“递进式”电气工程专业实践教学改革

2018-07-27沈海军齐文娟徐青菁

实验室研究与探索 2018年7期

沈海军，孙佳，齐文娟，徐青菁，曼纳

(1.上海交通大学 a. 后勤保障中心，b. 电子信息与电气工程学院，上海 200240; 2.新疆特种设备检验研究院；乌鲁木齐 830011)

0 引言

电气工程实验教学中心起源于我校电机系实验室，近年来，随着电气学科领域的扩展及电力技术的飞速发展，电气工程实验教学中心已从原有的传统型实验室转型为集电机与电器、电力电子、高电压绝缘、电力系统等专业为一体的综合性教学实验中心，秉承了以人才培养为根本任务与主要目标的原则，为国家培养了大批优秀的电气工程学科专业人才。经过积极探索与开拓创新，中心以强电行业为依托，以学生实验与实践教学为重心，构建了具有“递进式”综合性以及电气工程学科特色的实践课程体系，致力于培养具有综合创新能力的电气工程学科高层次人才[1-3]。

1 构建电气工程实践课程体系

实践教学是高校人才培养方案的重要组成部分，是培养学生实践能力和创新精神的重要教学环节。电气工程及其自动化专业是一门实践性、应用性很强的学科，为了保持与工业发展现状同步教学，大多数专业课程都需要通过适量的实践活动来培养学生的实践动手能力和创新能力。根据电气工程及其自动化专业的培养目标和要求，电气工程实验教学中心构建了“递进式”的实践教学体系，将实践课程递进为课程实验、综合实验、课程设计以及实践创新4个层次(见图1)。实践课程安排由简入深，循序渐进，逐层深化，使学生以理论知识为基础，通过一定的综合性实验梳理知识体系，掌握独立进行工程设计的技能，从而在工程实践创新项目中激发创新潜能[6-8]。

图1 电气工程实践课程体系

1.1 课程实验

课程内实验作为基础实验，目前仍以验证性为主，电气工程专业的主要专业基础课程都配有课内实验，主要面向大三的本科生，实验在10个学时左右，根据理论课程的进展情况安排实验进度。开设课程实验的目的是为了让学生对课内学习的理论知识有一个实体性了解，将通过理论计算得出的数据在实际模型上加以验证，加深对知识点的理解。现阶段，在提倡综合性、设计性、创新性的教学手段获得了更多关注与应用的同时，这类实验在实践课程体系中的比重会相应降低，但课程实验作为基础教学的有力辅助手段，其基础性、验证性仍是实验教学不可或缺的重要组成部分。

为了提高课程实验教学效果，调动同学的积极性，避免单纯的机械式的实验操作，实验中心在实验教学中采用了资源开放共享、实验内容拓展、验收项目细化等一系列措施。中心网站提供了课程实验相关的教学大纲、实验指导书、课件和教学视频以及实验装置、实验仪器说明书等一系列资料(见图2)。学生可以在网

图2 课程实验教学视频

站上提前熟悉实验设备、流程和仪器操作方式，并对相关实验内容进行预习。同时积极探索传统实物实验和仿真实验相结合的手段，增进对理论知识的理解和应用，如simulink仿真、电机电磁场有限元计算等，进一步提升实验效果。教学过程中，除了验证理论之外，针对实验中出现的和理论不太符合的现象，设计相关的思考题，引导同学认识到现实和理想模型的差异和原因，为后续进行相关研究打下基础。为使同学养成规范安全的实验操作习惯，实验结束后教师会针对仪器、仪表、操作步骤等进行检查，检查合格后方能签到，部分检查内容见表1。

表1 课程实验检查表

1.2 综合实验

综合实验作为前期学习的总结性实验，由实验教学中心独立授课，其中60个学时全部在实验室完成。根据电气工程的二级学科方向，共设有5门综合实验课程。电力系统应用综合实验和运动控制综合实验开设在大三下学期，电气系统综合实验、电气设备综合实验、电气控制综合实验开设在大四上学期。本科生需要在开设综合实验的每个学期均要选择一门实验进行学习。综合实验引入RTDS电力实时数字仿真系统、微芯高/低压电机控制板等业内最新平台，要求学生以团队的形式，2～3人一组，动手实践，进行综合性的系统构建。目的是让学生建立系统的概念，将分散的知识点整合为完整的知识体系，掌握系统模型的建立，熟悉软硬件的联合调试方法，图3所示为RTDS距离保护系统模型图。通过两学期综合实验的训练，学生基本上建立了系统的概念，会利用已有的软硬件平台实现自己预期的功能，培养初步的团队协作意识。

