虚实结合的电气类专业实验教学体系构建

许少伦， 徐青菁， 齐文娟， 梁克靖， 黄玉辉， 徐 真

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引 言

实践教学是理论教学的检验过程和有力支撑，是高校工科专业非常重要的教学环节。实践教学与工程实际结合非常紧密，是学生掌握专业知识和实践技能的重要途径，也是学生提高解决复杂工程实际问题能力的重要途径［1］。当前的工程教育中对学生的工程实践能力的培养和锻炼还不够，部分实验内容偏离了相关产业对学生知识应用与解决实际问题的能力需求，有些内容甚至已经过时。因此，丰富和提升实验教学内容和质量、创新实验教学方法、构建以学生能力发展培养为中心的实验教学体系成为当前高校实验教学改革的重要任务［2］。

电气工程及其自动化是一门综合性较强的学科，包含电力系统及其自动化、电力电子与电力传动、电机与电器、高电压与绝缘技术、电工理论与新技术等多方面的内容，其中强电类、高电压类的实验设备成本高，危险性高，对实验场地有特殊的要求，使得台套数有限，无法同时满足大量学生实验，影响实验教学效果，甚至有些实验受条件的限制无法开展［3-4］。将虚拟现实、互联网等信息技术引入到电气类专业的实践教学中，可以有效地解决上述问题［5］。

1 虚实结合的实验教学理念

我校电气工程实验教学中心主要承担电气工程及其自动化专业本科生和研究生的实验教学、课程设计、生产实习、毕业设计以及实践创新等内容，是学生实践能力和创新创业能力的培养基地，其体系结构如图1所示。中心坚持以培养具有工程设计意识，具备工程实践能力，能解决复杂工程问题的学生为目标，结合行业发展新形势，不断凝练实验教学理念，将虚拟仿真实验和实物实验有效整合起来，构建了电气工程专业层次递进、虚实结合的实践教学体系和以学生为中心的工程教育生态，启发学生进行自主性探究，创新性学习，进一步提高学生们的学习兴趣和效率［6-7］。

图1 实验中心体系结构

在传统的电气工程专业实验教学中，部分课程实验内容跟不上行业发展所提出的培养需求，实验过程固定、实验手段单一、学生仅需按照既定的实验步骤操作，记录实验数据进行验证分析，学生学习的内容简单、过程被动，难以达到较好的实践效果；部分依托大型仪器设备开设的实验由于设备昂贵、设备套数不足，导致学生动手机会较少，无法开展涉及新技术的综合实验项目。

虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等多种技术，通过构建一个可视化的实验操作环境，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展实践。虚拟仿真实验项目拓展了实验内容的广度与深度，将不具备真实实验条件、涉及高危险性、高成本、高消耗、不可逆的操作引入实验教学，丰富了教学内容和教学方式，是教育信息化的一个重要方向，也是新时期教育部推出的五类“金课”之一［8］。虚拟仿真实验室的建设是实体实验室的延伸和有效补充，可打破时间与空间的界限，突破传统实验教学方式的束缚，很大程度上解决了仪器设备购置经费不足、实验场地限制等问题，同时可以提高学生学习的自主性和学习效率［9］。

虽然虚拟仿真实验有很多优点，但在硬件实验中不能完全依赖虚拟仿真实验，学生动手能力的培养离不开实物实验的训练，实物实验在工科类实验教学中具有非常重要的地位。比如：真实实验过程中学生的误操作会引起实验器件损坏、线路开短路等情况，可以培养学生处理故障及随机问题的能力；综合实验通常比较复杂，需要多位学生协作完成，可以培养学生的沟通能力和团队合作意识等。因此，在实践教学过程中，应将虚拟实验和实物实验进行有机结合，优势互补。

实验教学理念是构建实验教学体系的基础和方向，对实验平台的建设和具体实验教学活动的开展具有指导意义。在坚持人才质量观、注重培养学生工程实践能力和创新能力的指导方针下，采用虚实结合的实践教学理念，构建适合本专业实际的实验教学体系和实验教学模式，可以充分调动学生的积极性和主动性，激发学生的科学探索精神，锻炼学生的创新思维能力和解决复杂工程问题的能力。

