工程教育專業認證下電工電子技術綜合性實驗項目改革

彭莉峻， 韓 行

(西安建筑科技大學 電工電子技術實驗中心， 西安 710055)

0 引 言

我國開展工程教育認證工作10年來，對構建我國高等工程教育質量保障體系，推動高等工程教育改革，提高工程教育質量發揮了重要作用。高校通過認證各工科專業，為經濟全球化背景下工程教育類學生獲得國際認可，進行跨國流動，走向世界打下基礎[1]。工程教育認證標準更加重視學生綜合運用科學知識和技術手段解決復雜工程問題的能力[2]，強調培養學生創新意識，運用深入的工程原理進行自主設計、開發的能力，在多學科背景下的團隊中承擔個體角色并發揮個體優勢，承擔團隊成員并發揮團隊協作精神等能力，這些要求也明確了高校實驗實踐教學環節的目的、意義和重要性[3-6]。

電工電子技術一直以來廣泛應用于生產生活各領域，是現代工程裝備必不可少的一部分，是創新性工程技術人員必須掌握的一門技術。在高等教育環節中，其對應的電工電子技術類實驗、實踐訓練課程，作為理論教學的延伸，對于我校非電類工科專業的學生是一門必修的電類基礎實驗課，且該課程面向的是未經過專業實驗基礎訓練和實驗技能經驗較少的二年級學生，因此，本課程具有實驗技能入門和專業實驗能力培養以及科學的實驗思維和素養培養等多重作用，也是各專業工程教育認證標準中重要考察指標之一[7]。

面向我校工科非電類各專業開設的電工電子技術實驗課程涵蓋面非常廣，包括電路分析技術、模擬電子技術、數字電子技術以及電機控制技術、現代傳動技術等內容。我校電工電子技術實驗中心于2014年將該課程傳統隨理論課開設模式改革為獨立設課模式，在多年教學手段、教學模式豐富積累的基礎之上，通過教、科研成果轉化、自制實驗設備等手段[8-11]，針對課程基礎性、通用性和專業特色性的特點，對實驗內容和實驗項目的開設進行了與時俱進的改革，使其向可持續的方向發展，充分支撐各專業認證的各項指標要求。

1 傳統實驗教學內容中的問題

電工電子技術實驗課程課堂總學時為16學時，其中驗證性實驗項目所占比例為62.5%，綜合性實驗項目為37.5%。固定的實驗步驟和實驗內容，有助于學生掌握電工測量儀表和電子儀器正確的使用方法、電工技術操作規范、各類功能電路的設計與應用技能等，但隨著工程認證教育的要求不斷提高，傳統的實驗開展方式，很難完成對工程認證各項指標和達成度的支撐。以我校機械設計制造及其自動化專業工程認證對電工電子實驗課程提出的3個指標點為例，指標點要求學生通過實驗課程的學習，能對機械工程相關的各類物理現象進行研究和實驗驗證；能基于科學原理并采用科學方法對機械機構、部件、系統設計可行的實驗方案；能根據實驗方案構建實驗系統，并進行實驗。而傳統的電工電子技術實驗一方面實驗內容本身側重于原理的驗證和對現象的物理解釋，實驗環境理想、封閉，學生可以很快完成實驗，但思考空間很小，實驗訓練與實際應用結合程度低，例如學生無法通過實驗直觀的認知同一圖形符號下，不同功率值的電阻、電感等元件在在應用上的差異，導致在進行相關專業課的相關設計任務時，無法科學、合理、完整的進行器件選型、線路規劃。另一方面，實驗項目及內容之間獨立性強，學生無法成體系的掌握所學的實驗技能和方法，更無法做到系統的設計與之專業背景相關的實驗系統，甚至用以解決工程應用問題。

2 改革思路

實驗中心根據工程認證對實驗課程各項指標點的要求，對照創新創業教育改革意見，利用綜合性實驗項目的特點，發揮獨立設課的優勢，從強調實驗的科學及工程應用背景，強化學生工程服務意識、具備系統工程實踐能力為出發點，在電工技術基本操作規范基礎訓練上，著重電工電子技術服務于專業領域能力的培養，針對綜合性實驗項目進行重新規劃和改革。

