电气工程实验教学中心的建设与实践

潘再平,马 皓,卢慧芬,杨 莉,陈 欣

(浙江大学电气工程学院 ,浙江杭州 310027)

0 引言

浙江大学电气学院建有电工电子国家级实验教学示范中心,该中心承担了电气学院及其他相关学院的“大电类”基础课程实践教学工作。而电气工程等学院的专业基础及专业课程的实践教学工作则由浙江大学电气工程实验教学中心承担,电气工程实验教学中心由早在1965年创建的电机及其控制、电力系统自动化等专业实验室整合而成。实验室专职人员12名,具有高级职称的5人,校聘关键岗1名;兼职人员27人,均为具有高级职称的教师。目前中心实验室拥有电机系统、电力电子技术、运动控制系统、数字信号处理方案、高电压、动模、继电保护等实验室,实验室总面积约1806平方米,仪器设备总值近3217万元。电气工程实验教学中心由电气工程一级国家重点学科,电力系统自动化、电机与电器2个国家二级重点学科支撑、面向电气工程及其自动化、电子信息工程、自动化3个国家特色专业的本科生和研究生实验教学。承担了电气学院及其它相关学院包括《电力电子技术》、《电机学》等共计30多门专业基础与专业课程的实验。

1 优化实验教学体系

浙江大学电气工程实验教学中心(包括其前身)自创建以来,经历了从无到有、从验证型实验到研究创新型实验、从单一教学型到教学科研训练相结合等发展历程。目前的实践教学模式为:验证型※综合型※设计型※自主型※现场实习※科研训练。使学生从验证型、综合型实验中获取间接知识,从设计型、自主型实验获取直接知识,通过科研训练培养学生探索研究未知新知识的方法和能力。

1.1 自主开放型实验

微机原理与应用等课程设立了自主开放型实验,由学生自主设计实验项目,使学生对已有的知识和技能进行举一反三,并自主地去分析解决复杂多变的实际问题。提高了学生的学习积极性和创新能力,收到了良好的效果。

1.2 创新实验模式的建立

设立了自主开放型实验,由学生自主设计实验项目,使学生对已有的知识和技能进行举一反三,并自主地去分析解决复杂多变的实际问题。

电机系统创新设计型实验为综合设计型实验课,目标是培养学生的基本工程素养,激发他们的创造能力。该课程在学生掌握电机学、电力电子技术等基本理论知识后,对电机系统进行综合性创新设计。如设立了“无刷直流电机驱动器综合设计“等研究设计型专项实验。其教学过程为:教师介绍原理、设计要求※学生运用所学知识,按要求进行设计※教师进行审查※学生制作、调试※现场演示、测试技术指标※教师讲评、确定成绩。

本研究设计型实验综合了电机本体、电机驱动等各方面理论知识,由学生根据系统技术指标进行电机系统的自主设计,培养学生工程设计及现场制作、调试能力。本实验可作为“电机学”、“电力电子技术”、“电机控制”等课程的扩展实践环节。

1.3 科研训练

浙江大学于 1998年开始组织实施本科生SRTP项目,其主要目的在于:①给本科生提供科研训练机会,以期学生尽早进入该专业科研领域,接触和了解学科的前沿,明晰学科的发展动态;②充分利用学科综合、教学资源和人才的优势,因材施教,提高办学效益;③培养学生理论联系实际,科研创新实践能力和独立工作能力;④加强师生团队合作精神和交流表达能力;⑤以“研”促进“学”与“产”的紧密型结合,鼓励早出研究成果。

电气学院有70%以上的本科生参加了SRTP项目,学生参加SRTP项目的实验场所及设备除利用导师的科研实验室外,实验教学中心为参加项目的学生提供了研究条件,中心的绝大多数全职、兼职教师参与指导学生的SRTP项目。对学有余力、能力较强的同学则鼓励他们参加导师承担的科研、申请“国创”等项目,尽早介入科研、早出成果。科研训练提高了大学生的创新能力,也取得了丰硕的成果,如目前得到广泛应用的实验室管理系统的思路就是在SRT P项目中提出的,其早期版本也是由学生在SRTP项目中完成的,近5年电气工程及其自动化专业本科生已发表学术论文40余篇。

2 加强实验室建设

2.1 实验设备研制与推广

为满足实验教学改革的需要,实验教学中心研制了在全国有很大影响、得到全面推广的DSZ型电机系统、DKSZ型电力电子技术与电机控制系统等实验装置。以上两种实验装置都获得了浙江省科学技术进步奖。研制的实验装置及相关技术已由相关教仪生产企业生产,在清华大学、上海交大等国内外1000余所大专院校推广使用,促进了全国各校有关专业的实验室建设工作,受益学生数十万。

