电气工程专业领域复杂工程问题教学改革探究

秦海鸿， 黄文新， 曹 鑫， 王晓琳

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 211106)

电气工程专业领域复杂工程问题教学改革探究

秦海鸿， 黄文新， 曹 鑫， 王晓琳

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 211106)

本文针对我校电气工程及其自动化专业，对新版工程教育专业认证标准(2015版)中强调的“复杂工程问题”进行了讨论。在原有的电机课程设计教学环节中进行了针对性的扩充和改进，基本满足了新标准对培养学生综合运用专业知识解决复杂工程问题能力的要求，使得学生能够达到新标准中界定的毕业要求，达到培养高质量电气专业人才的要求。

专业认证；复杂工程问题；课程设计

目前，工程教育专业认证工作已经在我国高校开始实施，该项工作对中国工程型人才走向国际舞台具有重要的意义，也是国家对高校人才培养的一种认可[1, 2]。 这项工作的意义在于通过借鉴国际工程教育专业认证的成熟经验，构建中国工程教育认证体系和质量监控体系，推进中国工程教育改革，进一步提高工程教育质量。促进中国工程教育的国际互认，提升国际竞争力[3, 4]。

2015年新版工程教育认证标准将毕业要求修订完善至12条，还特别强调工程类本科专业对“解决复杂工程问题”的要求[5, 6]。

我校电气工程及其自动化专业(以下简称“本专业”)正在适时地进行专业认证准备工作，重点放在结合新标准的要求，展开对电气工程领域复杂工程问题的认识和思考，就本专业相关教学环节进行梳理和改进，以达到新标准考核点的要求。

1 复杂工程问题教学环节思考和设计

“综合运用专业知识解决复杂工程问题”是2015年新版工程教育认证标准中的新增内容，以全面考察学生利用专业知识解决实际工程问题的能力。

本专业虽然先前没有针对该指标专门设计独立的教学环节，但在理论课程和实践环节设置方面，已经考虑到学生的认知特点，由浅入深、从简至繁逐步培养学生关于电气方向的理论和实践能力。具体说来，先前在学生经过电路、模拟电子技术、数字电路与系统设计以及工程电磁场等专业基础知识的系统学习后，在第五学期开始“电机学”课程的理论学习，同时配合电机实验开展实践能力的培养。随着学生对理论知识的理解和动手能力的增强，最后，在电机课程设计、专业实习与毕业设计等实践环节中，逐步完善和提高了学生解决实际工程问题的能力。

在此基础上，从2015年开始，针对新版工程教育认证提出的“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”的要求，本专业对上述教学环节进行进一步梳理、整合和改进，以全面契合该指标的要求。为此设置了具体的电气工程领域复杂工程问题教学与实践训练环节，提出了“三相异步电动机性能分析与电磁设计及测试运行”教学训练项目，其任务流程图如图1所示。该训练项目运用电磁学、电机学、机械学、测试技术、电力电子技术等学科的基本原理，进行多学科知识的综合，涉及到机械(电机结构、制图)、电机与电磁、测试、电力电子等多方面的技术，强调实际动手能力的训练，充分调动学生的主动性和团队协作精神，全方位的锻炼和培养学生运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题的能力。

图1 电气工程领域复杂工程问题——三相异步电动机性能分析与电磁设计及测试运行

“三相异步电动机性能分析与电磁设计及测试运行”项目由异步电机电磁设计、异步电机制作测试及变频调速系统运行实训三阶段构成，这三阶段时间上相连，便于连续进行。项目训练指导教师将所指导的学生进行分组，4～5人构成一个小组，布置和讲解训练任务及安排，安排时间节点，每个小组自行推举组长，分工好任务。项目训练的前两个阶段是比较简单的训练解决复杂工程问题能力的教学环节，项目继承了原“电机学”课程设计内容，参照国家颁布的Y系列异步电动机的设计要求，针对给定功率、转速(极对数)，对一台380 V/50 Hz的中小型三相异步电动机的电磁参数进行设计，电机的性能指标参照相近功率、同极对数的Y系列异步电动机的性能指标。通过中小型三相感应电动机的电磁设计，使学生熟悉电机的电磁设计计算过程、设计资料的运用、标准手册的查阅以及经历制作和测试等环节，从而获得一次较为全面的电机电磁设计基本技能训练。为了满足设计技术指标，参加设计的学生在一周的时间内反复核算，工作量较大，参数调整也比较有难度，但是所做工作有对应的参考资料或参照方案，因此仍属相对比较简单的工程问题，还不能完全支撑新版专业认证对于“复杂工程问题”的要求。

为解决此问题，本教学训练项目引入第三阶段。在前两阶段，学生完成了一般三相异步电动机的电磁设计、绕制装配、参数测试运行的训练，在这一阶段，进一步考虑变频运行条件的加入，使得电机设计过程要解决的问题发生较大的变化，增加了复杂性。首先，各小组分工查找变频调速异步电动机设计相关资料，再集中讨论，分析变频电机的设计特点与步骤，再提出变频调速用三相异步电动机的设计思路。每个小组安排工作时与生产实习衔接，进行异步电机的绕组制作和电机参数测试，并在定制的变频调速机组上进行变频调速相关实验，结合变频运行实验结果分析，加深对变频电机设计与运行的认识。学生经过此面向复杂工程问题的教学实践环节，经过了“分析——设计——核算——改进——测试——运行”等模拟解决工程问题的环节，得到了解决复杂工程问题能力的训练。

