电气工程及其自动化专业实践教学改革探索

杜少武,吴黎丽,黄海宏

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)

电气工程及其自动化专业实践教学改革探索

杜少武,吴黎丽,黄海宏

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)

电气工程及其自动化专业是传统的电工学科,具有显著的工程技术特色。实践教学作为该专业教学体系的重要组成部分,对于培养本专业大学生的实践能力和创新精神、提高其综合素质具有至关重要的影响。为不断提升本专业实践教学质量,本专业一直致力于实践教学改革,以教师队伍的科研成果促进实验室实验教学设备的改进,大力培养实践教学队伍,并按电气工程及其自动化专业的特点构建了课程实验和综合实验、课程设计、毕业实习和毕业设计四个层次的实践教学架构,并取得了良好的效果。

电气工程及其自动化专业;实践教学;自制设备

0 引言

我国高等教育传统的培养理念是重视科学教育,即传授科学知识、介绍科学方法的教育,认为只要通过科学教育,让学生掌握扎实的基础知识,他们今后就能适应包括工程实践在内的任何工作。而实际上科学教育与工程教育只是相互联系的两个领域,两者不能互相代替。多年的教育实践也证明了这一点[1]。

电气工程及其自动化专业属传统的电工学科,该学科是以电磁感应定律、基尔霍夫电路定律等电工理论为基础,研究电能的产生、传输、使用及其过程中涉及的科学和技术问题,其学科强调应用,与物理学科有着明显的区别,具有显著的工程技术特色。该专业本科的培养目标是培养具有一定的自然科学与人文社科学科知识与素质,较好地掌握电工、电子、信息、控制与计算机应用专业知识,并具有一定创新与工程实践能力和继续深造的素质条件,能承担相关专业领域的科研、技术开发、工程设计、系统运行和经济管理的高素质的科研和工程技术人才。实践教学作为该专业教学体系的重要组成部分,对于培养本专业大学生的实践能力和创新精神、提高其综合素质起着至关重要的作用,也是本专业本科教学评估的关键指标。

1 以科研成果促进实践教学设备的改进

随着我国各高校招生规模逐年扩大,各高校加大了实验设备的投资,在实验仪器设备方面的要求不断提高。合肥工业大学电气工程及其自动化专业的很多教师除了承担正常的教学任务外,也一直活跃在科研第一线,熟悉本学科最新的科技进展。为提高实验室实验装置的水平,本专业鼓励教师自行设计教学实验装置,促进科研成果向实践教学环节的转化。

集成分布式发电实验室的(交/直/交)轻型直流输电子系统、模拟风力发电并网子系统、光伏发电并网子系统、燃料电池发电并网子系统、超级电容储能发电并网子系统等实验教学装置均为我专业教师自行研制,是我专业电力电子与电力传动科研成果的结晶,不仅在学术上具有国内领先的地位,而且就本科生的实验实践教学而言在国内也处于领先的地位,同时也是我专业国家级重点学科“电力电子与电力传动”的重要支撑。

JBJS-II交流变频调速教学实验装置为自制的交流异步电动机高性能控制系统,该装置以单片机为核心控制器,实现数字化控制,而且具有友好的实验操作界面。该教学实验系统不仅在学术上具有国内领先的地位,而且直接服务于本科教学工作,为本科交流调速和控制系统的教学提供了实验和实践条件,该教学实验装置获安徽省高等学校科学技术进步奖评审委员会于2000年颁发的安徽省高等学校科技进步三等奖。

HMC数字相控/斩控直流调速系统实验装置,为自制直流电机拖动与调速实验装置。该实验装置采用DSP为主控芯片,具有两组四象限相控整流调速单元和两组直流PWM脉宽调速单元,可以任意组成两单元供学生做直流调速系统实验。系统具有光电编码器和测速发电机反馈检测单元,数据通讯接口和数字化参数设置调节,友好的操作界面和完善的保护功能,系统动力与电网隔离,操作安全而且维护方便,目前该教学实验系统正在申报国家专利。

本装业还有如模拟变电站等自制实验系统,均达到准工业级别,接近于实际应用,不但使得本专业的实验装置性能质量得到大幅度提高,在节省了大量的实验设备购置资金同时也锻炼了教师科研队伍。

