“遞進式”電氣工程專業(yè)實踐教學(xué)改革

沈海軍， 孫 佳， 齊文娟， 徐青菁， 曼 納

(1.上海交通大學(xué) a. 后勤保障中心，b. 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240; 2.新疆特種設(shè)備檢驗研究院；烏魯木齊 830011)

0 引 言

電氣工程實驗教學(xué)中心起源于我校電機系實驗室，近年來，隨著電氣學(xué)科領(lǐng)域的擴展及電力技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣工程實驗教學(xué)中心已從原有的傳統(tǒng)型實驗室轉(zhuǎn)型為集電機與電器、電力電子、高電壓絕緣、電力系統(tǒng)等專業(yè)為一體的綜合性教學(xué)實驗中心，秉承了以人才培養(yǎng)為根本任務(wù)與主要目標的原則，為國家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的電氣工程學(xué)科專業(yè)人才。經(jīng)過積極探索與開拓創(chuàng)新，中心以強電行業(yè)為依托，以學(xué)生實驗與實踐教學(xué)為重心，構(gòu)建了具有“遞進式”綜合性以及電氣工程學(xué)科特色的實踐課程體系，致力于培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力的電氣工程學(xué)科高層次人才[1-3]。

1 構(gòu)建電氣工程實踐課程體系

實踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)方案的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。電氣工程及其自動化專業(yè)是一門實踐性、應(yīng)用性很強的學(xué)科，為了保持與工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀同步教學(xué)，大多數(shù)專業(yè)課程都需要通過適量的實踐活動來培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標和要求，電氣工程實驗教學(xué)中心構(gòu)建了“遞進式”的實踐教學(xué)體系，將實踐課程遞進為課程實驗、綜合實驗、課程設(shè)計以及實踐創(chuàng)新4個層次(見圖1)。實踐課程安排由簡入深，循序漸進，逐層深化，使學(xué)生以理論知識為基礎(chǔ)，通過一定的綜合性實驗梳理知識體系，掌握獨立進行工程設(shè)計的技能，從而在工程實踐創(chuàng)新項目中激發(fā)創(chuàng)新潛能[6-8]。

圖1 電氣工程實踐課程體系

1.1 課程實驗

課程內(nèi)實驗作為基礎(chǔ)實驗，目前仍以驗證性為主，電氣工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程都配有課內(nèi)實驗，主要面向大三的本科生，實驗在10個學(xué)時左右，根據(jù)理論課程的進展情況安排實驗進度。開設(shè)課程實驗的目的是為了讓學(xué)生對課內(nèi)學(xué)習(xí)的理論知識有一個實體性了解，將通過理論計算得出的數(shù)據(jù)在實際模型上加以驗證，加深對知識點的理解。現(xiàn)階段，在提倡綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的教學(xué)手段獲得了更多關(guān)注與應(yīng)用的同時，這類實驗在實踐課程體系中的比重會相應(yīng)降低，但課程實驗作為基礎(chǔ)教學(xué)的有力輔助手段，其基礎(chǔ)性、驗證性仍是實驗教學(xué)不可或缺的重要組成部分。

為了提高課程實驗教學(xué)效果，調(diào)動同學(xué)的積極性，避免單純的機械式的實驗操作，實驗中心在實驗教學(xué)中采用了資源開放共享、實驗內(nèi)容拓展、驗收項目細化等一系列措施。中心網(wǎng)站提供了課程實驗相關(guān)的教學(xué)大綱、實驗指導(dǎo)書、課件和教學(xué)視頻以及實驗裝置、實驗儀器說明書等一系列資料(見圖2)。學(xué)生可以在網(wǎng)

圖2 課程實驗教學(xué)視頻

站上提前熟悉實驗設(shè)備、流程和儀器操作方式，并對相關(guān)實驗內(nèi)容進行預(yù)習(xí)。同時積極探索傳統(tǒng)實物實驗和仿真實驗相結(jié)合的手段，增進對理論知識的理解和應(yīng)用，如simulink仿真、電機電磁場有限元計算等，進一步提升實驗效果。教學(xué)過程中，除了驗證理論之外，針對實驗中出現(xiàn)的和理論不太符合的現(xiàn)象，設(shè)計相關(guān)的思考題，引導(dǎo)同學(xué)認識到現(xiàn)實和理想模型的差異和原因，為后續(xù)進行相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。為使同學(xué)養(yǎng)成規(guī)范安全的實驗操作習(xí)慣，實驗結(jié)束后教師會針對儀器、儀表、操作步驟等進行檢查，檢查合格后方能簽到，部分檢查內(nèi)容見表1。

