電氣工程實驗教學中心的建設與實踐

潘再平,馬 皓,盧慧芬,楊 莉,陳 欣

(浙江大學電氣工程學院 ,浙江杭州 310027)

0 引言

浙江大學電氣學院建有電工電子國家級實驗教學示范中心,該中心承擔了電氣學院及其他相關學院的“大電類”基礎課程實踐教學工作。而電氣工程等學院的專業基礎及專業課程的實踐教學工作則由浙江大學電氣工程實驗教學中心承擔,電氣工程實驗教學中心由早在1965年創建的電機及其控制、電力系統自動化等專業實驗室整合而成。實驗室專職人員12名,具有高級職稱的5人,校聘關鍵崗1名;兼職人員27人,均為具有高級職稱的教師。目前中心實驗室擁有電機系統、電力電子技術、運動控制系統、數字信號處理方案、高電壓、動模、繼電保護等實驗室,實驗室總面積約1806平方米,儀器設備總值近3217萬元。電氣工程實驗教學中心由電氣工程一級國家重點學科,電力系統自動化、電機與電器2個國家二級重點學科支撐、面向電氣工程及其自動化、電子信息工程、自動化3個國家特色專業的本科生和研究生實驗教學。承擔了電氣學院及其它相關學院包括《電力電子技術》、《電機學》等共計30多門專業基礎與專業課程的實驗。

1 優化實驗教學體系

浙江大學電氣工程實驗教學中心(包括其前身)自創建以來,經歷了從無到有、從驗證型實驗到研究創新型實驗、從單一教學型到教學科研訓練相結合等發展歷程。目前的實踐教學模式為:驗證型※綜合型※設計型※自主型※現場實習※科研訓練。使學生從驗證型、綜合型實驗中獲取間接知識,從設計型、自主型實驗獲取直接知識,通過科研訓練培養學生探索研究未知新知識的方法和能力。

1.1 自主開放型實驗

微機原理與應用等課程設立了自主開放型實驗,由學生自主設計實驗項目,使學生對已有的知識和技能進行舉一反三,并自主地去分析解決復雜多變的實際問題。提高了學生的學習積極性和創新能力,收到了良好的效果。

1.2 創新實驗模式的建立

設立了自主開放型實驗,由學生自主設計實驗項目,使學生對已有的知識和技能進行舉一反三,并自主地去分析解決復雜多變的實際問題。

電機系統創新設計型實驗為綜合設計型實驗課,目標是培養學生的基本工程素養,激發他們的創造能力。該課程在學生掌握電機學、電力電子技術等基本理論知識后,對電機系統進行綜合性創新設計。如設立了“無刷直流電機驅動器綜合設計“等研究設計型專項實驗。其教學過程為:教師介紹原理、設計要求※學生運用所學知識,按要求進行設計※教師進行審查※學生制作、調試※現場演示、測試技術指標※教師講評、確定成績。

本研究設計型實驗綜合了電機本體、電機驅動等各方面理論知識,由學生根據系統技術指標進行電機系統的自主設計,培養學生工程設計及現場制作、調試能力。本實驗可作為“電機學”、“電力電子技術”、“電機控制”等課程的擴展實踐環節。

1.3 科研訓練

浙江大學于 1998年開始組織實施本科生SRTP項目,其主要目的在于:①給本科生提供科研訓練機會,以期學生盡早進入該專業科研領域,接觸和了解學科的前沿,明晰學科的發展動態;②充分利用學科綜合、教學資源和人才的優勢,因材施教,提高辦學效益;③培養學生理論聯系實際,科研創新實踐能力和獨立工作能力;④加強師生團隊合作精神和交流表達能力;⑤以“研”促進“學”與“產”的緊密型結合,鼓勵早出研究成果。

電氣學院有70%以上的本科生參加了SRTP項目,學生參加SRTP項目的實驗場所及設備除利用導師的科研實驗室外,實驗教學中心為參加項目的學生提供了研究條件,中心的絕大多數全職、兼職教師參與指導學生的SRTP項目。對學有余力、能力較強的同學則鼓勵他們參加導師承擔的科研、申請“國創”等項目,盡早介入科研、早出成果。科研訓練提高了大學生的創新能力,也取得了豐碩的成果,如目前得到廣泛應用的實驗室管理系統的思路就是在SRT P項目中提出的,其早期版本也是由學生在SRTP項目中完成的,近5年電氣工程及其自動化專業本科生已發表學術論文40余篇。

2 加強實驗室建設

2.1 實驗設備研制與推廣

為滿足實驗教學改革的需要,實驗教學中心研制了在全國有很大影響、得到全面推廣的DSZ型電機系統、DKSZ型電力電子技術與電機控制系統等實驗裝置。以上兩種實驗裝置都獲得了浙江省科學技術進步獎。研制的實驗裝置及相關技術已由相關教儀生產企業生產,在清華大學、上海交大等國內外1000余所大專院校推廣使用,促進了全國各校有關專業的實驗室建設工作,受益學生數十萬。

