電氣自動化開放實驗教學平臺設計與應用

馬新宇

【摘 要】電氣自動化是實踐性很強的專業(yè)，實驗教學是最重要的教學環(huán)節(jié)。開放實驗是傳統(tǒng)實驗教學的延伸，是變“靜”為“動”的一種新型教學模式。為了提高電氣自動化開放實驗教學效果，本文研究開放實驗教學平臺設計與應用，提出了具體的應用策略，為實驗教學規(guī)劃和實驗教學實施提供參考。

【關(guān)鍵詞】電氣自動化；開放實驗；教學平臺；設計與應用；硬件建設；軟件建設；應用策略

實驗教學是使用實驗儀器、設備和材料，通過操作過程，引起實驗現(xiàn)象變化，從中發(fā)現(xiàn)新知識和驗證原有知識的一種科學方法，是學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。電氣自動化專業(yè)是融合自動控制、機械工程、電工電子和計算機技術(shù)于一體的新型交叉學科，培養(yǎng)復合型高級工程技術(shù)人才。目前電氣自動化專業(yè)人才市場需求旺盛，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用。電氣自動化是實踐性很強的工科專業(yè)，實驗教學是其中最重要的教學環(huán)節(jié)之一，是提高學生分析問題和解決問題能力的重要手段。

目前高校進行的實驗大部分都是封閉實驗，實驗室專門針對某個具體專業(yè)的教師和學生，實驗室資源不共享。學生也只能在教學安排的時間內(nèi)進入實驗室，其他時間實驗室也是封閉的，不允許學生進入。實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也只是自己使用或小組成員共同使用，不與他人共享，也就是說數(shù)據(jù)也是封閉的。這種封閉實驗造成實驗資源嚴重學雜費，沒有發(fā)揮出實驗教學應有的作用。開放實驗是在高校教學改革背景下發(fā)展起來的變“靜”為“動”的一種新型實驗教學模式，鼓勵學生利用課余時間，自已完成方案設計，實現(xiàn)通過“做”達到“學”的目的。開放實驗是傳統(tǒng)實驗教學的延伸，本文針對電氣自動化實驗教學的特點展開研究，技術(shù)上進一步繼承和發(fā)展了現(xiàn)有的實驗教學平臺設計的思想和方法，實踐上為高等院校實驗教學規(guī)劃制定和實驗教學實施提供參考依據(jù)。

1 電氣自動化開放實驗教學平臺硬件建設

電氣自動化開放實驗教學中心由多個專業(yè)實驗室構(gòu)成，共同完成實踐能力培養(yǎng)。

（1）PLC控制技術(shù)實驗室。用于完成“可編程序控制器技術(shù)”和“伺服運動控制技術(shù)”等實驗，主要設備是可編程序控制器訓練裝置、工控機、顯示屏和變頻器等。

（2）過程控制系統(tǒng)實驗室。用于模擬工業(yè)現(xiàn)場過程控制實際，可進行溫度、壓力和流量等變送器的應用實驗。主要硬件設備包括高級過程控制裝置和數(shù)字示波器等。

（3）測試測量與控制實驗室。測控是自動化系統(tǒng)的核心和靈魂，用于學生掌握傳感器的組成結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換電路原理。主要硬件設備包括傳感器實驗儀和信號發(fā)生器等。

（4）繼電保護實驗室。用于電力系統(tǒng)繼電保護方面訓練，測試電力系統(tǒng)故障和危及安全的異常工況。主要硬件設備包括電流繼電器、防護繼電器和單相調(diào)壓器等。

（5）電子設計自動化實驗室。培養(yǎng)學生在電子設計自動化與數(shù)字系統(tǒng)設計等方向的基本實驗技能。主要硬件設備包括電子設計自動化實驗箱及配套設備和儀器儀表。

（6）變電站綜合自動化實驗室。用于完成線路保護類實驗、線路設計類實驗、變壓器設計類實驗和電容器組保護類實驗等。主要硬件設備是變電站自動化實驗系統(tǒng)。

（7）智能電網(wǎng)技術(shù)實驗室。用于完成從輸電、變電、配電到用電的各個環(huán)節(jié)的實驗，包括智能化電網(wǎng)調(diào)度和電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理等。主要硬件設備是電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置。

（8）電力電子技術(shù)實驗室。用于完成單相整流電路、三相整流電路、單相交流調(diào)壓電路和單片機數(shù)字觸發(fā)電路等實驗。主要硬件設備是電力電子技術(shù)實驗臺。

2 電氣自動化開放實驗教學平臺軟件建設

實驗平臺建設包括軟件建設和硬件建設，硬件都是比較成型的設備，硬件技術(shù)更為成熟和穩(wěn)定，與硬件相比，軟件建設較為復雜。本文研究的平臺軟件建設包括四方面內(nèi)容：第一，開放實驗教學平臺用戶分析。主要包括學生、教師和管理員等三類用戶，學生使用平臺完成實驗，教師通過平臺指導實驗，管理員負責平臺的運行和維護。第二，開放實驗教學平臺業(yè)務流程。每類用戶具有不同的操作流程。以學生用戶為例，包括選擇實驗項目、提交實驗方案、預習實驗內(nèi)容、預約實驗室、進行實驗操作、提交實驗結(jié)果和查看評價結(jié)果等。第三，開放實驗教學平臺架構(gòu)設計。采用目前最為流行的MVC三層架構(gòu)模式進行設計，表現(xiàn)層完成用戶與系統(tǒng)間的信息交互，應用層用于負責具體的業(yè)務處理，數(shù)據(jù)層完成表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)庫的輸入和輸出。第四，開放實驗教學平臺功能設計。功能是軟件應具有的效能和作用，軟件目標要通過軟件功能來表達和實現(xiàn)，軟件功能也是軟件呈現(xiàn)給用戶的直接效果。功能設計結(jié)果如圖2所示。

圖2 電氣自動化開放實驗教學平臺功能

3 電氣自動化開放實驗教學平臺應用策略

加快實驗教學改革和實驗室建設，促進優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學水平和教育質(zhì)量，開放實驗的作用和地位日益顯現(xiàn)，開放實驗教學平臺應用，培養(yǎng)了學生的獨立工作能力、提高了學生的擇業(yè)能力、發(fā)展了虛擬實驗教學、提高了實驗室管理水平，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。除了加強硬件建設和軟件建設外，還需要運用創(chuàng)新策略，保障實驗教學平臺運行。本文提出的應用策略如下：

（1）制定嚴格可執(zhí)行的規(guī)章制度和管理辦法。針對教師制定考核制度和指導原則；針對學生制定使用規(guī)定和操作規(guī)程；針對管理員制定設備儀器維護和管理辦法。

（2）建立實驗教學質(zhì)量的監(jiān)控和評估機制。開放實驗教學提高了學生的自主性，但也必須加強管理，對學生的實驗過程進行監(jiān)控，對學生的實驗結(jié)果進行評估。

（3）加強開放實驗教學師資隊伍建設及管理。開放實驗教學離不開教師的指導，要建設穩(wěn)定的教師隊伍，不斷提高專業(yè)教師素質(zhì)，同時注重雙師型教師培養(yǎng)。

（4）創(chuàng)新開放實驗室文化輔助開放實驗教學。通過實驗室文化建設可以加強凝聚力，創(chuàng)造和諧氣氛，形成一個良好的工作環(huán)境，提高參與開放實驗師生的凝聚力。

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