CDIO模式下綜合實驗平臺的校內實習實訓課程探討

唐蕓　李振興　翁漢琍　李飛　趙平

[摘 要]隨著教學方式的不斷改進、高校學生的不斷增多，傳統的校外實習和實訓的短板愈加明顯。為了改善這個問題，課題組從創新理念、優化方案及創新教學三個層面進行研究，分析了基于CDIO教育模式的校內實訓機制、基于實習實訓平臺的自主實訓設計、遵從電力安全規范的獨立自主實訓實操以及基于C-PMBOK項目管理模式的實訓過程管理體系等，旨在建設動模—數模聯合仿真的電氣工程專業校內實習實訓平臺，為提高學生的動手能力以及提升實習課程質量提供新思路。

[關鍵詞]動?！獢的Ｂ摵戏抡?CDIO教育模式;實習實訓平臺建設;教學改革

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）04-0054-04

近些年來，高校的傳統實習實訓模式出現了許多短板[1-2]，主要體現為：校外實習實訓的代價很高，但是學生動手操作的機會非常少。校外實習實訓具有很強的分散性，難以對學生進行集中有效管理;校外實習實訓任務性質復雜，會有許多限制，學生之間難以系統地協調配合。為了改善這種現狀，許多高校都提出了解決方法。例如將集中實習與分散實習相結合、校外實習與校內實習相結合、生產實習與綜合設計相結合以及生產實習與畢業設計相結合的實習模式[3];由學生根據自身的就業需求、興趣等情況自主聯系實習單位，在規定時間內完成生產實習教學要求的生產實習模式[4]。但是這些實習方式也都具有一定的局限性，只能有限地增加學生的動手機會和培養學生的自主思考能力。

最近幾年，CDIO工程教育模式是高等院校工科專業進行教育改革的方向。探索工程科技和管理人才的培養模式，已經成為當今工科教育的發展趨勢[5]。三峽大學電氣與新能源學院為了有效實施“卓越計劃”，結合CDIO培養模式在校內建成了多個實驗平臺，可開展包含本專業主要核心課程和能力要求的項目，并將其完整地、前后銜接地貫穿于整個本科教學階段。

一、校內實習實訓平臺的主體框架

CDIO理念的本質是以構思、設計、實施和運作產品、過程或系統作為工程教育的環境[6]，對學生的自我學習能力、工程能力、團隊合作能力等進行培養，重視應用型、技能型高素質人才的培養。三峽大學“卓越計劃”重在激發學生學習實踐潛能與興趣，加強學生工程意識的培養，提升學生的工程素養，培養學生工程實踐能力、工程設計能力、工程管理能力和創新能力，同時尊重學生個性發展。因此，可以說“卓越計劃”與CDIO理念的目標一致?；诖?，三峽大學電氣與新能源學院針對傳統實習的弊端，展開了一種以創新性人才培養為目標的校內實習實訓的教育模式研究。這種教育模式的基本框架如圖1所示，具體的思路為：首先根據現行的實習實訓模式進行系統分析與問題總結，然后根據問題導向將模式研究與過程管理進一步完善，最后用完善的新模式、新內容來改進校內實訓平臺。同樣的，也可以利用更加完善的校內實訓平臺對模式研究和過程管理進行優化設計，進而達到解決問題的目的。

模式研究和過程管理中涉及模式創新、內容創新和管理創新這三種創新方式，這三者為循序漸進的關系，即在進行校內實習實訓平臺建設時，應該先進行模式創新，再考慮內容與管理層面的創新。

二、基于CDIO教育模式的校內實訓機制

通過對比分析傳統校外實習實訓模式與基于CDIO理念的校內實訓模式的區別，在現有大平臺的基礎上，建立校內實習實訓平臺，能夠將基于“點”“面”的實訓模式貫穿于人才培養方案中，形成基于CDIO教育模式的校內實訓機制。圖2為基于CDIO教育模式的校內實習實訓整體構架框圖，圖中列出了幾種具體的實習實訓平臺。

