新能源背景下“電機學與運動控制系統”課程教學改革與探索

張旭隆 王峰 曹言敬

摘要：對我國新能源發展趨勢及技術型人才需求進行了分析，以電氣專業核心課程群“電機學與運動控制系統”的教學改革為研究對象，提出了在新能源背景下對該課程的教學改革與探索思路。基于CDIO工程教育理念，以課程教學與工程應用之間的差距為突破口，闡述了對課程教學內容、教學方式及實踐教學等方面的改革方法，為電氣工程及其自動化專業“卓越工程師教育培養計劃”的教學改革提供了借鑒經驗。

關鍵詞：新能源;工程教育;技術型;電機學;教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0089-02

一、新能源發展趨勢及技術型人才需求

1.新能源發展趨勢

能源是當今經濟社會發展最重要的物質基礎，然而伴隨著工農業文明的高速發展，現有常規的不可再生能源日漸萎縮。世界各國均已將風能、太陽能、潮汐能、地熱能、生物質能等新能源的開發和利用作為解決不可再生能源潛在枯竭危機的重要途徑。由于新能源具有清潔環保、循環利用的優點，使得新能源未來必將成為能源領域的主導產業。

同西方發達國家相比，我國新能源產業雖起步較晚，但在國家鼓勵政策和市場潛在巨大需求的推動下發展非常迅速。根據中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會（CREIA）、中國可再生能源學會風能專業委員會（CWEA）和全球風能理事會（GWEC）聯合發布的《中國風電發展報告2013》指出：截止到2012年年底，全國累計風電吊裝容量70.21GW，相比2011年增幅24%;累計海上風電裝機容量39.8萬千瓦，居世界第3位;風電累計裝機容量保持世界第一。太陽能發電、電動汽車、新能源建筑與交通等行業也得到了快速發展。然而，新能源產業在迅猛擴張的過程中伴隨著部分關鍵技術未能完全攻克的問題，例如風電質量控制與并網安全性、光伏造價與能量轉換效率、電動汽車續航里程與安全穩定性等方面的難題。更值得注意的是，在新能源開發和應用過程中，缺少專業技術型人才是制約新能源產業發展的一個突出障礙。

2.技術型人才需求

盡管我國新能源產業發展迅速，然而針對新能源行業的技術型人才培養卻相對滯后。高素質技術型人才的缺失已嚴重制約著我國當前新能源產業的健康發展。預計到2020年，在風電、光伏、新能源汽車、節能建筑等新能源領域的專業技術人員需要將達到數十萬，而全國新能源相關專業每年畢業生總量卻不足1000人。因此，培養適合于新能源產業的技術型人才刻不容緩。

2007年華北電力大學成立可再生能源學院，2008年10月南昌大學成立了光伏學院，同年，復旦大學成立新能源研究院，河海大學設立了風能與動力工程專業。“電機學”與“運動控制系統”作為電氣自動化專業重要的專業課程，始終相互銜接、互為支撐，是培養新能源技術人才的重要基礎課程，徐州工程學院信電工程學院對“電機學與運動控制系統”課程群的調整開展了有益思考與探索。

二、課程教學現狀

1.理論教學

由于本課程集電路、模擬電子技術、數字電子技術、電力電子技術、計算機控制技術等基礎知識為一體，理論性和實踐性都非常強，再加上電機學本身的理解難度，使得目前課堂教學更注重講授知識的基礎性和系統性。一方面，重點講授電動機的基本原理、運行特性和控制方法，發電機的基礎知識和技術難點課堂教學課時分配較少，針對新能源技術領域的知識講授更是一帶而過;另一方面，當涉及到實際工程應用時，均以系統框圖為背景，例如直流雙閉環調速系統、三相同步發電機的運行與并網，課堂講解與工程實際的應用偏差較大，學生普遍感覺比較抽象。總體而言，新能源相關的新知識、新技術在教學中的更新較慢。

2.實驗教學

我院的實驗教學基本以驗證性實驗為主，并且由于現有的實驗設備高度集成，學生在做實驗時往往看不到其內部結構，只要對外部端子進行簡單接線，然后手工記錄數據即可，整個實驗過程無法將理論與實際的元器件聯系起來。

考慮實驗設備的限制，在系統仿真環節，課程多利用MATLAB的SIMULINK工具箱，大多是以控制系統的傳遞函數為基礎進行計算機數字仿真，與工程實際也存在較大的差距。

