“电力拖动自动控制系统”工程素质教学改革

2018-10-11冯兴田胡慧慧

电气电子教学学报 2018年3期

冯兴田，胡慧慧，陈荣

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛266580）

0 引言

“电力拖动自动控制系统”课程在我校电气工程及其自动化专业中，作为专业必修课，已被学校列为专业核心课程进行建设。

当前，我校电气工程及其自动化专业正在施行教育部卓越工程师计划。在卓越工程师培养计划中，特别强调学生工程实践能力的培养。对于工科大学生，工程意识淡薄、创新创业能力不足、工程素质不全面是共性问题；卓越工程人才应具备的工程意识、工程精神、创新创业能力都有很大程度的欠缺［1～3］。

本文针对“电力拖动自动控制系统”课程的工程应用特点，契合卓越工程师的培养需求，采取了具体的教学改革措施来实现学生工程实践能力的培养［4～6］。

1 课程工程教学改革方案

我们将“电力拖动自动控制系统”课程改革有机融入OBE（基于学习产出）等先进教育模式的思想，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。课程总体改革方案如图1所示，核心内容为一种理念、两条主线、五种素质。整个课程建设以工程教育理念为中心，围绕直流调速系统和交流调速系统两条教学主线，在教学内容优化、教学资源拓展、教学模式改革以及考核方式改革等方面制定具体实施措施，通过理论分析、仿真分析、课内实践、科研实践等丰富的教学手段和方法，提升学生在工程意识、工程思维、工程训练、工程实践和工程创新五方面上的工程素质。

本课程的学习使学生具备从事电力拖动自动控制系统分析设计、仿真验证、实验调试、工程运行的能力；能够针对不同的控制对象和控制目标，选择合适的控制规律、系统结构、单元部件和系统参数，实现系统的构建；通过接受现代工程师的基本训练，获得较强的工程实践能力和工程创新意识。

图1 课程工程实践改革总体方案

2 课程教学改革措施

2．1 以工程理念为基础的课程体系优化

以工程理念为基础，优化“电力拖动自动控制系统”课程体系，重构教学内容，完善教学资源，围绕直流调速系统和交流调速系统两条主线进行构建。

直流调速系统内容整合为转速闭环直流调速系统、转速电流双闭环直流调速系统和可逆直流调速系统三大部分，以调压调速方法和工程设计法为中心，插入数字控制系统实现方案。

交流调速系统内容调整为基于异步机稳态模型的交流调速系统和基于异步机动态模型的交流调速系统两大部分，以变频调速方法和变频器设计应用为中心，插入电压空间矢量调制方法。采用思维导图的方式构建课程体系框架，强调知识的来龙去脉和工程应用背景，并突出工程特色和我校的石油石化特色。

课程教材设置有直流调速篇、交流调速篇、实验实践篇和工程应用篇四个单元，分别用以讲述直流调速系统和交流调速系统的相关理论知识，以及系统仿真建模实验分析、变频器应用与实践、石油石化应用案例分析等工程应用知识。教材跟随学科发展，删减已很少遇到或已被淘汰的调速系统，如模拟控制的晶闸管直流调速系统、晶闸管交流调压调速系统等；突出数字控制的以IGBT（绝缘栅双极晶体管）等全控电力电子器件为核心的PWM（脉冲宽度调制）调速系统。

和多数教材有所不同，本课程充分讲解重要载体——变频器的结构、工作原理及实际问题的分析和处理，以及电力拖动自动控制系统在石油、石化生产过程中的典型应用分析；针对坐标变换、磁场定向、矢量控制等难以理解的内容，从矢量的角度分析这些内容，让学生用更少的学时直观地理解和掌握，并能离开电机这个载体将这些内容应用于新能源发电、电力系统分析等领域。

教学资源建设方面，针对课程录像视频，参照“慕课”制作方式，按照知识点的剪辑方法，将重点难点、核心内容等分类剪辑制作，实现课程视频内容的系统化、单元化、碎片化的设计处理，让学生课下的预习、自学、复习以及加深理解有所参考；结合与电力拖动控制系统相关的科研项目，特别是在实际工程应用、石油石化的现场案例，拓展工程教学的案例库，通过安排相应的研读、观看要求，引导学生建立起工程意识；对抽象的教学内容进行动画、视频的多媒体开发设计，将抽象的理论知识具体化、形象化、可视化。

2．2 以工程应用为导向的教学改革实践

以工程应用为导向，开展教学改革，改进教学方法，突出实践能力的培养。根据图1的项目改革方案，将工程能力素质培养贯穿教学改革整个过程，实现方式相互交叉、方法措施匹配、素质培养逐层递进的多元化教学方式，最终达到学生工程素质提升的目标。