表1 課程實驗檢查表

1.2 綜合實驗

綜合實驗作為前期學(xué)習(xí)的總結(jié)性實驗，由實驗教學(xué)中心獨立授課，其中60個學(xué)時全部在實驗室完成。根據(jù)電氣工程的二級學(xué)科方向，共設(shè)有5門綜合實驗課程。電力系統(tǒng)應(yīng)用綜合實驗和運動控制綜合實驗開設(shè)在大三下學(xué)期，電氣系統(tǒng)綜合實驗、電氣設(shè)備綜合實驗、電氣控制綜合實驗開設(shè)在大四上學(xué)期。本科生需要在開設(shè)綜合實驗的每個學(xué)期均要選擇一門實驗進行學(xué)習(xí)。綜合實驗引入RTDS電力實時數(shù)字仿真系統(tǒng)、微芯高/低壓電機控制板等業(yè)內(nèi)最新平臺，要求學(xué)生以團隊的形式，2～3人一組，動手實踐，進行綜合性的系統(tǒng)構(gòu)建。目的是讓學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，將分散的知識點整合為完整的知識體系，掌握系統(tǒng)模型的建立，熟悉軟硬件的聯(lián)合調(diào)試方法，圖3所示為RTDS距離保護系統(tǒng)模型圖。通過兩學(xué)期綜合實驗的訓(xùn)練，學(xué)生基本上建立了系統(tǒng)的概念，會利用已有的軟硬件平臺實現(xiàn)自己預(yù)期的功能，培養(yǎng)初步的團隊協(xié)作意識。

圖3 RTDS距離保護系統(tǒng)模型圖

1.3 課程設(shè)計

課程設(shè)計作為系統(tǒng)性和設(shè)計性較強的實驗課程，分別開設(shè)在大三下學(xué)期及大四上學(xué)期。每門課程會提供幾個適合的題目供學(xué)生選擇，學(xué)生需要在64個學(xué)時之內(nèi)完成所選題目，提交包括軟件程序及硬件系統(tǒng)在內(nèi)的完整設(shè)計作品。為了達到新工科人才培養(yǎng)的目標，課程設(shè)計的選題、作品性能指標以及經(jīng)濟指標，都緊跟市場主流產(chǎn)品。學(xué)時分配大體為4學(xué)時在教室完成，布置設(shè)計題目，歸納完成設(shè)計所需的知識體系結(jié)構(gòu)，講解設(shè)計過程中的注意事項。其余60學(xué)時在實驗室進行，需要完成軟件代碼設(shè)計、元器件選型、硬件原理圖、PCB繪制及制版、電路焊接及調(diào)試、報告撰寫，最終提交作品及詳細的設(shè)計報告。課程設(shè)計作為系統(tǒng)性的設(shè)計實踐課程，采用任課教師引導(dǎo)、實驗室教師輔助、學(xué)生自由組建團隊來完成的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，促進學(xué)生為了達到工程目標，進行主動學(xué)習(xí)。使學(xué)生對工程設(shè)計理念有深入的體會，形成明確的合理分工及相互協(xié)作的團隊意識，真正掌握設(shè)計過程中運用到的知識點。通過課程設(shè)計的訓(xùn)練，學(xué)生初步具備了電氣工程師的設(shè)計能力，能夠利用團隊完成一個小型的電氣設(shè)計作品，為培養(yǎng)高層次的電氣專業(yè)人才奠定了基礎(chǔ)。