首先將綜合性實驗項目比重增至62.5%，實驗內容不再局限于傳統單一、孤立層面知識點的小綜合性項目，如集成運算放大器的應用-多種信號發生及轉換電路等內容，轉而突出電工電子技術課程所涵蓋的知識面及內容間的連貫性、整體性和系統性[12]，開發“四個結合”的大綜合性實驗項目，即將電工電子實驗教學中的理論與實踐、虛擬實驗與實物實驗、電子線路與電氣控制、傳統接觸器繼電器控制與現代電氣控制技術有機的結合起來，有層次的完成從單一技術知識點到基本實驗技能再到工程技能的轉化。整合實驗中心現有設備資源進行改造，結合教師課程建設、科研成果，豐富教學內容，保證實驗的科學性、先進性。自制全面開放的實驗設備，營造與工程現場相似的實驗環境，層層滲透工程意識，處處體現工程觀念，增強學生感官體驗。通過實驗技能的訓練，培養學生在團隊合作中，針對專業背景下的某一工程應用問題能夠科學、有序的設計實驗系統，開發、實現實驗裝置，解決應用中出現的工程問題的能力。

3 綜合性實驗項目開發

以改革思路為指導，結合我校各工科非電類專業特色，依據行政班級平均人數及課內有限學時要求，實驗中心充分融合教學大綱要求的各知識點，開發了多項具有工程實際意義綜合設計性實驗項目，例如面向機械制造及其自動化、機械電子工程等專業的雙變頻電機對拖實驗，面向環境工程、給排水工程等專業的多電機變頻群控及組態監控實驗，面向冶金、化工等專業的鎖相環頻率跟蹤串聯諧振式中頻感應加熱電源實驗等項目，通過這些實驗項目體現課程各知識點的工程應用價值。

3.1 綜合性實驗項目舉例

以雙變頻電動機對拖實驗為例，介紹改革后綜合性實驗項目的開展。

3.1.1實驗項目工程應用背景

雙變頻電動機對拖裝置廣泛應用于變頻器及電動機系統性能測試、共直流母線能量互饋系統研究、全控型整流器控制技術研究、變流裝置帶位能性負載能量回饋控制技術研究等方面[13-15]，是我校學科方向的研究內容之一，其涵蓋的知識面和工程應用要求非常適合用于學生進行工程意識、設計及綜合能力的訓練。該項目涉及的基本知識結構如圖1所示，充分體現電工電子技術課程中的“四個結合”。

圖1 雙變頻電動機對拖項目知識結構圖

3.1.2實驗項目設計目的

掌握三相異步電動機換向、調速的原理及實現方法；掌握變頻器使用方法和應用特點；掌握表征電機運行狀態的各項電氣參量的意義及測試方法；掌握信號發生電路的設計與應用；掌握實驗系統科學的設計方法、實施方案及步驟。

3.1.3實驗內容

(1) 掌握變頻器基本使用方法，掌握變頻器驅動電動機的基本原理，運行頻率、電動機極對數與電動機轉速之間的關系，完成電動機啟、停及調速運行的控制任務；

(2) 設計控制電路及主電路電氣控制圖，完成雙變頻電動機對拖實驗，被測電動機可周期性工作于電動和發電狀態，兩種狀態運行時間可調，且運行中兩臺電機可隨時切換為共直流母線運行狀態的功能；

(3) 根據設計圖紙搭建實驗系統，掌握電工測量儀表使用方法，并進行兩臺電機相關電氣參數的測量并根據數據分析電機的運行狀態。

實驗內容有效、完整的支撐工程專業認證的各項指標要求。

3.1.4實驗成員組成

每4或5名學生組成實驗團隊，根據實驗所需環節自行劃分設計任務，并提供教師任務明細表，以便教師考核。

3.1.5實驗實施過程

圖2 雙變頻電機對拖設計方案

圖3 負載變頻器運行狀態控制電路

3.1.6實驗結果

學生根據設計圖紙搭建實驗平臺(見圖4)，完成相關實驗內容并分析實驗數據。

為便于實驗效果觀察和數據測量，調節負載變頻器頻率變化周期為10 s左右，振蕩電路C=100 μF，電位器調整至R=62.6 kΩ，測量數據及電動機運行狀態如表1所示。