2 复杂工程问题特征剖析

按照新版工程教育认证标准，复杂工程问题必须具备如下所述的特征(1)，同时具备特征(2)-(7)的部分或全部。本专业设置的“三相异步电动机性能分析与电磁设计及测试运行”教学训练项目就具备复杂工程问题的基本特征。分析说明如下。

(1)必须对工程原理经过深入理解才可能得到解决——三相异步电动机电磁设计本身需要深入理解工程原理，才能获得一个比较好的性能方案。普通定频异步电机设计有参考实施步骤，适用于变频调速的异步电动机的设计步骤虽然是由定频异步电动机的设计发展而来的，然而不同的设计单位(企业)有不同的解决方案，使设计步骤多样化。本项目设计增高了复杂性并提高了难度：在普通异步电机电磁原理的基础上，分析异步电机变频调速原理，在此基础上分析变频供电下的异步电动机设计内容需要做出的适应性改变，提出适合变频运行的异步电动机的设计方案及步骤。

(2)需求涉及多方面的技术、工程和其它因素，并存在相互制约元素——从项目实施的流程及关系图可见，该训练项目涉及到机械(电机结构、制图)、电机与电磁、测试、电力电子等多方面的技术，设计的电机的电磁性能与减小电机体积重量就是矛盾的因素，变频运行要求增加电机电感、加强绝缘、减小电机电磁负荷也是相互制约的因素，电机的各性能指标间也存在相互制约关系。

(3)需要通过建立合适的抽象模型才能解决，建模过程体现了创造性——异步电动机运行原理本身就是比较复杂的电磁物理现象，需要抽象的分析与思维，推导电机的等值电路是常规的分析方法。恒频50 Hz的Y系列异步电动机设计具有国家公布的设计步骤，变频运行异步电动机设计为各企业及生产单位行为，并无详尽的设计参考步骤。因此学生在设计变频调速异步电动机时，在异步电动机运行频率等参数变化下，分析得到全转速变频运行条件下的电机性能需要一定的创造性工作。

(4)不是仅靠常用方法就可以完全解决的——三相定频50 Hz异步电动机的设计过程与步骤有成熟方案，但不能涵盖变频运行(恒转矩区与弱磁区)范围，起动设计的要求也不同，需要提出新的核算方法与步骤。

(5)问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中——变频调速异步电动机的设计由各生产单位自主完成，没有国家统一的标准(不同于Y或Y2系列异步电动机的固定设计标准与性能指标)，训练项目的参考材料特别是变频相关的设计要求与方法均由学生自行查找文献，确定设计思路。

(6)问题相对复杂——电机设计的各性能指标间相互制约，且性能指标与经济指标间的利益也不一致，学生需要学会寻找解决问题的平衡与折衷点。

(7)具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题——本教学训练项目综合了机械、电气、测试等多学科的知识，异步电机的电磁设计、变频电机的设计考虑、电机绕组的制作与装配、电机参数的测试、变频器的运行与设置等都是该教学活动的子问题，且相互关联。

3 结语

本文结合本专业对新版工程教育认证标准中的“复杂工程问题”进行了思考，并在原有的“电机学”课程教学环节中，进行了针对性的调整，凸显了对学生综合运用专业知识解决电气专业复杂工程问题能力的培养。随着专业认证工作的不断推进，推动专业不断深化内涵式发展，必然会逐渐加深对复杂工程问题的理解，从而在更广泛的教学环节中更好的融入对复杂工程问题的思索，提高学生解决复杂工程问题的能力，增强学生对产业发展的适应性。

[1] 陈平，专业认证理念推进工科专业建设内涵式发展[J]，北京：中国大学教学，2014(1),P42-47.

[2] 蒋宗礼，工程专业认证引导高校工程教育改革之路[A]，北京：工业和信息化教育，2014(1),P1-P5,P12.

[3] 曲建光，杨金玲，李秀海，曹先革，张为成，对中国高等工程教育专业认证的认识与思考[A]，哈尔滨：黑龙江工程学院学报，2015,29(S2),P59-P61,P76.

[4] 支希哲，韩阿伟，高等工程教育专业认证的问题及对策[J]，北京：中国高校科技，2015(4),P44-P47.

[5] 万林林，伍俏平，邓朝晖，工程教育专业认证下机械制造装备设计课程改革[A]，湘潭：当代教育理论与实践，2015,7(S4),P40-P42.

[6] 陈耿彪，杜荣华，基于工程教育专业认证的机械类专业课程实践教学[J]，秦皇岛：教学研究，2015(01),P108-P109.

Research on Teaching Reformation of Complex Engineering Problems in Electrical Engineering

QIN Hai-hong, HUANG Wen-xin, CAO Xin, WANG Xiao-lin

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)

This paper discusses the understanding of the complex engineering problems in the new engineering education specilized certification standard for electrical engineering and automation specialty in our university. Targeted expansions and improvements are also designed for the course design of Electric Machine. These improvements basically meet the new standards to cultivate students' comprehensive ability of using professional knowledge to solve complex engineering problem and enable the student to meet the new standards defined in the graduation requirements, which also ensure a highly qualified training of the electrical engineering talents.

specialized certification; complex engineering problem; course design

2015-11-04;

2016-04-10

江苏高校品牌专业建设工程和南京航空航天大学2015年专业论证教改项目(1503ZJ02XX03)

秦海鸿(1997-)，男，博士，副教授，主要从事电机及其控制方面的教学与研究工作，E-mail:qinhaihong@nuaa.edu.cn

TM301

A

1008-0686(2016)05-0007-03