电气类专业“复杂工程问题”的理解与实践

黄永红， 蔡晓磊， 刘国海， 朱熀秋， 王东宏

(江苏大学 电气信息工程学院， 江苏 镇江 212013)

0 引言

2016年6月，我国加入《华盛顿协议》,成为正式成员，表明我国工程教育认证体系得到了国际社会的认可，标志着工程教育迈上新的发展台阶。按照《华盛顿协议》要求，参加工程教育认证的专业不仅要深入理解和把握“复杂工程问题”，更要按照认证标准要求培养学生解决“复杂工程问题”的能力[1～2]。

近年来，我校电气工程及其自动化专业认真学习和实践《华盛顿协议》以及《工程教育专业认证标准》，按照“实践、综合、创新”的工程属性改革人才培养模式，创新设置课程体系[3～4]。以培养学生解决“复杂工程问题”能力为主线，将所需的基础知识、专业知识等贯穿于整个教学环节，设置具体的综合训练项目，明确训练内容和要求，改革考核方式，为培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域“复杂工程问题”的能力提供新思路[5～6]。

1 对“复杂工程问题”的理解

2015版《工程教育专业认证标准》提出，专业必须有明确、公开的毕业要求，毕业要求能支撑培养目标的达成。在12条具体的毕业要求中，“复杂工程问题”一词就出现在其中8条中，认证标准对学生分析解决“复杂工程问题”的能力提出了很高的要求。

中国工程教育专业认证协会根据国内高校实际情况，参照《华盛顿协议》要求，明确界定：“复杂工程问题”必须具备特征1，同时具备特征2—特征7的部分或全部[1,3,7]。在深入分析“复杂工程问题”特征的基础上，我们总结其对应属性，如表1所示。

表1 “复杂工程问题”的特征及对应属性

2 “复杂工程问题”综合训练项目

2.1 综合训练项目的培养目的

为了培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域“复杂工程问题”的能力，我们对电气类专业课程体系进行调整，设置了“电气工程综合训练”教学与实践训练项目，该项目安排在第7学期，4学分。要求以2-3人为一个小组，综合运用工程基础及先修专业课程知识，融会贯通地深入思考和学习，并通过实际的“复杂工程问题”案例，在规定时间内完成小组选定的综合训练任务。通过本项目的综合训练，学生将提高如下几个方面的能力：

(1)综合运用所学到的理论知识独立完成一个设计项目，掌握电气控制系统的分析、设计与调试方法。

(2)学会查阅相关专业手册及文献资料，编写技术说明书及绘制图纸，有很好的自学能力和获取资料的能力。

(3)具有独立分析和解决实际问题的能力。

(4)能正确评价复杂电气工程问题的实践对于环境、社会可持续发展的影响。

(5)能够在解决电气工程问题的规划、设计和实施中应用工程管理和经济决策知识，了解工程预算情况。

(6)能主动与同学共享信息，合作共事，胜任团队成员的角色与责任。

(7)能撰写设计总结报告，用文字、图表等表达自己的设计思路、调试结果及心得体会。

(8)能够就项目中涉及的问题与教师、同学进行有效沟通和交流。

2.2 综合训练项目的具体内容

该综合训练项目，需要学生在学习了“数学”、“大学物理”以及“电路原理”、“电子技术”、“自动控制原理”等数学和工程基础课程后，具备了将电气工程相关问题转化为数学问题进而数学建模的能力；其次，在“电机学”、“电力拖动自动控制系统”、“PLC原理及应用”等专业基础和专业课程学习的基础上，配合相关的实验和上机训练，具有一定的动手实践能力之后，随着理论知识和动手能力的增强，又逐步开展了较为复杂的课程设计，提高了学生解决复杂工程问题的能力。通过前期多个教学环节的学习，最后通过这一综合训练来考察并增强学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力。

设置的“电气工程综合训练”项目结合典型工程实际，具有一定的系统性和综合性。通过对系统的分析、设计及控制，培养学生的创新意识，增强解决复杂工程问题的能力。选其中“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”综合训练项目为例进行介绍，完成该综合训练项目需要将多学科知识融会贯通，如图1所示。

具体任务流程图如图2所示。要求：双电机控制双泵“一用一备”，实现“三地四级”控制，具有超压、欠压及故障报警功能，并且程控定时换泵，触摸屏能显示各泵运行时间等工况信息。要求中的双泵“一用一备”是为了保证一台故障时，另一台也能进行供水。

图1 多学科知识综合应用解决“复杂工程问题”

“三地四级”控制是实际工程应用时的四种控制方案：①就地控制，用输出旋钮就地对电机直接调速；②远程控制，利用触摸屏手动输入要求达到的频率以及控制电机的启停，通过触摸屏还可以显示电机的基本运行工况；③远程键控，利用上位机Wincc组态软件控制电机的启停，并能实时采集并赋值频率控制电机的转速；④自动程控，利用PID控制算法变频调速自动控制恒压供水闭环系统。

图2 供水系统设计流程

综合训练具体内容是：①对控制系统整体方案进行设计，包括硬件组态、主电路和控制电路；②选择主要元器件，完成变频器参数设置；③完成相应的上位机Wincc组态程序设计；④完成恒压供水控制系统的模拟操作与调试，根据调试结果进行分析与改进；⑤完成相关图纸、设计报告和小组总结并参加答辩。

该综合训练项目要求学生做到理论与实践相结合，锻炼和培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题的能力。