（一）在CDIO教育模式下建模，驗證校內實習實訓的可行性

大學生的實習實訓既要面對專業工程實際，又要達到專業上崗前的綜合技能培訓要求。在CDIO教育模式下，從實訓內容、操作流程、操作規范、操作對象、物理現象與狀態監測等方面，對比分析校內實習實訓的規模、難度與工程實際的差別，基于實訓構思、內容設計、實操實現和平臺運作等具體化指標，建立實習實訓目標達成度模型，論證校內實習實訓的可行性。

（二）利用現有平臺，建立校內實習實訓系統構架

傳統的實驗平臺一般是在具體的實驗方案指導下完成相關內容，注重理論性，缺乏工程實踐操作，同時學生也缺乏自主創新能力，專業技能差。在CDIO教育模式下，利用現有的平臺，建立能夠滿足校內實習實訓的整體架構，可以靈活、便利、綜合地反映電氣工程專業人才培養體系理論知識和工程實際特點，具有可發展性，既有能夠貫穿于專業課程理論驗證的實訓，又有能夠滿足專業技能系統化的實訓。

（三）將校內實習實訓與人才培養相關聯

工科院校的工程教育是培養大學生行業適應能力和社會競爭能力的活動。人才培養方案應當關注工程實踐能力的鍛煉[7]。校內實習實訓改變了傳統實訓模式，因此在制訂人才培養方案時，必須改變傳統實訓要求。這時可以建立“點”“面”實訓模式：課題研究在面向專業理論學習過程和技能成長時，構建“點”實訓模式及要求;在面向專業系統化理論指導和綜合技能考核時，構建“面”實訓模式及要求。

三、基于實習實訓平臺的自主實習實訓設計

在自主設計實習實訓流程前，首先要通過電機學、電力系統分析、電氣主接線、電力系統繼電保護、電力系統自動化、畢業設計等不同課程構建實習實訓依據，并基于CDIO教育模式，讓學生自主分組與設計實訓內容。自主實習實訓設計的側重點應放在實習實訓平臺上。在選定實習實訓任務后，首先要進行實習實訓設計和理論分析，并分配人員任務，然后進一步預設事故，分析安全與緊急控制方案，搭建仿真分析平臺，驗證實習實訓方案的可行性，最終提交實訓方案予以審核。教師要對學生設計的實習實訓方案提出建議，針對難點開展分析討論，審核設計實習實訓方案，并引導學生創新。具體流程如圖3所示。

（一）自主設計不同培養階段的實習實訓內容

校內實習實訓可以不局限在畢業設計階段，可按照學生的培養階段以及基礎水平的不同，將學生分為不同的小組，每一組設計不同的實習實訓目標和內容。這種方法可以充分發揮學生的主觀能動性，做到因材施教，提高學生的自主創新能力，使學生充分了解實習實訓平臺，并根據課程實踐任務或者畢業實習實訓任務設計實習實訓內容。負責實習實訓的教師不需要進行過多的理論知識的講解，其工作重點應轉移到實際難點問題解決和引導創新等方面。學生在實習實訓理論與實踐相互印證的過程中，可以增強與隊友的溝通合作能力、個人項目管理能力和團隊協調能力等綜合能力。

（二）驗證自主設計實習實訓內容的可行性

實訓設計最終需要通過平臺的實際操作來驗證，在開展實操前，首先要借助掌握的理論知識開展系統分析與理論計算，并能夠借助MATLAB、PSASP、PSCAD等仿真軟件進行仿真驗證。不同課程和培養階段的實習實訓內容不同，因此理論分析的要求、過程和結果均應適應發展，例如電機學應驗證發電機/變壓器的參數與運行，電力系統分析需要驗證系統潮流、靜態穩定性和動態穩定性。不同實習實訓內容需要驗證不同的參數來判定自主設計的實習實訓是否可行。如果理論分析與仿真結果一致，可以初步判定實習實訓設計可行;否則，需要進一步分析實習實訓中存在的問題，然后進行修正，直到達到一致。