2 实践教学队伍的培养

各种课程实验和综合实验是电气及其自动化专业实践教学的重要组成部分。随着科学技术日新月异的发展,国内外现代化的尖端的仪器设备不断引进,实验技术队伍原有的知识水平难以适应发展的环境。建立一支高素质的实验技术队伍,是提升实验教学质量,使高性能实验设备充分发挥作用的关键。合肥工业大学电气及其自动化专业根据课程体系的分类,建立电力电子及拖动和电力系统两大实验基地,由科研业务能力强的教授牵头,根据实验任务、规模和设备状况确定高、中、初级技术职称比例,使具有不同水平的人员,各尽其能、相互配合构成一个动态平衡的机体,形成一个任课教师和实验员共同参加的实践教学队伍。打破实验教学人员与理论教学人员的界限,鼓励双向交流,要求任课教师必须参与课程实验和综合实验,同时定期对实验教学人员和任课教师进行实验技能抽查测试。

为提升实验教学队伍的教学水平,采取相应政策和激励措施,鼓励和吸引高水平、高技术人才、从事实验教学和技术工作。积极引进一些具有高层次学历人员来实验室工作,鼓励在职实验员攻读硕士和博士学位,提高本科生、研究生在实验室工作队伍的比重。与此同时,在选拔和使用工程、实验技术人才方面“看文凭更看技能”,尽管目前实验员队伍普遍具备本科以上学历,只要实验技能突出,专科学历的实验教学人员一样能被评为高级职称。

3 实践教学实施方法

大学本科四年学习期间,在为学生夯实基础的前提下,也要为他们构建一个科学合理的专业知识架构。只有科学合理的知识结构,才能为学生一生的学习工作提供可持续发展的动力。实践教学是教学过程中的重要环节,它同样存在一个体系和规划的问题。为此,合肥工业大学电气工程及其自动化专业根据教学要求,构建了课程实验和综合实验、课程设计、毕业实习和毕业设计四个层次的实践教学架构。

在课程实验中注重基础训练,要求学生通过与课程讲授同步开设的课程实验,掌握基本的实验方法和实验技能(仪器的使用,调试方法等),配合课堂讲授内容,对理论教学起辅助作用,课程实验配合教学单元以验证型实验为主,培养学生的基本实验技能、方法和手段;而综合实验旨在锻炼学生的自主设计能力,以提高学生的科学思维和创新能力为主要目标,使其具备科技工作者所必须具有的实验能力和基本素质。目前本专业整个实验安排的趋势为逐渐减少验证型实验,增加综合设计型实验的比例。

在课程设计中,要求学生通过两至三周的集中工作,在掌握了基本的实验方法、实验技能和理论教学完成的基础上,从事一定的实际设计工作,学会运用所学理论知识解决实际问题,培养其实际操作能力。初步锻炼学生综合运用所学知识,通过讨论与合作,完成一项完整的设计工作。通过这个环节来加深学生对课程所学内容的理解和融会贯通,课程设计一般安排在专业课教学结束以后,以组为单位布置设计内容。其教学目的是提高学生的实践能力,拓展学生的专业知识,强化学生的专业意识,提高学生对理论知识的应用能力和发现问题、独立思考的能力。

毕业实习安排在第八学期,历时三周,其中一周半时间为参观,学生被安排到校外实习基地进行参观,切实亲身感受实际设备装置,在实物参观中回顾所学的理论知识,调动其毕业设计的积极性。另一周半时间为校内实训基地的工程训练。经过多年实践和摸索,本专业发现实践教学对于促进学生理解科学理论、掌握实践技能、培养思维方式具有重要的促进作用。例如电机中的绕组展开图,不管是传统的黑板教学还是使用多媒体教学,学生到最后多半是似懂非懂。为解决上述问题,本专业在2007年建立了校内电机实训基地,让学生在基地中自己动手进行电机嵌线,了解绕组,电机磁场。学生用绕线机绕线,再动手嵌线并把绕组连接,最后进行试验,了解到空载磁场的建立。在这里学生对绕组展开图、电机电磁场有了全新的认识,收到了很好的效果。在实训基地学生们学习热情高涨,以至于教师们只能和学生们一样换班去吃饭。通过类似的工程训练,使学生认识到所学的理论知识切实可用,极大的提高其学习兴趣,实现理论与实践相结合,达到学以致用的目的。