3 综合训练项目的六大特征

“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”综合训练项目的设置满足工程教育认证标准提出的复杂工程问题的六个特征，具体分析如下。

1)须运用深入的工程原理分析

该综合训练项目首先要了解流体力学、水泵运行基本原理，由电机拖动水泵负载，对供水管道恒压控制；其次，需要具有电机学、变频调速原理知识，通过所学的变频调速方法对电机进行调速控制；另外还须掌握恒压供水的特性，才能设计出合理的双电机控制方案；还要掌握西门子S7-300、S7-200PLC的编程方法、通信方法，并熟练使用STEP7 编程软件、Wincc组态软件。在此基础上，绘制电路图、流程图、设计控制系统程序并模拟调试，最终以总结报告的形式，通过文字、图表来表达自己的设计思路和调试结果，参加答辩，综合运用所学到的理论知识去独立完成综合训练项目。

2)涉及多方面的、有冲突的技术与工程因素

从该项目实施流程及关系图可见，该项目涉及电机学、流体力学、传感器技术、自动控制原理、电力拖动自动控制系统以及PLC控制等学科基本原理，需要多学科知识的综合。系统的稳定性和控制的复杂性是相互冲突的因素，控制的精度与速度也是相互制约的因素。另外，通过深入了解课题的工程应用背景，能正确理解变频恒压供水所涉及的经济、环境、法律、安全等制约因素，若系统不完善将产生的负面影响、对社会可持续发展的影响等等。对电机、变频器、水泵等设备的选型，需要掌握工程管理的预算情况和经济决策知识，最终将体现在规划、设计和实施中。

3)需要建立合适的抽象模型

设计恒压供水闭环控制系统，需要建立正确的PID控制系统模型，进行系统控制参数的选择与优化，对调试中出现的错误和警告分析以及排除等方面都需要进行设计和思考，建模过程需要有一定的创新。

4)需要采用非常用方法

三相异步电动机的变频调速是恒压供水的核心环节，单台电机调速控制可以通过常用变频调速方法完成，但双电机控制双水泵运行，不仅要实现两台电机配合运行，还需要对电机运行时间进行管理，根据程控时间进行切换，尽可能使两台电机运行时间接近，这需要提出新的控制策略。

5)涉及多方面矛盾

复杂工程问题涉及多个方面，既要考虑性能又要考虑成本，一定是在多方矛盾中找到最优解决方案。电机调速的精度与速度有矛盾，系统的稳定性与复杂性也有矛盾，为了调速精度更高可能需要电机、变频器和水泵具有更好的性能，这需要投入成本更高，又是矛盾。

6)具有较高的综合性

该项目综合了流体机械、电气控制等多学科的知识，水泵恒压供水，变频器的运行与参数设置、双电机协调运行，供水管道压力传感器信号反馈、PLC上下位机通信等都是该项目的子问题，这些子课题相互关联，颇具综合性。同时查阅文献资料的能力、工程绘图和撰写设计报告的能力都会在此项目实施中得到体现。

4 多元化考核方式的实践与成效

在考核评价学生解决复杂工程问题能力的培养效果时，需要采取最能够表现能力要素的方式来准确考核评价学习效果。为此，在综合训练项目考核上，我们改革考核方式，采用评分指标法，将考核内容细化为多个评分指标，评价学生训练后所掌握的知识以及具备的能力，具体评价内容如表2所示。

在细分的五个评分指标上，从资料获取、问题分析、系统方案展示、系统开发过程、调试过程、设计报告、项目答辩等多元化地细化考核，客观准确地了解教学目标的实现情况。在考核过程中，着重评价学生在能力素质形成过程中的投入情况和能力素质的提升程度，不是仅通过报告或答辩的单项考核评价就主观判断学生解决复杂工程问题的能力。实施结果表明：多元化评价方式能够有效激励学生在整个实践过程的投入，也能够更加客观地评价学生能力素质的培养效果。同时，对指导教师如何根据课程目标调整设计考核指标提出了更高的要求。

表2 考核方式及评分依据

5 结语

通过工程教育专业认证标准中“复杂工程问题”的特征分析，我校在电气工程及其自动化专业设置“电气工程综合训练项目”实践环节，通过诸如“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”具体教学训练项目，培养学生综合运用工程专业知识，分析和解决具有特定特征的复杂工程问题能力。在实施综合训练过程中还采用了多元化的评价考核方式。

通过对我校电气工程及其自动化专业2012级和2013级学生的实践训练，考核结果表明：学生掌握了PLC控制及上下位机通信方法，并能深刻理解PLC在工业控制中的作用；掌握了电动机的信号采集、数据处理及变频器的使用；学会了使用触摸屏以及Wincc组态软件等。该训练项目还能使学生掌握解决实际工程问题所需的方案论证步骤，控制系统软硬件调试、分析与改进等全过程。

该训练项目既培养学生独立分析问题、解决问题的能力及动手实践能力，也培养学生创新能力、团队合作能力和综合应用知识的能力。

在实施综合训练过程中还采用了多元化的评价考核方法。需要指出的是，“复杂工程问题”和“解决复杂工程问题的能力”是两个不同的概念，培养学生“解决复杂工程问题的能力”不是仅仅依靠课程设计、综合实践等一两个实践环节，而是要贯穿在整个大学阶段，在理论教学和实践教学环节都应渗透“复杂工程问题”的思想，潜移默化地培养学生“解决复杂工程问题的能力”。