻、磁导等一系列抽象物理概念与学生知识体系中所掌握的电动势、电流、电流密度、电阻、电导等概念进行一一比较，寻找两者的共同点，这样便有助于学生对上述抽象物理概念的理解，达到事半功倍的效果。
二、建构主义在学习过程方面的理论及其应用
1.建构学习过程方面的理论描述
在学习过程方面，该理论强调学习过程既包括建构新信息、新知识结构体系，又需要对原有知识体系进行改造与重组。这就要求在“电机学”学习过程中，针对某一部分的知识点，在课堂上不能单纯地灌输，应将教学内容中前后有关联的知识点有机联系在一起，做到融会贯通。
2.典型教学实例分析
在“电机学”中，一种重要的分析方法是将电机内部磁通按其作用和分布特点分为主磁通和漏磁通两部分对基本电磁关系进行分析，然后利用电磁感应定律和基尔霍夫定律分别列出各个绕组的电路方程进而得出等值电路。在变压器教学部分，由于变压器属于静止电机，学生能够直观接受其实际结构及其基本工作原理，尤其是对于主磁通和漏磁通的理解，故该部分内容相对而言较容易讲授，如图2（a）所示变压器的二维模型图，图中Φm为主磁通、Φs1和Φs2分别为原副边漏磁通。但对于旋转电机而言，受三维结构影响，学生对电机绕组分布及铁芯结构尚缺乏深入了解，无法深刻认识电机主磁通和漏磁通的特点。为此，可建立电机三维物理模型，对其各部分漏磁场进行可视化描述，如图2（b）中的主磁通Φm和漏磁通Φs1所示。在此基础上，进一步通过分析漏磁通产生位置及性质的差异，将漏磁通分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁三部分。利用上述方法讲解后，可使学生对电机三维结构进行全面了解的基础上，更加深入理解“电机学”中利用主磁通-漏磁通法分析旋转电机基本电磁关系的分析方法，同时也可以完成对变压器和旋转电机基本电磁关系分析方法的整合和重组。
三、建构主义在教学生长点方面的理论及其应用
1.教学生长点方面的理论描述
在教学生长点方面，该理论强调教学不能无视学生的经验，应该把学生现有知识或经验作为讲授新知识的起点并引导学生从中“生长”出新的知识经验。这就要求教师在教学过程中，需要寻找从已经讲授内容中衍生出来的和未讲知识的结合点，帮助学生利用已经构建的知识体系去学习未知的、抽象的电机理论知识。
2.典型教学实例分析
在电机学教学内容中，电机内部磁场分布以及磁极判别通常是初学者比较难理解的内容。此前的学习过程中学生已经较熟练掌握了变压器基本电磁关系部分的知识，为此，在讲授该部分内容时，结合变压器基本结构及电磁关系，将其与电机之间建立必要联系，为分析电机的磁路和磁极服务，所设计的课件如图3所示。其中，图3（a）为单相壳式变压器铁芯模型；假设其绕组通入直流电，所通入电流流向、磁通路径和形成的N、S磁极如图3（b）所示，然后将壳式变压器的气隙由细长型变为圆形，可得磁路和N、S磁极如图3（c）所示；进一步将变压器外圆和槽形也变为圆形，便可得到如图3（d）所描述的电机简化模型，可以看出此时的磁路仍在铁心范围内，而N、S磁极仍在铁芯内圆。
利用上述方式对电机内部磁场和磁极进行分步讲解后，得出的旋转电机可以看作带有气隙的变压器，使得学生能够在课堂上结合以往所学变压器知识对旋转电机结构和内部磁场以及磁极判别进行认知，同时，进一步引导学生从变压器的角度去理解旋转电机，这也有助于后续教学内容中同步电机和异步电机中等值电路内容的顺利开展。
四、总结
“电机学”课程的教学内容涉及知识面广、物理概念抽象且较难理解。本文将建构认知理论融入“电机学”课堂教学中，一方面，从认知理论角度将以往学过的知识用于建构新的知识体系；另一方面，在学生对新知识学习的过程中改进了讲授技巧和教学方法，降低了对电机学中抽象物理概念的理解难度。实际课堂教学实践表明，结合现代认知理论所改进的讲授技巧和教学方法明显提高了学生对“电机学”的学习兴趣，同时也能够适应不同认知特点及不同知识层次的学生，对教学过程中新知识的学习以及能力培养方面均起到了积极作用。
参考文献：
[1]罗应立,刘晓芳,陈希强,等.电机学多媒体课件的体系结构和知识表示方法[J].电气电子教学学报,2004,(1):60-64.
[2]牛印锁,王昊.“电机学”精品课程的网络资源建设[J].中国电力教育,2009,(1):116-117.
[3]朱文彬,赵淑文.高等教育心理学[M].北京:首都师范大学出版社,
2007.
（责任编辑：宋秀丽）