“卓越計劃”專業的實驗室功能定位及實現

周 律，周克寧

（浙江科技學院 電氣學院 工程實踐中心，浙江 杭州 310023）

“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱卓越計劃）是教育部于2010年聯合有關部門和行業協會共同在有關高校中組織實施的計劃。推行此計劃的目的在于培養造就一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量的工程技術人才。我校“電氣工程及其自動化”專業為教育部批準的首批試點專業，并依據CDIO理念制定并實施了特別的教育培養計劃。計劃突出了課程設置、實驗環節和企業實踐，學生總體上要經過校內理論課學習、課程實驗環節及1年企業實踐才能完成學業。為了發揮實驗室在培養學生實踐及創新能力方面的作用，眾多高校在這方面進行了探索［1-3］。為提高實驗室利用率，給學生創造自由進入實驗室開展實驗活動的條件，開放性實驗室模式得到重視［4］。2010年“卓越計劃”的推出帶動了試點高校教育或教學模式的改革，其中實驗室建設也是研究的重點［5-6］。但是，無論實驗室在運行階段采用何種模式進行教學，在新建實驗室前，如何定位實驗室的功能是至關重要的一步［7］。本專業在2012年籌建新的專業實驗室時，根據電氣專業的教學要求，確定了以增強學生專業領域工作能力為導向的實驗室功能定位思路，并在建設“新能源及應用技術實驗室”中付諸于實現。

1 實驗室的功能定位

我校并非是原有的部屬院校，電氣專業辦學也沒有很強的行業背景，因此專業辦學是根據本地區產業結構及人才需求情況來確定。本地區的特點是中小企業、私營及民營企業多，而且涉及電氣技術的企業也幾乎包含電氣工程學科的各個領域。鑒于此，我校電氣專業設定3個專業方向：電機與控制技術、供配電技術及電能變換技術。其目的是使學生能比較全面地掌握電氣工程學科中某個專業領域的技術知識，以盡快適應企業對人才的要求。

本文所涉及“新能源及應用技術實驗室”是“電能變換技術”方向的重點實驗室，在籌建該實驗室的方案時如何定位實驗室的功能至關重要。定位不妥，建成后的實驗室就發揮不了實現教學目標和培養“卓越”人才的作用。卓越計劃實施的目的之一是希望培養出具有較強實踐創新能力的卓越現場工程師。要做到這點，需要在拓寬學生專業知識面的同時，加強在某類電氣技術領域的知識學習，以提高學生的某個專業領域的知識水平和實踐能力，增強學生的行業競爭力。

1.1 多門課程知識的綜合功能

在高校，不少實驗室的建設思路仍然是局限于為某一課程服務，因而實驗室建成后只能對一門課程服務。這不僅使得實驗室利用率十分低下，同時還易造成學生知識隔裂、缺乏將相關知識有機結合起來理解或運用的能力。“新能源及應用技術實驗室”作為新建的專業實驗室，在方案制定時就充分意識到這一問題。新能源及應用技術的專業知識包含有新能源（根據現有條件和應用廣度，考慮風能和太陽能）的特性、能量的存儲、電能的轉換技術等，并牽涉電氣電子產品的研發技術、EMC及安全性能檢測技術、儲能及發電的系統集成技術等概念。從課程上講，新能源及應用技術的專業知識涉及有太陽能光伏、風能發電機、現代電力電子、電磁兼容技術、電氣測量技術等課程知識。基于這一考慮，新建實驗室的設備和儀器應能夠開設出為這些課程服務的實驗項目。

1.2 產業技術的結合功能

電能變換技術實際上在行業中的應用主要體現在電力電子產品層面、產品測試技術層面、新能源應用系統構架層面等3個層次。在本地區眾多相關企業中，有的專業開發生產電力電子產品或裝置，有的生產光伏電池和風能發電機，而有的企業專門研發新能源發電系統集成。這就要求實驗室設有針對3個層次不同需求的實驗功能，也就是在這個實驗室里，學生既可進行產品級的電路實驗，也可進行產品測試和新能源儲能及發電的系統組成實驗。經過這部分的實驗及訓練，學生就能比較好地應對不同的企業需求。

1.3 實驗性質的多樣性功能

有許多傳統實驗室只能開設出驗證性實驗，學生無法進行設計性、探究性實驗，制約了學生學習探索的能動性，極大削弱了實驗室的綜合功能［8］。例如本校的電力電子實驗室、電機與控制實驗室，都只能進行驗證性實驗。由于實驗設備是外購成套設備，結構和功能都已固化，要改造十分困難。根據教學改革趨勢和卓越人才培養的方式，實驗室建設時應盡量能開設出具有多種性質的實驗［9］。實驗性質多樣性體現在驗證性、設計性、探究性和操作性實驗都能在一個實驗室內進行。依此而建的實驗室能大大提高實驗綜合的功能，同時為發揮學生的潛能提供很好的平臺。

1.4 教學和科研的雙重功能

普通本科院校同樣承擔科學研究、服務社會的責任，實驗室的功能定位應考慮這些需求，尤其是當前的實驗室建設。事實上，確實有一些實驗室建設時沒有這樣做，導致的結果往往是實驗室占據較大空間，但實驗裝置和儀器無法為科研服務。而且由于單純為教學服務，因此開放時間較短。這導致實驗室的空間和時間的利用率都比較低，而無法發揮為社會服務的功效。