毕业设计作为学生毕业前的重要实践教学环节,注重学生综合能力的培养,包括学习新知识,掌握新技术的能力,独立分析问题解决问题的能力,书写设计方案及技术报告的能力等。毕业实习安排在毕业实习之后,一直持续到学生毕业,通常历时十四周至十五周。在毕业设计选题中,本专业严格按照教育部的规定,在第七学期末期由系里向专业课教师征集毕业设计题目,学生按专业排名,自主选择,保证一人一题,独立完成,每个指导教师所带毕业设计学生数原则上不允许超过八个。通过毕业设计,促使学生初步掌握进行科学研究与工程设计的方法和步骤,为日后的独立工作打下基础。毕业设计内容结合技术发展趋势或相关的科研工程项目,往往与课程有较大的差异,在技术上一般也比较陌生,学生需要通过自学来掌握,从而锻炼其综合能力。在独立完成课题的基础上,要求每人撰写两万字左右的毕业论文并接受答辩。毕业设计是实现培养目标的重要阶段,它能培养学生综合运用多学科的理论、知识与技能,培养学生独立工作、独立思考以及分析与解决问题的能力,深化理论知识、扩展知识领域、延伸专业技能;培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风[2]。

这四个实践教学架构,各部分目标要求明确,在打好基础的前提下,由合作讨论到独立完成,学生在这个过程中得到了锻炼提高,在掌握方法技能的同时增强了工作的自信。本专业几年的实践表明,它得到了大多数学生的认可,并取得了较好的效果。

4 鼓励学生参加科技实践创新

目前国家对大学生自主创新能力的培养已提高到了一个新的高度,评价一个大学毕业生是否合格,其创新性是一个非常重要的指标。本专业对于毕业生有两个学分的创新实践要求,学生可通过各种创新实践活动来获得该学分。

近几年来,本专业鼓励优秀本科生进入学科实验室进行科研研究,激励专业教师指导本专业学生参加“挑战杯”大学生课外科技发明竞赛、电子设计大赛和大学生创新实验计划等多种科技实践创新活动。近三年来,本专业学生对参加上述活动热情高涨,分别获得全国“挑战杯”大学生课外科技发明竞赛二等奖一项、安徽省“挑战杯”大学生课外科技发明竞赛一等奖一项、合肥工业大学“斛兵杯”大学生课外科技发明竞赛特等奖一项、一等奖一项和多项二等奖和三等奖。通过参加各类科技创新比赛,对于引导本专业学生勤奋学习、崇尚科学、追求真知、形成良好的学风起到了极大的促进作用,收到了良好的人才效益、经济效益和社会效益。

5 结语

实践教学是与理论教学相对应的一种教学形式,它是理论与实践、间接经验和直接经验、抽象概念和具体思维相结合的教学过程,它既是理论学习的继续、补充和深化,也是传授学习方法、技能与经验的教与学的过程。学生通过实践与思考,接受各种信息,加深对知识的理解,促进知识向能力转化,使传授知识与发展能力有机结合起来。

经过多年的探索和实践改革,合肥工业大学电气及其自动化专业虽然已经拥有了一定的实践教学手段,但与国内外知名大学还存在一定的差距。在今后的建设中我们将投入更多的精力于实践教学手段的改善,从客观实际出发,加强实践教学管理,建立完善的实践教学体系结构,真正提高实践教学环节的教学质量,更好的服务于本科教学工作。

[1] 沈沛汝,李仰军.中外工科高等教育实践教学现状的比较[J].当代教育论坛,2007,2:131-132

[2] 苏宇红等.加强高校实践教学 提高学生创新能力[J].引进与咨询,2006,11:64-65

合肥工业大学教研项目(XJ2009032)

杜少武(1965-),男,安徽合肥人,合肥工业大学教授,E-mail:dushaow u@mail.hf.ah.cn