基于電氣工程的專業課程融合探索與實踐

盧森幸

（河池學院 人工智能與制造學院，廣西宜州 546300）

在信息經濟時代，人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術快速發展，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展。高校是我國人才培養的主要基地，在人才培養過程中，需要正確引導，充分調動，積極培養。

1 高校工科專業課程融合的重要性及其建設情況

為主動應對新一輪技術革命與產業變革，支撐服務國家創新驅動發展戰略，教育部積極推進新工科建設。2017 年，教育部提出新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展[1-3]。2017 年6 月，教育部辦公廳印發《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。

黨的二十大報告提出，要堅持教育優先發展、科技自立自強、人才引領驅動，加快建設教育強國、科技強國、人才強國，堅持為黨育人、為國育才，全面提高人才自主培養質量，著力造就拔尖創新人才，聚天下英才而用之[4]。新時代新要求，國家的發展與人才的培養密切相關。

目前，高校積極推進新工科建設，針對工程教育，提出改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，積極開展工程教育專業認證[5]，明確培養目標和畢業要求，建立“畢業要求－培養目標”對應矩陣，甚至細化到知識點，落實“課程目標與畢業要求的關系”“考核方式對課程目標的達成情況”。對學生知識、技能進行規范化教學和管理。但是，課程之間的融合力度不足，課程獨立性強，課程之間缺乏串聯性、系統化，導致學生知識和技能提升效率低、缺乏專業應用自信。

2 基于電氣工程的專業課程融合建設理念

針對電氣工程自動化專業，進行基于電力系統繼電保護（以下簡稱繼保）、設備自動化、PLC 控制技術及應用（以下簡稱PLC）、組態技術及應用（以下簡稱組態技術）等專業課程融合建設的探索與實踐，建立智慧教學平臺。通過這個平臺，實現電力系統及其設備自動化的繼電保護仿真、現場操作、遠程控制、電力系統保護管理。

每門課程的知識與技能可以獨立教學，同時可以實現課程之間知識與技能串聯化，面向電力和電氣工程自動化崗位知識和技能養成。利用平臺，可以串聯專業課程之間的知識和技能，做到前期學習的課程是后期學習課程的基礎，后期課程在實踐前期課程知識和技術的過程中進行學習，實現知識和技能深層消化，訓練實踐能力。面向新工科，做到專業課程融合、學以致用，用以促學，學用相長，提升學生專業自信。

課程注重崗位人文素養和科學的工作作風，培養具有扎實工程技能和實事求是科學作風的工程系統程序設計和項目實操復合型、創新型人才。

智慧教學平臺針對電氣工程及其自動化專業學生，面向新工科，聚焦專業的課程融合，瞄準崗位需求，傳授專業領域必需的基礎理論、基本知識和專業技能，使學生成為電力工程、電氣自動化裝備、系統管理領域從事設計與生產、調試與運行、檢修與維護、技術研發及改造、自動化系統管理等工作的高素質應用型專門人才。

3 基于電氣工程的專業課程融合智慧教學平臺設計

3.1 智慧教學平臺的層次結構

根據企業數字化智能制造結構層次，面向崗位知識和技能進行課程融合教學，搭建三級智慧教學平臺[6-8]，貫徹“構思—設計—實現—運行”的工程教育理念，培養學生科學思維方式。智慧教學平臺層次結構如圖1所示，采用分布控制結構設計，設計原則是分散控制、集中操作、分組管理、分而自治、綜合協調。平臺從上到下分為綜合信息管理級、計算機監管控制級和分散過程控制級3 個控制級。利用平臺，可以實現基于電氣工程及其自動化專業的專業課程融合智慧教學。