為了能充分發揮實驗室的作用，要使購置或開發的實驗裝置不僅具有教學功能，同時還具有進行科研的功能，以支撐科研及為社會服務。不僅如此，實驗室還可吸收教師與優秀學生共同開展科研活動，為培養優秀創新人才起到奠基作用［10-11］。

2 實驗室功能的實現

基于上述實驗室功能定位的思考，我們在制定新能源及應用技術實驗室的建設方案時貫徹了強化實驗室功能的思想，制定了對應的實施計劃。在方案實施過程中與實驗裝置供貨方共同商定裝置的技術和功能要求。

2.1 融合電能變換相關技術知識構建實驗裝置

在建設實驗室時，構建實驗裝置輻射面寬的實驗室，打破實驗室僅能服務一門課程的常規做法，結合新能源的電能變換裝置技術領域，將現代電力技術、電磁兼容技術及電氣測量技術等課程的內容整合在一套實驗裝置之中。具體做法是開發一套綜合實驗裝置，包含有光伏充電模塊、高頻變壓器隔離式DC-DC變換模塊及逆變模塊等，同時在這些模塊中結合了輻射檢測、傳導干擾檢測以及電壓電流測量電路模塊。這樣做的突出優點就在于學生僅通過一套裝置的實驗操作，就能清楚地了解到電能變換裝置在開發及應用過程中所要觸及的大部分知識，并將相關課程知識有機地串接起來。

2.2 實驗室裝置與產業技術緊密結合

裝置的結構、布局、功能盡量貼近生產實際，具體來講，從電能變換裝置的具體電路到裝置構成的光伏發電系統，再到裝置的EMC測試設備，構成了比較完整的應用體系，體現了新能源應用技術之間的相互聯系。在這方面，開發了電能變換電路模塊綜合裝置，學生可以直接熟悉電路結構、測試電路參數、觀察電路工作波形。同時購置專門定制的光伏風能實驗實訓臺，學生通過實訓臺掌握充電控制器、逆變器、光伏風能互補控制器、監控儀表的使用方法和系統連接、調試方法。通過這些裝置開設的實驗，學生不僅知道電能變換技術的電路知識，也能掌握應用系統組成的相關知識，這對學生今后在電源產業、新能源利用及發電行業發揮作用極其有利。

2.3 實驗電路模塊設計成組合式、積木式結構形式

首先每個模塊的功能是獨立的，由這些模塊構成的綜合裝置可以實現從充電、升壓、逆變及監測的完整儲能、發電體系。裝置具有一套演示模塊，但是這些模塊進出端都設計成插件式并可由其他模塊替換演示模塊。這意味著學生可以自行設計功能模塊，只要留出相應端口就可取代演示模塊而接入系統。同時，演示模塊的設計也非常靈活，模塊采用真正意義上的嵌入式結構，即微控制器單元也都設計成插板形式。而插板上的微處理器芯片可以是DSP、ARM或高性能單片機。這樣，換上不同的插板，就可熟悉和運用不同芯片構成的控制器技術，而不需要改動電路硬件。顯然這種模式為學生進行設計性、研究性實驗提供了良好的條件。

2.4 配置能用于科研項目開發的設備和儀器

為了能最大限度發揮實驗室裝置和設備的功效，同時又能讓學生熟悉和了解在生產及開發產品過程中需要什么樣的儀器，在實驗室的建設經費中合理地進行分配，從中劃出一部分購置可用于科研的設備儀器。舉例來說，圍繞電能變換裝置的研究開發，配置了電子負載、磁性材料特性測試儀、電能質量分析儀、穩定交流電源等常用設備和儀器。這些裝備（包括部分EMC測試設備）為教師開展科研工作和為企業服務創造了有利的條件，并使實驗室的時空利用率大為提高。

3 結束語

對實驗室的功能定位是實驗室籌建前必須認真考慮的工作，這項工作對制定實驗室建設計劃具有重要意義。如果功能定位不合適或者太過單一，實驗室建設項目完成后往往會成為遺憾工程項目。常見的情況是實驗室建設時容易陷入僅為課程服務的思維定式，而較少考慮如何和產業技術緊密結合及訓練學生實際應用能力。雖然有的實驗室建設時考慮到了科研需求，但缺乏其他功能的考慮。而本實驗室的功能定位是把上述4種功能綜合在一個實驗室中。與之對應的是，實驗室裝備平臺分成4個功能區塊：光伏實驗實訓臺、電能變換模塊綜合實驗裝置、電能變換裝置產品研發設備平臺及EMC測試設備平臺。這4個功能平臺滿足了上述實驗室功能定位的要求，能有效發揮實驗室綜合作用，提高實驗室的利用率［12］。2013年10月實驗室投入運行后，電氣專業選擇“電能變換技術”方向的91名學生按計劃在實驗室完成了規定的實驗任務，其中包含1項設計性實驗項目和1項探究性實驗項目。此外，有多名學生課外參與了在實驗室開發的“300VA光伏并網逆變器”等企業項目。

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