2 层次递进、虚实结合的实验教学体系构建

实验教学改革的关键是对实验内容进行改革，精选实验内容、减少验证性实验、加强综合性实验和创新性实验，都是培养符合行业发展需求的复合型人才的有力措施［10］。

根据电气工程及其自动化专业的培养目标和要求，基于虚实结合、优势互补的实验教学理念，电气工程实验教学中心紧跟行业发展，注重理论与实践的有机结合以及各实践环节的相互衔接，整合实验室资源，融合原有实验教学体系，经过不断补充完善，形成了“层次递进、虚实结合”的实验教学体系，如图2 所示。

实验教学体系分为基础层次训练、专业基本素质培养、专业综合设计能力培养以及研创能力培养4 个层次。每个层次的内容均包含实物实验和虚拟仿真实验。优化后的实验教学体系遵循循序渐进、逐层深化的原则，使学生在基础工程、综合实践和创新研究等方面的能力得到全方位的培养［11］。

图2 专业实验教学体系

2.1 基础层次训练

基础层次主要是让学生认知实验环境、掌握基本实验原理和方法、测试仪器操作以及测试数据分析等方面的能力，建立牢固的技术基础知识和工程认知。

大一开设了大学化学实验、大学物理实验、基本电路实验、工程学导论、工程实践与科技创新I等基础实践类课程。大二开设了电子技术实验、嵌入式系统与接口技术、电磁场等基础课程，均包含针对性的实践内容训练。其中工程学导论是根据工程教育认证要求设置的一门通识课程，48 学时，其中实验24 学时，主要是让学生了解并认识工程与科学的关系，结合工程案例，认识工程师的职责与挑战，培育学生的工程思维能力。

2.2 专业基本素质培养

主要由专业方向必修课及选修课实验组成，结合理论教学知识点和实验室现有的设备条件，优化验证性实验的内容，使学生在专业知识学习过程中建立扎实的基础知识。

大三开设了电气工程基础、电力电子技术、电机学、自动控制原理、电力系统自动化、电力系统继电保护、电力系统暂态分析、电气与电子测量技术、电机控制技术等专业方向的必修课程和选修课程。针对课程知识点配套设计了实践内容，通过实验理解基本概念和基本原理，实现夯实专业基础知识的目的。

2.3 专业综合设计能力培养

以锻炼学生综合运用所学理论基础知识、技术基础知识的能力为目标，重点建设综合与设计性层次的实验项目和内容，充分锻炼学生在专业知识学习后期，针对本专业领域的复杂工程问题，利用所学的基础知识和专业知识，使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，设计解决方案的综合能力和工程素养。

（1）综合实验。综合实验分A组和B 组，其中A组在大三下学期开设，包括电力系统应用、运动控制系统、微电网控制系统3 门课程；B 组在大四上学期开设，包括电气系统、电气设备、电气控制3 门课程。每门课程64 学时，其中4 学时用于讲解实验相关理论知识，其余60 学时在实验室进行。综合实验要求学生以团队的形式，2 或3 人1 组，进行综合性的系统构建，目的是让学生建立系统的概念、掌握系统模型的建立以及软硬件的联合调试方法，培养团队协作意识。

（2）课程设计。课程设计分A 组和B 组，其中A组在大三下学期开设，包括嵌入式系统应用技术、智能仪表、电力电子3 门课程；B 组在大四上学期开设，包括高压数字测量、变电站电气部分、电机的DSP 控制、继电保护4 门课程。每门课程64 学时，其中4 学时用于讲解设计题目，介绍完成设计所需的知识体系结构以及设计过程中的注意事项等内容，其余60 学时在实验室进行。课程设计作为系统性的设计实践课程，采用任课教师引导、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，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。

（3）专业实习。专业实习是在大三下学期末开设的必修课，为学生提供与电气相关企业学习与交流的机会。专业与上海电力公司、思源电气有限公司、上海电机厂、新安江水电站、施耐德电气等企业密切合作，建设了多个实践实习基地。实习的形式多样化，根据企业和专业对学生培养的要求进行定制，让学生走进企业，亲临实地的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，积累感性认识，培养工程意识，发现某些工程问题，为后续专业课程的学习和工作打好基础。