（三）預設實習實訓問題，提出安全與緊急控制方案

電力系統是一個動態的系統，在實際的操作過程中，可能會發生與方案不一致的運行方式，或者存在系統故障。在此情形下，為了避免系統運行崩潰或設備損壞，必須采取緊急控制方式。緊急控制方式即針對實習實訓設計的內容，假設系統初始設定的參數導致系統出現潮流逆送或存在短路點、發電機脫網、斷路器失靈、二次設備故障、通信網路中斷等特別情況而提出安全與緊急控制方案。基于此，當系統運行出現不正?；蛘吖收蠣顟B，緊急控制方式能夠使系統快速得到控制與保護，使設備不損壞、系統穩定運行，最終達到實習實訓目標。

四、遵從電力安全規范的獨立自主實訓實操

電氣工程及其自動化專業包含很多二級專業，隨著現代電力系統的發展，實際電力工程又開發出許多課程教學沒有涵蓋的設備。學生通過實際操作和練習，可以鞏固所學的知識、獲得更多的知識，并反過來用這些知識指導理論學習。這種實操設計—實操練習—理論分析與仿真驗證—優化實操設計的閉環模式，亦可大大提高實操的鍛煉效果。在電力安全規范的約束下，自主設計實訓實操的流程如圖4所示。

（一）結合實際電力工程安全要求，設計實訓實操流程

電力工程的建設過程中，安全問題貫穿始終，若工程中存在質量問題或安全問題，將會對電力行業的發展產生非常大的影響[8]，因此在設計實訓實操流程時，需要結合實際電力工程安全的要求。在設計實訓實操方案時，在實習實訓平臺上，應首先設計符合方案的實操拓撲。然后回顧理論知識與操作要求，并且對比分析電力工程實際運行維護與理論學習的區別，以此引導學生創新性思考與設計規劃，加深對理論知識的掌握。最后，結合實際電力工程運行與安全規范，在實習實訓平臺構建的拓撲上設計實訓實操流程。

（二）建立多人實訓的協同工作機制

一個完整的實訓實操的工程量非常大，單憑一個人的力量是很難完成的，一般需要多人協同配合才能完成。教師應根據實操實訓工作，模擬各個電力部門的職能，將項目進行任務分工，然后根據小組同學的特點分配任務。在分析實際運行與操作流程的基礎上，要建立多人實訓的協同工作分配與運行機制：將參加實訓的人員分成若干小組，不同小組在實操實訓過程與管理中共同參與、相互協調、相互配合，共同完成實操的協同管理。

（三）開展結果分析與理論驗證，并據此優化實訓

在實操結束，完成實操報告的過程中，應首先結合實操結果，開展理論分析，驗證實操結果：進一步在仿真模型上結合實際參數進行仿真驗證，并通過驗證分析，發現實操中存在的問題;通過仿真平臺，復現實操中存在的問題，并進行理論分析，進一步論證實操設計中存在的問題。如此反復進行理論分析和仿真驗證，找出實操中存在的錯誤，并據此優化實訓內容與實操設計，在允許的條件下開展二次實操驗證。

五、基于C-PMBOK項目管理模式的實訓過程管理

在培養學生的實驗能力，促進我國科研領域的發展等方面，實訓室提供著重要保障，而為了實現其健康穩定發展，則需要對管理工作做進一步強化[9]。C-PMBOK指的是中國項目管理知識體系指南，C-PMBOK的特點為：在與國際接軌的同時突出了中國特色;以項目生命周期為主線，采用模塊化結構，系統地介紹了項目管理學科的框架、項目管理知識以及常用方法和工具，并把項目上升為一種面向對象的管理方法論[10]。在校內實訓實操的管理過程中，項目組采用了基于C-PMBOK的項目管理模式，如圖5所示。從實訓準備開始，就算進入了實訓環節，也就算進入了考核狀態，即進行動態的實驗室管理、動態的實訓評估。學生一旦考核不合格，則可以選擇重新實訓或者重新選題。