我们在研制实验设备时提出了“组件化、模块化”的设计理念,使得实验设备适用面广,能根据相关技术的发展及时进行扩充,实验时使用方便、灵活。这种实验设备的设计理念得到国内同行的普遍认同,目前国内的电工电子类实验设备基本上采用了此设计理念。

2.2 联合实验室和校外实践基地的建立

中心与国内外知名企业建立了10个联合实验室,其中有浙江大学—美国德州仪器数字信号处理方案(DSP)实验室,浙江大学—摩托罗拉单片机实验室,浙江大学—美国国家半导体微功率系统设计联合实验室,浙江大学—三菱电机功率器件联合实验室等。并有国家电网公司、浙江省电力公司、南车电机等10余个校外实践基地。

2.3 电气电子网络实验室

网络实验室综合使用虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机实时控制等多种技术,为实验者营造虚拟的实验环境,达到与在普通实验室中实验相同或者类似的效果。网络实验室能开设电力电子、三相电机、随动系统、步进电机等实验,可以作为课堂教学的重要补充。在国内远程教育首次开设工科电气工程专业的实验课程。2006年,电工电子网络实验室和美国MIT继续教育学院的iLab实验室开始洽谈战略合作,建立中国高校网络实验室基地,实现中美高校实验资源共享。

2.4 智能技术科教实践基地

依托教育部组织的全国大学生智能汽车竞赛,建成了集大学生参加科研、实验、实践、教学创新为一体的智能技术科教实践基地。培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。

3 强化实验室管理

3.1 开放式实验室信息化管理平台

为满足开放式实验室的要求,应建立一套完善的符合自身特点的实验室开放管理制度和管理方法,实验室的开放,也是实验教学质量、学生创新意识和创新能力培养的有力保障。为适应新人才培养方案的实施,实现实验课程的全面改革,有计划地进行开放性实验是行之有效的教学手段,也是改变传统教学模式,提高实验教学质量,培养学生独立操作能力和创造性思维的必由之路。为提高实验教学水平,规范有序地做好实验室开放工作,迫切需要一套与上述现代教学管理相适应的实验室管理系统,以实现开放性实验室管理。

结合大学生SRTP项目,研制了开放式实验室管理系统。该系统充分利用网络优势,具有实验开放、实验预约、实验管理、实验考评、师生互动等功能。该管理系统已成功地应用于我校的实验教学中。2004年至今,课程覆盖门次356门,该系统的使用受到师生的好评。来实验室参观的兄弟院校老师普遍肯定该系统,上海电力学院还引进了该实验室管理系统,使用效果良好。

3.2 实验考试方法的改进

电气工程实验教学中心承担的实验教学环节大多是与理论课合课的实验课,考核随同理论课一起考试。为强化对实验环节的考核,对电力电子技术、微机原理与应用等课程进行了单独实验考试。学生在实验管理系统上选择实验考试时间,随机决定考试题目,每人一组进行单独实验考试。实验考试成绩分实验原理、实验操作、调试、其他等4部分,实验考试成绩占总成绩的20%。单独实验考试的实施极大地提高了学生实验学习的积极性和动手能力。与平行班比较,进行单独实验考试的教学班学生的实验态度、实验技能等明显得到提高,这在2007年我校本科教学评估中得到体现。

4 拓宽实践教学环节

4.1 电机实践教学环节

为加深电气工程及自动化专业学生对电机的认识与理解,有助于对电机学、电机设计理论的进一步掌握,促进理论与实践的结合,设计了电机实践教学环节。

该实践教学将电机学和现代电机CAD技术两门课程的相关内容组合在一起,其目标为:通过对电机整体的了解、绕组的设计、电机绕组的绕线、嵌线、安装及测试,使学生对电机的设计、制造工艺、绕组的嵌线、绝缘处理有一个系统的认识与提高。进一步了解电机的基本结构与原理,掌握绕制嵌线步骤、工艺规范及注意事项。

该教学环节的主要内容为:电机绕组的设计、电动机的拆卸与装配、绕制定子线圈、嵌线 、封槽口、放绕组端部隔相绝缘、端部整形、端部接线、绕组的绝缘浸漆与烘干处理;绝缘电阻的测量、、绝缘耐压试验、运转试验、温升试验。

4.2 电子产品设计与调试

电子产品设计与调试实验课程为集设计性、综合性与研究性为一体的实践性课程,实验内容可拓展性好,能够紧跟学科发展,与实际紧密结合,容易激发学生的学习兴趣,充分激发学生主动思考,对培养学生的创新思维,充分锻炼学生的实践能力有重要意义。