（4）毕业设计。毕业设计选题结合本专业的工程实际问题，培养学生的工程意识、协作精神以及综合应用所学知识解决实际问题的能力。课题类型主要包括设计类和工程实践类，主要学习目标包括：利用检索工具全面掌握电气工程的专业知识，熟悉电气工程各方向的发展前沿；综合运用电气专业知识和现代工具去分析、解决复杂的电气工程问题；针对毕业设计课题，采用理论分析、仿真研究、工程设计等形式开展研究，并体现一定的创新意识。

2.4 研创能力培养

主要由工程实践与科技创新课程、大学生创新实践计划项目、学科竞赛、本科生进实验室等组成。通过该阶段的实践教学活动，能够建立学生的科研思维，激发科研兴趣，进而培养学生的研究创新能力。

（1）工程实践与科技创新课程。工程实践与科技创新是院系通识教育课程，贯穿本科4 年，分为I ～IV 4 个层次，每个层次必选1 门课，每门课2 学分、32 学时，共计8 学分。与电气专业相关的课程如表1 所示。面向本专业领域近年来前沿技术和产业发展的热点，充分结合本专业方向研究团队在智能电网、能源互联网、电力物联网等方面取得的科研成果，设计探究性实验内容，将前沿技术的关键点与难点深入浅出地呈现给学生，引导学生进行创新和研究性实验探索，激发其对本专业新兴技术的研究兴趣，锻炼其创新设计思维和能力，为学生毕业从事电气工程领域的研究、设计、开发等工作以及研究生阶段的学习奠定基础［12］。

表1 专业相关工程实践与科技创新课程

（2）创新实践计划。本科生研究计划（PRP）与大学生创新创业训练计划项目是创新实践计划的重要组成部分，由学校教务处统一管理，通过立项审核的项目学校会给予一定的经费支持。

实施PRP计划的目的，是使本科生有组织、有计划地参加科学研究工作，接受科学研究基础训练，培养学生的协作能力与团队精神，培养学生的独立思考能力和交流能力，提升创新精神和实践能力，从而提高学生的综合素质。申报周期为每学期1 次，由教师申报，立项后由学生报名。

大学生创新创业训练计划遵循“激发科研兴趣、发挥科研潜质、提倡创新创业实践”的原则，支持品学兼优且具有较强科研潜质的在校学生开展自主选题科学研究工作，强调选题的科技前沿性、学科交叉性和学术创新性，重视对学生创新创业思维和创新实践能力的培养。该计划是学校立体化创新实践教育体系中的重要一环，起到了联接各级大学生创新活动的纽带作用［13］。学生可以在PRP或院级科技创新项目的研究基础上申报校级“大学生创新创业训练计划”继续深入研究，同时学校将直接从校级“大学生创新创业训练计划”中选拔优秀项目作为“上海大学生创新创业训练计划”和“国家级大学生创新创业训练计划”的备选项目。

（3）学科竞赛。专业鼓励学生积极参与各类竞赛，激发学生的创新能力，并配备实力雄厚的教师团队对学生进行科技竞赛培训和指导。依托专业教学实验室以及电力输送与功率变换控制教育部重点实验室、国家能源智能电网（上海）研发中心、国家能源海上风力发电装备研发中心、智能船舶综合电力系统上海市工程技术研究中心等科研实验室，为学生提供充足的场地、设备和技术指导。各类竞赛包括：全国大学生数学建模竞赛、全国大学生电子设计竞赛、全国大学生挑战杯竞赛、节能减排大赛、美国大学生数学建模竞赛、ACM/ICPC国际大学生程序设计竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、创青春全国大学生创业大赛、车联网创新营销大赛等。

（4）本科生进实验室。专业为了支持学生的科技创新实践活动，优选了一批以科研为主型教师为主力、实验室老师辅助的本科生科创导师团队，开展本科生进实验室的实践活动，为本科生科创活动提供常态化、稳定、优质的师资指导。学生可以尽早进入导师的实验室参与科研工作，增进对专业的了解，提高对专业知识学习的兴趣。在导师的指导下参加一系列的科技创新活动和竞赛项目，提早进行毕业设计课题的规划，以完成高水平的毕业设计和论文。成绩优秀的学生可以直接在导师的指导下继续深造，攻读硕士、博士学位。