图3 RTDS距离保护系统模型图

1.3 课程设计

课程设计作为系统性和设计性较强的实验课程，分别开设在大三下学期及大四上学期。每门课程会提供几个适合的题目供学生选择，学生需要在64个学时之内完成所选题目，提交包括软件程序及硬件系统在内的完整设计作品。为了达到新工科人才培养的目标，课程设计的选题、作品性能指标以及经济指标，都紧跟市场主流产品。学时分配大体为4学时在教室完成，布置设计题目，归纳完成设计所需的知识体系结构，讲解设计过程中的注意事项。其余60学时在实验室进行，需要完成软件代码设计、元器件选型、硬件原理图、PCB绘制及制版、电路焊接及调试、报告撰写，最终提交作品及详细的设计报告。课程设计作为系统性的设计实践课程，采用任课教师引导、实验室教师辅助、学生自由组建团队来完成的教学模式，充分调动学生的积极性，促进学生为了达到工程目标，进行主动学习。使学生对工程设计理念有深入的体会，形成明确的合理分工及相互协作的团队意识，真正掌握设计过程中运用到的知识点。通过课程设计的训练，学生初步具备了电气工程师的设计能力，能够利用团队完成一个小型的电气设计作品，为培养高层次的电气专业人才奠定了基础。

1.4 实践创新

实践创新是提升学生创新能力的重要环节，包括工程实践与科技创新课程、PRP项目、大学生创新计划项目、生产实习几个模块。工程实践与科技创新主要面向大三下学期及大四上学期的本科生，学时为32学时。该实践课程由电气实验教学中心独立开设，给学生自由创新的发挥空间，学生可以自由组队，利用实验室提供的器件与设备，发散思维，和传统课程实验、综合实验以及课程设计不同的是，同学可以自由设计题目，通过查阅资料获得技术支持，将自己的创意转化为现实作品。PRP项目与大学生创新计划项目也是实践创新模块的重要组成部分，由学校教务处统一管理，学生以个人或团队形式提交立项申请，通过立项审核的项目学校会给予配套的经费支持，学生可根据项目需要购置器件与设备。对于基于实验教学中心立项的项目，实验教学中心会提供给学生开放的实验室和设备资源，实验室教师配合指导，项目周期根据难易程度设置为半年或1年。生产实习作为即将进入大四的本科生必修课，为学生提供了与电气相关企业接触与交流的机会，让大学生走进企业，亲临实地了解电气行业的运作流程及生产状况，感受不同企业文化所构建的工作氛围。实习的形式也是多样化的，可以根据企业和学科对学生培养的要求进行定制，以求达到“双赢”。

几种不同形式的实践创新模块，从不同方面激励了学生的创新意识，培养了学生的综合性创新能力。经过实践创新环节的训练，学生已经具备了电气专业的独立设计能力，承担项目的统筹能力，团队建设的组织能力[9-15]。图4～6所示为同学在工程实践与科技创新课程中设计的作品。这些作品从方案设计、模型搭建和控制实现均由同学独立完成。图7所示为实验中心近年来的部分PRP和大学生创新计划项目，这些项目紧跟当今技术主流，通过项目训练，学生的实践能力和科研能力得到很好的锻炼。

图4 太阳能发电自动追踪系统

图5 姿态同步器系统

图6 摩天轮控制系统

图7 部分PRP和大学生创新项目

2 实验课程体系改革取得的成绩及思考

电气工程实验教学中心自2009年教改至今，为电气专业本科生提供了良好的实验环境及优质的实验条件，中心构建的“梯进式”实验教学体系自运行以来，深受学生好评，为电气行业培养了大批的优秀人才。循序渐进的培养模式大大的激发了学生的学习兴趣，学生在递进的实践体系中逐步得到自我肯定，获得累积的成就感，使每一位同学都建立了多样的创新意识。在实践创新环节涌现了一系列优秀学生作品，在国家级和上海市的各类科技竞赛中都取得了优异的成绩，一些学生作品最终转化为成熟的工业产品和实验教学设备，受到了业界的一致好评。

实践教学在传统观念中一直处于教学辅助的地位，但实践证明，完善的实践课程体系在工程类学科尤其是电气工程专业的教学领域发挥着极其重要的作用，是高层次人才培养的主要实现环节之一。教学实验室作为本科生实验课程与创新实践活动的主要基地，应该获得与其作用相符的地位，得到高校教学领域的重视。