1.4 實踐創(chuàng)新

實踐創(chuàng)新是提升學(xué)生創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，包括工程實踐與科技創(chuàng)新課程、PRP項目、大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目、生產(chǎn)實習(xí)幾個模塊。工程實踐與科技創(chuàng)新主要面向大三下學(xué)期及大四上學(xué)期的本科生，學(xué)時為32學(xué)時。該實踐課程由電氣實驗教學(xué)中心獨立開設(shè)，給學(xué)生自由創(chuàng)新的發(fā)揮空間，學(xué)生可以自由組隊，利用實驗室提供的器件與設(shè)備，發(fā)散思維，和傳統(tǒng)課程實驗、綜合實驗以及課程設(shè)計不同的是，同學(xué)可以自由設(shè)計題目，通過查閱資料獲得技術(shù)支持，將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實作品。PRP項目與大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目也是實踐創(chuàng)新模塊的重要組成部分，由學(xué)校教務(wù)處統(tǒng)一管理，學(xué)生以個人或團隊形式提交立項申請，通過立項審核的項目學(xué)校會給予配套的經(jīng)費支持，學(xué)生可根據(jù)項目需要購置器件與設(shè)備。對于基于實驗教學(xué)中心立項的項目，實驗教學(xué)中心會提供給學(xué)生開放的實驗室和設(shè)備資源，實驗室教師配合指導(dǎo)，項目周期根據(jù)難易程度設(shè)置為半年或1年。生產(chǎn)實習(xí)作為即將進入大四的本科生必修課，為學(xué)生提供了與電氣相關(guān)企業(yè)接觸與交流的機會，讓大學(xué)生走進企業(yè)，親臨實地了解電氣行業(yè)的運作流程及生產(chǎn)狀況，感受不同企業(yè)文化所構(gòu)建的工作氛圍。實習(xí)的形式也是多樣化的，可以根據(jù)企業(yè)和學(xué)科對學(xué)生培養(yǎng)的要求進行定制，以求達到“雙贏”。

幾種不同形式的實踐創(chuàng)新模塊，從不同方面激勵了學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合性創(chuàng)新能力。經(jīng)過實踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)具備了電氣專業(yè)的獨立設(shè)計能力，承擔項目的統(tǒng)籌能力，團隊建設(shè)的組織能力[9-15]。圖4～6所示為同學(xué)在工程實踐與科技創(chuàng)新課程中設(shè)計的作品。這些作品從方案設(shè)計、模型搭建和控制實現(xiàn)均由同學(xué)獨立完成。圖7所示為實驗中心近年來的部分PRP和大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目，這些項目緊跟當今技術(shù)主流，通過項目訓(xùn)練，學(xué)生的實踐能力和科研能力得到很好的鍛煉。

圖4 太陽能發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)

圖5 姿態(tài)同步器系統(tǒng)

圖6 摩天輪控制系統(tǒng)

圖7 部分PRP和大學(xué)生創(chuàng)新項目

2 實驗課程體系改革取得的成績及思考

電氣工程實驗教學(xué)中心自2009年教改至今，為電氣專業(yè)本科生提供了良好的實驗環(huán)境及優(yōu)質(zhì)的實驗條件，中心構(gòu)建的“梯進式”實驗教學(xué)體系自運行以來，深受學(xué)生好評，為電氣行業(yè)培養(yǎng)了大批的優(yōu)秀人才。循序漸進的培養(yǎng)模式大大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在遞進的實踐體系中逐步得到自我肯定，獲得累積的成就感，使每一位同學(xué)都建立了多樣的創(chuàng)新意識。在實踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)涌現(xiàn)了一系列優(yōu)秀學(xué)生作品，在國家級和上海市的各類科技競賽中都取得了優(yōu)異的成績，一些學(xué)生作品最終轉(zhuǎn)化為成熟的工業(yè)產(chǎn)品和實驗教學(xué)設(shè)備，受到了業(yè)界的一致好評。

實踐教學(xué)在傳統(tǒng)觀念中一直處于教學(xué)輔助的地位，但實踐證明，完善的實踐課程體系在工程類學(xué)科尤其是電氣工程專業(yè)的教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，是高層次人才培養(yǎng)的主要實現(xiàn)環(huán)節(jié)之一。教學(xué)實驗室作為本科生實驗課程與創(chuàng)新實踐活動的主要基地，應(yīng)該獲得與其作用相符的地位，得到高校教學(xué)領(lǐng)域的重視。

3 結(jié) 語

電氣工程實驗教學(xué)中心將以培養(yǎng)適應(yīng)科技進步發(fā)展需要的高質(zhì)量電氣工程技術(shù)人才為目標，進一步加強實驗及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、完善教學(xué)體系，著力提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和工程創(chuàng)新能力，力爭培養(yǎng)更多創(chuàng)新能力強、適應(yīng)行業(yè)需求快的優(yōu)質(zhì)電氣工程師。