理论分析结合工程案例，引入基于问题、基于案例的教学方法，培养学生的工程意识。比如在交流调速系统分析之前，从抽油机节能、恒压供水的实际工程应用案例引出为什么要进行调速的问题，从技术发展和电机自身特点的角度分析为何要进行交流调速以及交流变频调速的问题，进而提出如何进行交流变频调速的问题，问题设计逐层深入。教师课前先把问题抛给学生，引导学生通过查阅相关资料和工程案例，由浅入深，吃透理论。基于问题的教学法能够充分暴露课程问题，锻炼学生的文献检索、查阅资料、归纳总结、综合理解、逻辑推理、口头表达等多方面的能力。基于案例的教学法主要针对现场应用案例、工程项目以及工程实际问题，结合理论知识，通过讨论或者研讨来开展教学活动。比如变频器控制中经常提到的“死区”问题，通过理论分析和实际应用中的案例分析，对比理想情况下和工程实际情况下的波形变化情况，以及“死区”对电路输出的影响，让学生建立起工程应用和理论知识的契合点。研讨或者讨论的学时可根据课堂容量和学生水平等情况而定，以4～8理论学时为宜。

工程实践涵盖仿真系统、课内实践、科研实践，引入基于项目的教学方法，培养工程思维、实践创新能力。仿真系统根据工程需要，通过建立调速系统的数学模型，对系统控制策略进行分析，培养工程思维能力。课内实践通过实验平台进行验证性实验、综合性实验、虚拟仿真实验等基础实验，测试调速系统装置的性能和调速指标，进行工程训练；通过课程设计完成一个简易直流调速系统的开发，培养工程实践能力。科研实践环节通过大学生创新创业项目、学科相应的竞赛活动、工程科研项目等，培养工程创新能力。无论哪种实现方式，都以工程项目为依托，施行开放式教学。

基于项目的教学法，以工程实际为背景，按照工程实际需要的技术建构教学内容。学生在真实或模拟的工作情景下，通过项目实践提升工程创新能力。以课程设计为例，要求设计并制作一套转速单闭环直流电机调速系统，包括主电路部分和以单片机为核心的控制电路部分；实现的基本功能包括采用数字测速方法处理电机转速，通过液晶或数码管显示转速，电力电子主电路根据给定输出合适的电压，构成转速闭环进行比例积分调节等。学生根据上述项目任务要求，通过项目小组任务分工、查阅资料、方案构思、仿真分析论证、调速系统设计、器件选型、系统开发与实现、联机调试运行、项目总结汇报、答辩自评互评点评等一系列的过程，达到项目指标要求。这些工作能使学生增强对理论知识的掌握，并与实践相结合，锻炼学生的工程应用能力和团队合作能力，强化研究性、探索性学习和实践，对应卓越计划要求的技术改造与创新和组织管理的能力培养。

2．3 以工程素质为目标的考核体系构建

针对“电力拖动自动控制系统”的课程特点，根据工程素质培养的要求，将理论学习、仿真分析、实践应用、科研探索四个主要环节融于整个学习过程中，建立基于“仿、学、研、用”四位一体的考核体系。这一考核体系的设置与应用如表1所示。

表1 考核体系的设置与应用

从上表可以看出，理论学习方面，教师结合平时督学、学生线上自学等环节；除了借助课堂练习、课堂布置部分学习内容问答、学生自学后随堂提问等进行打分取得平时考核成绩之外，该部分主要通过期末闭卷统考的方式来考核学生的学习能力。

仿真分析由学生选择一种调速系统，基于学生熟悉的电力仿真软件，如Matlab的Simulink、PSpice等建立仿真模型，对相应的理论知识如转速的超调、起动的过程、负载的扰动、电流的变化等进行系统仿真分析；参数由学生自己进行设计，仿真波形和结果可通过课堂口头报告演示、课堂答辩或提交详细书面报告，重在强化一个调速系统从设计到工作的研究过程。

实践应用包含课内规定实验和课外课程设计，主要从工程的角度，实现调速系统的参数设计、系统软硬件设计、设备参数设置应用、装置开发与调试，通过实践设计报告、性能测试答辩等环节突出考查工程实践能力。

科研探索则由学生针对调速系统在工程实践中的应用进行调研、关注国内外电气行业新技术和新动态并结合参与工程项目、大学生创新项目等实践活动来实现一定程度的工程创新，包括创新思路、创新方法、创新设计等等。其中，通过PPT答辩、设计分析、项目调研报告等环节重在考查创新实践能力。