（一）合理分解實訓項目，提出相應的管理目標

高校實訓室的管理是一個系統工程，是一個項目整體，同時又具有多目標、多層次的系統結構。實操設計本身采用協同工作機制，因此需要把一個實訓項目合理劃分為多個子項目。每個子項目都可以進行進一步的任務細化分配，并且每個任務都有量化標準。實訓任務是按邏輯順序逐層實施的，這樣便于實訓組織中的成員確定自己的任務、實訓承諾和工作責任，從而為項目控制和成績考評形成評估基準。參與實訓的每一位學生都要提交最小交付成果，所有人的成果匯總后可以作為總的實訓結果。

（二）建立開放性實訓動態過程管理機制

開放性實驗室管理是指實訓室在完成日常教學任務后，利用空余時間向學生開放。開放的時間、開放的設備、開放的內容、開放的指導、開放的管理、開放的培養給學生提供了一個開放包容的實習空間，更加有利于學生獨立自主意識的培養。在提前預約的情況下，學生可以根據自己的學習狀況，到實訓室完成課內實驗、實訓項目或者課程的延伸項目，也可以完成自主設計的實驗。

（三）建立適用于實訓的新型考核與評估機制

在C-PMBOK項目管理模式下，實訓體系應包括有效的考核與評估機制，實訓考核應牢牢抓住C-PMBOK項目管理的核心——模塊化的可交付成果，這樣才能真正有效地控制和管理實訓項目。校內實訓教學的評估機制主要考查學生的五項關鍵能力：解決問題能力、溝通協作能力、職業素質和態度、專業知識基礎、個人技能與經驗。根據培養目標規定每項能力的比重，并通過學生實訓環節中的關鍵活動表現來對關鍵能力進行量化。通過考試、考核以及互評等評估方式，再乘以不同的權重，就可以得到每名學生的總成績。

六、結語

對于電氣工程及其自動化專業來說，傳統的校外實習和實訓所能獲得的知識與實踐經驗非常有限。為了解決這個問題，三峽大學研究了一系列解決辦法：建設基于CDIO的教育模式和動模—數模聯合仿真實習實訓平臺，總結出一套創新的校內實習實訓模式，建立配套的校內實訓實操平臺。在這種新的實習實訓模式下，學生可以培養獨立自主的意識，增加動手操作的機會，提升協同合作的能力，可以在實習中真正有所收獲，這符合高素質人才培養的需要。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張宏.電氣自動化實訓的任務及意義[J].職業，2007（15）：89.

[2] 薛冬梅.淺談高校實習實訓基地建設[J].當代教育實踐與教學研究，2019（22）：166-167.

[3] 卜飛飛，王世山，黃文新.專業認證背景下電氣工程專業實習改革[J].電氣電子教學學報，2015（6）：80-83.

[4] 黃學良，張炎平，吳在軍.電氣工程專業生產實習模式的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2011（S1）：54-58.

[5] 金濤，高德勇.基于CDIO工程教育創新型人才培養模式的研究[J].成功（教育），2013（2）：140.

[6] 張熠，曹林.基于CDIO理念的電子信息類實踐項目設計[J].實驗室科學，2015（3）：155-157，160.

[7] 郝尚富，徐婷.工科院校大學生校內實習質量保障的實踐[J].智庫時代，2020（7）：222-223.

[8] 古滿紅.電力工程安全管理的重要性及有效對策[J].中外企業家，2020（17）：59.

[9] 司徒榮鋒.探析高校實訓室建設現狀與管理模式[J].建材與裝飾，2020（19）：172，174.

[10] 中國“雙法”項目管理研究委員會.中國項目管理知識體系（C-PMBOK2006）[M].北京：電子工業出版社，2006.

[責任編輯：鐘 嵐]