我們在研制實驗設備時提出了“組件化、模塊化”的設計理念,使得實驗設備適用面廣,能根據相關技術的發展及時進行擴充,實驗時使用方便、靈活。這種實驗設備的設計理念得到國內同行的普遍認同,目前國內的電工電子類實驗設備基本上采用了此設計理念。

2.2 聯合實驗室和校外實踐基地的建立

中心與國內外知名企業建立了10個聯合實驗室,其中有浙江大學—美國德州儀器數字信號處理方案(DSP)實驗室,浙江大學—摩托羅拉單片機實驗室,浙江大學—美國國家半導體微功率系統設計聯合實驗室,浙江大學—三菱電機功率器件聯合實驗室等。并有國家電網公司、浙江省電力公司、南車電機等10余個校外實踐基地。

2.3 電氣電子網絡實驗室

網絡實驗室綜合使用虛擬儀器、虛擬現實、數據庫、網絡和計算機實時控制等多種技術,為實驗者營造虛擬的實驗環境,達到與在普通實驗室中實驗相同或者類似的效果。網絡實驗室能開設電力電子、三相電機、隨動系統、步進電機等實驗,可以作為課堂教學的重要補充。在國內遠程教育首次開設工科電氣工程專業的實驗課程。2006年,電工電子網絡實驗室和美國MIT繼續教育學院的iLab實驗室開始洽談戰略合作,建立中國高校網絡實驗室基地,實現中美高校實驗資源共享。

2.4 智能技術科教實踐基地

依托教育部組織的全國大學生智能汽車競賽,建成了集大學生參加科研、實驗、實踐、教學創新為一體的智能技術科教實踐基地。培養大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創新意識,激發大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協作的人文精神。

3 強化實驗室管理

3.1 開放式實驗室信息化管理平臺

為滿足開放式實驗室的要求,應建立一套完善的符合自身特點的實驗室開放管理制度和管理方法,實驗室的開放,也是實驗教學質量、學生創新意識和創新能力培養的有力保障。為適應新人才培養方案的實施,實現實驗課程的全面改革,有計劃地進行開放性實驗是行之有效的教學手段,也是改變傳統教學模式,提高實驗教學質量,培養學生獨立操作能力和創造性思維的必由之路。為提高實驗教學水平,規范有序地做好實驗室開放工作,迫切需要一套與上述現代教學管理相適應的實驗室管理系統,以實現開放性實驗室管理。

結合大學生SRTP項目,研制了開放式實驗室管理系統。該系統充分利用網絡優勢,具有實驗開放、實驗預約、實驗管理、實驗考評、師生互動等功能。該管理系統已成功地應用于我校的實驗教學中。2004年至今,課程覆蓋門次356門,該系統的使用受到師生的好評。來實驗室參觀的兄弟院校老師普遍肯定該系統,上海電力學院還引進了該實驗室管理系統,使用效果良好。

3.2 實驗考試方法的改進

電氣工程實驗教學中心承擔的實驗教學環節大多是與理論課合課的實驗課,考核隨同理論課一起考試。為強化對實驗環節的考核,對電力電子技術、微機原理與應用等課程進行了單獨實驗考試。學生在實驗管理系統上選擇實驗考試時間,隨機決定考試題目,每人一組進行單獨實驗考試。實驗考試成績分實驗原理、實驗操作、調試、其他等4部分,實驗考試成績占總成績的20%。單獨實驗考試的實施極大地提高了學生實驗學習的積極性和動手能力。與平行班比較,進行單獨實驗考試的教學班學生的實驗態度、實驗技能等明顯得到提高,這在2007年我校本科教學評估中得到體現。

4 拓寬實踐教學環節

4.1 電機實踐教學環節

為加深電氣工程及自動化專業學生對電機的認識與理解,有助于對電機學、電機設計理論的進一步掌握,促進理論與實踐的結合,設計了電機實踐教學環節。

該實踐教學將電機學和現代電機CAD技術兩門課程的相關內容組合在一起,其目標為:通過對電機整體的了解、繞組的設計、電機繞組的繞線、嵌線、安裝及測試,使學生對電機的設計、制造工藝、繞組的嵌線、絕緣處理有一個系統的認識與提高。進一步了解電機的基本結構與原理,掌握繞制嵌線步驟、工藝規范及注意事項。

該教學環節的主要內容為:電機繞組的設計、電動機的拆卸與裝配、繞制定子線圈、嵌線 、封槽口、放繞組端部隔相絕緣、端部整形、端部接線、繞組的絕緣浸漆與烘干處理;絕緣電阻的測量、、絕緣耐壓試驗、運轉試驗、溫升試驗。

4.2 電子產品設計與調試

電子產品設計與調試實驗課程為集設計性、綜合性與研究性為一體的實踐性課程,實驗內容可拓展性好,能夠緊跟學科發展,與實際緊密結合,容易激發學生的學習興趣,充分激發學生主動思考,對培養學生的創新思維,充分鍛煉學生的實踐能力有重要意義。