分散過程控制級是初學者電氣工程繼保、設備自動化、PLC 等課程知識和技能自身養成級。它是集散控制系統的基礎，主要由PLC、智能終端、智能調節器和智能傳感器組成。智能終端、智能調節器、智能傳感器及其之間的電氣連接線等組成電力系統繼電保護二次側線路或電氣工程設備自動化線路，可以獨立進行電力系統繼電保護或電氣設備自動化實訓教學，即電力系統（或電氣工程）的就地人工操作。這個電力系統繼電保護二次側線路（或電氣工程設備自動化線路），也可以作為PLC 控制系統的外圍電氣連接，通過PLC 進行電力系統繼電保護自動化控制。智能傳感器采集線路電壓、電流等參數，參數可以通過總線傳送到操作員工作站、監控計算機和PLC。智能調節器可以設置監控參數的預設值，并且可以根據電力系統繼電保護原理或電氣工程需要進行調節。智能終端可以顯示實時監控參數，進行告警。PLC 是分散過程控制級的監控核心，它通過傳感器獲取電壓、電流等參數，結合電力系統繼電保護原理或電氣工程自動化的要求，驅動電磁調節閥、電動閥、電機和智能調節器等執行機構，進行順序控制或某一個被控制量的閉環控制等。PLC 可以控制具有電力系統繼電保護的二次側線路或電氣工程設備自動化線路，進行PLC 知識和技能教學，完成電力系統繼電保護的數字化自動控制，屬于電力系統的就地操作。利用這個控制級，可以進行繼保、設備自動化、PLC 課程獨立教學，也可以進行三門課程線性累加式融合教學。

計算機監管控制級用組態技術設計，可以進行仿真，也可以完成操作過程監控和操作，它上承綜合信息管理級，下接分散過程控制級，具有橋梁作用[9-11]。分散過程控制級獲取生產現場參數，利用RS485 現場總線通信方式與計算機監管控制級通信，根據電力系統繼電保護原理或電氣工程要求確定決策，驅動執行機構。操作員工作站由值班工作人員操作，完成現場操作。監控計算機可以監控現場工作參數，同時，可以根據電力系統繼電保護或電氣工程的需求，變更系統的參數并且完成設定。利用這個控制級，可以進行繼保、設備自動化等課程的獨立教學，面向仿真、遙控遙測方面教學；可以進行組態技術課程獨立教學，面向電力系統繼電保護組態設計方面教學，也可以進行兩門課程線性累加式融合教學[12-14]。圖2 是低壓閉鎖電流速斷保護項目分散過程控制級和計算機監管控制級實物圖。

圖2 低壓閉鎖電流速斷保護項目實物圖和上位機管理界面

綜合信息管理級用組態技術設計，通過網絡連接通訊，可以進行遠程監控操作，具有電力系統保護管理或電氣工程管理功能。管理功能按照電力系統或電氣工程管理常用的管理模式進行設計，有利于學生今后快速適應崗位需求，圖3 是低壓閉鎖電流速斷保護項目管理組態設計。利用這個控制級，可以進行組態技術課程獨立教學，面向電力系統和電氣設備自動化管理完成組態設計；也可以進行電力系統管理課程教學，面向崗位工作需要教學。

圖3 低壓閉鎖電流速斷保護項目管理組態設計

平臺實現抽象電力系統繼電保護和設備自動化理論的具體化，可以通過仿真、實驗設計實現直觀理解。平臺結構以工業電力應用系統架構架設，上層管理按照電力系統常用管理模式進行設計，有利于學生今后快速適應崗位需求。

3.2 線性累加式崗位知識和技能教學融合

面向新工科，以崗位需求為準則，結合電氣工程教育人才培養目標，針對電力系統、電氣行業人才需求，堅持“理實一體、項目導向、創新驅動”的原則，結合課程特點，秉承以學生為中心理念，對原課程知識體系進行了拆分和重構，并充分融合了行業最新案例。內容構建貫徹“構思—設計—實現—運行”工程教育理念，注重設計研發、生產制造和運行管理全生命周期理論與實踐知識的交叉融合，面向產業鏈上下游培養創新型復合人才。

課程設計以知識傳授、能力培養和價值塑造為導向，遵循認知規律，將現代信息技術與主流教育理念深度融合，基于在線平臺構建開放式學習情境，堅持問題驅動和項目導向，促進學生自主學習和協作學習，實現意義建構和能力培養。面向智能控制研究、綠色控制產業鏈和創新鏈，提升課程的高階性、創新性和挑戰度，促進過程性學習管理和多元化考核評價有機結合，全面提升人才培養質量。