三、課程教學改革與探索

1.課程教學內容改革

“電機學”與“運動控制系統”是電氣工程及其自動化專業的傳統經典課程，我院在保留課程主干內容的基礎上，適度縮減與工程實際差距較大的理論知識講授課時，著重加大關于發電機運行原理與控制技術的分析和論述，借此進一步夯實學生關于新能源發電技術的理論基礎，并逐步增加“新能源發電技術”、“風力發電與控制技術”、“車用電機原理及控制”、“光伏發電與微網技術”等專業選修課程，通過調整使新的課程體系能滿足新能源人才培養需要。

2.課堂教學方式改革

在理論教學過程中，學生始終是教學活動的主體，而教師發揮著重要的主導作用，需要充分調動學生的積極性，激發學生的學習興趣。例如更多采用多媒體動畫演示、MATLAB/SIMULINK軟件搭建仿真模型、新能源技術視頻展示和項目小組討論等多種形式，對工程實際系統進行深入的研究性學習。同時注意增加學生新技術實驗與實踐成績占課程總成績的比重，鼓勵學生更注重探索新知識、掌握新技能，適度降低課程期末考試成績的比重，以避免學生疲于應付考試。

在實驗教學過程中，充分利用我院大學生實踐創新訓練計劃，采用CDIO工程教育培養模式，在授課班級中開展項目小組討論的形式，圍繞新能源相關課題進行項目構想、設計、實施、改進以及答辯討論。每個項目小組中的學生都需要至少一次作為項目負責人，提升學生的個人技能和團隊寫作能力。針對眾多新能源相關課題，學生自由組合、自主選題，在課題開始階段，學生充分利用圖書館文獻數據庫及網絡資源，查閱相關文獻并進行整理和提煉，形成項目的整體推進思路;在課題推進過程中，課題負責人對課題進行子課題分解，對課題中的具體工程實現進行設計、實施和改進;在課題答辯討論階段，項目負責人將課題進展結果在課堂上以PPT的形式加以闡述，班級同學均可就其結論和觀點展開討論，最后以指定的論文格式要求上交紙質論文或樣機實物，教師對課題成果進行綜合評定，并計入課程總成績中。

3.實踐教學分層次能力提升

在實踐教學過程中，按照項目設計—系統實現—實施改進三個層次的漸進過程。

在項目設計階段，學院組織教師結合企業新能源方面的需求和教師的科研課題進行命題，學生分小組選題，并根據課題進行協作設計。設計完成后，學院組織專門的評審委員會進行設計的評講活動，學院對于設計成果有創新的進行獎勵。

在系統實現階段，充分利用我院大學生創新訓練計劃專項經費，解決學生理論與實際脫節的問題，利用MATLAB的電力系統工具箱（SimPower System）和Pspice軟件，開展了系統仿真，工具箱在元件庫中提供的電氣元器件能夠反映相應實際元器件的電氣特性，激發了學生獨立動手實踐的積極性。

在實施改進階段，學院組織評審委員對系統的實現進行再評講活動，提出實施改進意見，讓學生對自己的設計、實現成果進行完善性改進，從而進一步提高成果的層次和質量水平。

2009年我院購置“電機學”與“運動控制系統”兩門課程的成套實驗教學設備，2010級電氣國際課程實驗班的實驗內容就進行了相應的調整，減少數字仿真的內容，增加工程實踐訓練內容。新的實驗指導書要求學生認真預習，根據實驗內容、原理圖和實驗裝置設計實驗控制系統的具體接線圖，列出實驗步驟;能夠運用理論知識對實驗現象、結果進行分析和處理，解決實驗中遇到的問題，能夠綜合實驗數據，解釋實驗現象，編寫實驗報告，實施了從構思、設計、實施到運行的一個全CDIO過程，達到培養學生全面的專業、個人、職業、團隊、交流及社會意識與能力。

四、結束語

我院以電氣工程及其自動化專業為依托，以培養應用型新能源技術人才為目的，在“電機學”與“運動控制系統”兩門課程中實施了教學改革。從教學效果來看，學生在掌握了專業基礎知識的前提下，經過工程實踐訓練，提高了學生的綜合素質、團隊協作能力和創新能力，為“卓越工程師教育培養計劃”的教學改革提供了借鑒經驗。

參考文獻：

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（責任編輯：王祝萍）