為保證實驗安全，電動機均在較低頻率運行。t1時間段內主電動機單機運行，t2、t3時間段為負載電動機單機運行；之后為兩電動機對拖運行狀態，t4時間段內由于負載電動機轉速大于主電動機，主電動機處于倒發電狀態，相應變頻器主流母線電壓明顯升高，反饋的電能經制動電阻以熱能的形式消耗；t5時間段負載電動機為倒發電狀態；閉合開關S1，兩電動機運行與共直流母線電壓，t6時間段內主電動機仍處于倒發電狀態，但由于制動產生的電能經直流母線進行了互饋，

(a) 雙變頻電動機實驗平臺

(b) 負載變頻器控制電路

f1/Hzf2/Hzn1/(r·min-1)n2/(r·min-1)UDC1/VUDC2/V主電動機運行狀態副電動機運行狀態t122-6606605160電動被拖動t2-137807800516被拖動電動t3-95405400516被拖動電動t42213780780628516倒發電電動t5229660660516624電動倒發電t62213780780516516倒發電(共直流母線)電動(共直流母線)t7229660660516516電動(共直流母線)倒發電(共直流母線)

直流母線電壓不再升高。

通過開展開放性強、涉及面廣，與工程應用相結合的大綜合性實驗項目，看似簡單的實驗結果，學生都必須經歷理解實驗內容和設計目標、完成實驗方案設計、實施、修改及實驗成果提交的完整過程，相較傳統單一知識點實驗項目，學生主動將多個知識點進行了串聯和應用，將抽象的概念有了向工程意識下實物性的轉化。例如在上述實驗中，讓學生明白信號發生電路的設計不僅是為了產生波形，更是怎樣合理的應用，電路中的各項參數是如何影響整個系統的運行效果；通過變頻器低阻值、高功率的制動電阻的選用，理解計算電阻功率的必要性，以及功率對元器件體積的影響等內容。

3.2 實際效果分析

將改革后的綜合性實驗項目應用于2014級各專業，根據實驗項目要求設計、搭建模擬生產現場狀況的實驗環境，取代傳統成熟的模塊化實驗裝置，展現課程知識點在工程實踐中應用特點和方法，取得了良好的教學效果。提高了學生系統的掌握和應用課程知識點，運用技術手段對工程應用問題進行系統設計的能力，敦促學生養成了查閱器件手冊，設計、搭建、調試電路，觀察實驗結果，更新設計等環環相扣、步步嚴謹的科研素養，并能夠根據實驗現象自主、科學的分析實驗結果，掌握了解決仿真實驗與實際實驗結果差異的問題的能力。由于改革后的綜合性實驗參與性強，實驗難度提高，學生對待實驗的主觀能動性、實驗過程的安全意識及對自我實驗技能的要求都得到了明顯的改善，學生之間也充分發揮了個人優勢及團隊組織協調能力。通過改革我校電工電子技術實驗綜合性實驗項目，達到了專業工程認證對該課程的提出的各項指標點要求。

4 結 語

傳統工科非電類專業電工電子技術實驗課程內容基礎性強、涵蓋面廣，但系統性較弱，未能突出對學生工程應用能力的培養等問題，以工程教育認證各項要求為標準，重新規劃開發了具有工程應用背景，強調“實物”意識的綜合性實驗項目，重點培養學生設計和實施工程實驗，運用技術手段解決工程問題的能力，為學生進行之后的專業課程奠定堅實的基礎。為達到更好的教學效果，更有利的支撐各專業進行工程認證工作，實驗項目和內容還將在實踐中持續更新和改進。