在智慧教學平臺上，課程教學可以獨立教學，又可以實現專業課程之間知識和技能的串聯化、應用化、系統化、實戰化。平臺材料是實驗室常用耗材，性價比高。以低壓閉鎖電流速斷保護項目為例，分析課程之間的線性累加式教學融合過程，如表1 所示。在平臺的分散過程控制級，面向繼保課程的低壓閉鎖電流速斷保護理論，應用電壓互感、電流互感器、電磁閥等器件構建低壓閉鎖電流速斷保護線路，完成該保護的人工就地控制設計，使學生理解并應用低壓閉鎖電流速斷保護理論、創造性地設計保護裝置。另外，面向PLC課程教學，讓學生利用在繼保課程搭建的作為PLC 的外圍線路，根據低壓閉鎖電流速斷保護控制原理，完成PLC 面向對象程序設計，實現低壓閉鎖電流速斷保護就地自動化控制，使學生加深對低壓閉鎖電流速斷保護理論的理解，增加保護的手段，提高保護實施技能。

表1 低壓閉鎖電流速斷保護項目的線性累加式崗位知識和技能教學融合設計

在計算機監管控制級和綜合信息管理級，利用PLC 控制低壓閉鎖電流速斷保護的信號或參數作業組態系統外部數據源，搭建低壓閉鎖電流速斷保護仿真、監測和管理的組態系統，實現低壓閉鎖電流速斷保護的仿真、遙控和遙測監控。分散過程控制級的低壓閉鎖電流速斷保護線路設計及其PLC 程序設計是組態系統設計的基礎，而組態系統設計又是它們理論和應用的進一步升華。

在綜合信息管理級，面向低壓閉鎖電流速斷保護項目管理，需要構建項目管理功能。管理功能按照崗位管理需要設計，數據信息由分散過程控制級的低壓閉鎖電流速斷保護線路及其PLC 控制系統提供。通過整理數據、歸化信息，達成低壓閉鎖電流速斷保護項目管理功能，學生低壓閉鎖電流速斷保護知識和技能再一次升華，達到工作的崗位需求，使得學生畢業后能快速適應工作崗位要求。

4 基于電氣工程的專業課程融合智慧教學平臺的特色

基于電氣工程的專業課程融合智慧教學平臺主要有以下特色：

4.1 面向新工科、聚焦專業的課程融合

課程教學可以獨立進行，課程之間又有串聯性，實現課程知識和技能應用化、系統化，面向新工科，做到專業課程融合。實現專業課程之間知識學習和應用有機融合，串聯專業課程知識。做到前期學習的課程是后期學習課程的基礎，后期課程是在實踐前期課程知識和技術的過程中進行學習，面向專業崗位技能，充分學習并提高技能。

4.2 兼備虛擬實驗、實訓操作、系統管理

平臺具備課程知識和技能教學中的虛擬實驗、實訓操作、系統管理，避免學生強電操作的危險性，符合安全操作原則，同時讓學生直接接觸遠程操作和數字信息管理，實操性較強。

4.3 面向崗位，實行線性累加式崗位知識和技能教學

平臺的課程知識與技能可以獨立教學，同時可以實現課程之間知識與技能串聯化、應用化、系統化，做到后學的課程是在前期學習課程的基礎上進行學習，深化理解前期課程的知識，提升前面課程的技能實踐能力，面向電力和電氣工程自動化崗位知識和技能養成，實現線性累加式崗位知識和技能教學。

5 結語

基于電氣工程及其自動化的專業課程融合智慧教學平臺，成功實現課程知識和技能獨立教學，同時，實現專業課程之間知識和技能串聯化、應用化、系統化和實戰化，讓學生在教學過程中迅速提升專業知識和技能，不斷加深理解電力和電氣工程自動化崗位知識，提升崗位技能，做到學以致用，以用促學，學用相長，提升學生專業自信。