3 虚实结合的教学模式与考评体系建设

3.1 教学模式改革

要保证实验教学体系的实施效果，还要构建与之相适应的教学模式和考评体系。根据专业及课程特点，本着“虚实结合”的原则，整合教学内容，改革教学方法及手段，构建集“实物模拟+数字仿真+半实物仿真+工程运行验证”于一体的虚实结合、相互补充的实践教学模式［14］。

在各层次的实验中，根据课程的性质和特点，除实物实验外，分别采用了Multisim、LTSpice、Altium Designer、Proteus、Matlab/Simulink、ANSYS、PLECS、PowerWorld Simulator、RTDS等数字仿真平台、xPC、NI、RT-LAB等半实物仿真平台，设计开发了超高压变电站运行及故障分析、基于EMTP 的电力系统综合应用等虚拟仿真实验，并结合新能源发电、微电网、能源互联网、电力物联网、数字化控制等与产业发展密切相关的工程案例进行运行验证。比如：在微电网控制系统综合实验中，需要在学习微电网中变流器相关建模及控制策略的基础上，采用PLECS仿真软件进行单相及三相DC-AC变流器的并网控制、微电网孤岛模式下的主从控制、下垂控制和分层控制等策略的仿真，然后结合自主研发的微电网硬件实验装置，进行电压型变流器控制、电流型变流器控制、下垂及分层控制等实验，先虚后实，虚实结合，实现对学生的综合训练。

3.2 考评体系设计

实验考评主要用于检验学生在虚、实两种环境中解决问题的能力，完善的考评方法对学生的学习积极性有着极大的促进作用。在考评中针对学生的设计、仿真、动手、调试等各个环节分别进行打分，作品类的实验增加答辩环节和学生制作作品性能的评分，综合多项评分完成学生的考评。其主要考核评价方法如表2 所示。通过多元考评方法使学生真正有效地参与到实验的各个环节中，做到全面跟踪学生实验过程，确保公平公正地评价学生的工作［15］。

表2 各类课程的考核评价方法

4 实践教学成效

近年来的应用实践表明，“层次递进、虚实结合”的电气类专业实验教学体系和模式能够体现以学生为中心，突出学生在学习和实践中的主体地位，更有利于其在大学专业知识学习不同阶段的能力锻炼和培养，对其将来的就业和深造都具有非常大的帮助。具体表现在：

（1）通过虚实结合的模式，将实验课程涉及的理论知识与实践操作有机融合，使学生的理论知识更加扎实，软件仿真、仪器仪表及设备操作、制图、焊接与调试等实践能力大大增强。

（2）学生的系统设计能力、创新能力得到了提高，参加各类学科竞赛取得优异成绩，以电子设计竞赛为例：近年来获得全国电子设计大赛国家一等奖5 项，上海市一等奖10 项，二等奖20 余项。

（3）任课老师的实验教学水平明显增强，荣获校卓越奖励计划4 项，申请并立项上海市虚拟仿真实验课程2 项，教育部协同育人项目8 项。

虚实结合的教学模式需要秉承工程教育的理念，持续改进，不断完善［16］，比如，目前针对电力系统动态模拟相关的大型仪器类实验，学生动手实践机会少，实验报告中实验原理和操作步骤基本固定，需要开发设计虚拟仿真的实验来充实现有内容，并且要增加在线理论测试考核内容，促进学生掌握课程内容要点。

5 结 语

“层次递进、虚实结合”的实验教学体系遵循循序渐进、逐层深化的原则，既能充分发挥虚拟实验的优势、弥补实物实验的不足，又能激发学生的学习兴趣和实践热情，引导学生自主学习，有效提高学生的实践教学效果，全方位培养学生在基础工程、综合实践和创新研究等方面的能力。该体系采用融合“实物模拟+数字仿真+半实物仿真+运行验证”于一体的实验教学模式以及多元考评方式，可扩展性强，对电气工程类高素质创新型人才的培养起到了积极的作用。