通過本課程的學習,要求學生掌握開關電源設計的基本方法、磁性元件的設計方法,掌握示波器、RLC表等儀器的使用,掌握開關電源設計和調試的基本步驟。在教師指導下,學生自主設計和調試一個隔離型多組輸出開關電源,要求完成以下功能:①熟悉磁性元件的設計和制作;②要求能夠滿足紋波和精度要求;③實現自啟動功能;④要求電源能夠在90V～265V范圍內穩定工作;⑤具有較高的效率;⑥要求能夠分析和解決開關電源調試過程中遇到的問題。

學生在文獻資料查閱、方案理論設計與仿真設計的基礎上,在主拓撲選擇(例如:反激式拓撲、正激式拓撲、推挽拓撲)與設計、控制策略(電壓型控制、電流型控制、軟開關等)與主控芯片的選擇與設計、變壓器的設計等方面均自主設計,并自主安裝與調試。在調試過程中,對方案與設計進行完善。

該實踐課程可提高性強,提供學生較好的創新設計發展空間。在拓撲設計、控制電路設計、變壓器設計等方面,學生均可以采用自己的設想,并自主進行實驗研究。從而實現高效率、高功率密度、高精度、低紋波的隔離型多組輸出開關電源。

本實踐課程將獨立設課。并可作為電力電子技術、電力電子系統計算機仿真、現代功率無源元件應用、電力電子線路設計等課程的部分實踐環節。

4.3 聯合實踐教學基地建設

浙江省電力公司實踐教學基地是在浙江省電力公司支持下的企業實習項目,是主要面向電氣工程學院大四學生。并為卓越工程師培養計劃提供實踐平臺。該基本包括:大型火電廠(嘉興、北侖等),直調水電廠(新安江、富春江),天荒坪抽水蓄能電廠、500kV變電所、浙江省電力試驗研究院、浙江省電力公司培訓中心等。

該實踐教學基地擬實現學生在完成相關專業基礎課和專業課后,將理論用于實際工程的問題。實習采用理論培訓和蹲點實習相接合的方法,在充足的培訓時間內,能接觸盡可能多的電力系統業務環節,能盡可能近的接觸生產一線。

電力系統實踐有助于學生理論聯系實際,鞏固和擴大所學的理論知識,了解電力系統運行的業務流程,對電力行業文化產生認同感和歸屬感,培養學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力和工程創新能力,使學生提早感受”真槍實戰”。更重要的是,能夠使學生及時認識道自己所學知識點的缺陷,起到畢業前查漏補缺的作用。同時學生通過該實踐教學基地的學習后,就業時進入電力公司就能直接上崗。

5 實驗教學中心的建設目標及特色

浙江大學電氣工程實驗教學中心自設立以來依據浙江大學“以人為本、整合培養、求是創新、追求卓越”的教育理念,樹立“以學生為本,突出學生在實驗教學中的主體地位”這一現代教學的根本理念。在實驗教學的全過程中,強化學生的創新能力、實踐能力和工程應用能力的培養。在實驗室建設和實驗教學組織中,根據學校的培養目標和專業門類以及學生數,合理規劃,制定具體的建設方案,在配備先進的實驗設備的同時,建立一切為學生、并配合適合專業培養要求、能激發學生個性張揚、充分調動學習主動性和積極性的指導思想,體現實驗過程集基礎性、綜合性、研究性的多層次實驗課程新體系和實驗內容。實驗教學中心建設的主要特色為:

(1)創新實踐教學模式

擬建立的創新實踐模式:驗證型※綜合型※設計型※自主型※現場實習※科研訓練,設立面向全體學生的創新設計型實驗。

(2)社會化與國際化

充分利用社會資源,與國家大型企業和國際型企業聯合建立創新設計型實驗室和實踐教學基地,使學生盡早適應未來的工作環境、更早地掌握工作技能。

(3)與“質量工程”相結合

實驗中心的建設結合“拔尖人才培養創新實驗區”和“卓越工程師計劃”,為安迪生實驗班及卓越工程師計劃的實施創造良好的實踐教學平臺。

(4)解決好“點”與“面”的關系

實驗示范中心的建設除滿足“拔尖人才培養創新實驗區”、“卓越工程師計劃”的實驗教學要求外,更是面向電氣工程學院的全體學生,而且面向其他工科院系的學生,學生受益面廣。

[1]潘再平,唐益民.加強電力電子技術和電機控制類課程實驗教學.實驗室研究與探索,2002,(1):29-30

[2]潘再平.電氣工程類精品課程建設.電氣電子教學學報.2004,26(電氣工程專輯):62-64

[3]盧慧芬,邱建琪,潘再平.電氣裝備課程設計實驗教學探討,實驗技術與管理,2008,25(12):148-150,172

[4]盧慧芬,潘再平,馬鈞華,徐習東,唐益民.電氣工程及其自動化專業實驗教學改革的探索與實踐.浙江大學實驗實踐教學工作論文匯編,2007年3月:49-51