通过本课程的学习,要求学生掌握开关电源设计的基本方法、磁性元件的设计方法,掌握示波器、RLC表等仪器的使用,掌握开关电源设计和调试的基本步骤。在教师指导下,学生自主设计和调试一个隔离型多组输出开关电源,要求完成以下功能:①熟悉磁性元件的设计和制作;②要求能够满足纹波和精度要求;③实现自启动功能;④要求电源能够在90V～265V范围内稳定工作;⑤具有较高的效率;⑥要求能够分析和解决开关电源调试过程中遇到的问题。

学生在文献资料查阅、方案理论设计与仿真设计的基础上,在主拓扑选择(例如:反激式拓扑、正激式拓扑、推挽拓扑)与设计、控制策略(电压型控制、电流型控制、软开关等)与主控芯片的选择与设计、变压器的设计等方面均自主设计,并自主安装与调试。在调试过程中,对方案与设计进行完善。

该实践课程可提高性强,提供学生较好的创新设计发展空间。在拓扑设计、控制电路设计、变压器设计等方面,学生均可以采用自己的设想,并自主进行实验研究。从而实现高效率、高功率密度、高精度、低纹波的隔离型多组输出开关电源。

本实践课程将独立设课。并可作为电力电子技术、电力电子系统计算机仿真、现代功率无源元件应用、电力电子线路设计等课程的部分实践环节。

4.3 联合实践教学基地建设

浙江省电力公司实践教学基地是在浙江省电力公司支持下的企业实习项目,是主要面向电气工程学院大四学生。并为卓越工程师培养计划提供实践平台。该基本包括:大型火电厂(嘉兴、北仑等),直调水电厂(新安江、富春江),天荒坪抽水蓄能电厂、500kV变电所、浙江省电力试验研究院、浙江省电力公司培训中心等。

该实践教学基地拟实现学生在完成相关专业基础课和专业课后,将理论用于实际工程的问题。实习采用理论培训和蹲点实习相接合的方法,在充足的培训时间内,能接触尽可能多的电力系统业务环节,能尽可能近的接触生产一线。

电力系统实践有助于学生理论联系实际,巩固和扩大所学的理论知识,了解电力系统运行的业务流程,对电力行业文化产生认同感和归属感,培养学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和工程创新能力,使学生提早感受”真枪实战”。更重要的是,能够使学生及时认识道自己所学知识点的缺陷,起到毕业前查漏补缺的作用。同时学生通过该实践教学基地的学习后,就业时进入电力公司就能直接上岗。

5 实验教学中心的建设目标及特色

浙江大学电气工程实验教学中心自设立以来依据浙江大学“以人为本、整合培养、求是创新、追求卓越”的教育理念,树立“以学生为本,突出学生在实验教学中的主体地位”这一现代教学的根本理念。在实验教学的全过程中,强化学生的创新能力、实践能力和工程应用能力的培养。在实验室建设和实验教学组织中,根据学校的培养目标和专业门类以及学生数,合理规划,制定具体的建设方案,在配备先进的实验设备的同时,建立一切为学生、并配合适合专业培养要求、能激发学生个性张扬、充分调动学习主动性和积极性的指导思想,体现实验过程集基础性、综合性、研究性的多层次实验课程新体系和实验内容。实验教学中心建设的主要特色为:

(1)创新实践教学模式

拟建立的创新实践模式:验证型※综合型※设计型※自主型※现场实习※科研训练,设立面向全体学生的创新设计型实验。

(2)社会化与国际化

充分利用社会资源,与国家大型企业和国际型企业联合建立创新设计型实验室和实践教学基地,使学生尽早适应未来的工作环境、更早地掌握工作技能。

(3)与“质量工程”相结合

实验中心的建设结合“拔尖人才培养创新实验区”和“卓越工程师计划”,为安迪生实验班及卓越工程师计划的实施创造良好的实践教学平台。

(4)解决好“点”与“面”的关系

实验示范中心的建设除满足“拔尖人才培养创新实验区”、“卓越工程师计划”的实验教学要求外,更是面向电气工程学院的全体学生,而且面向其他工科院系的学生,学生受益面广。

[1]潘再平,唐益民.加强电力电子技术和电机控制类课程实验教学.实验室研究与探索,2002,(1):29-30

[2]潘再平.电气工程类精品课程建设.电气电子教学学报.2004,26(电气工程专辑):62-64

[3]卢慧芬,邱建琪,潘再平.电气装备课程设计实验教学探讨,实验技术与管理,2008,25(12):148-150,172

[4]卢慧芬,潘再平,马钧华,徐习东,唐益民.电气工程及其自动化专业实验教学改革的探索与实践.浙江大学实验实践教学工作论文汇编,2007年3月:49-51