產教融合下高校電氣專業課程教與學實踐探索

摘"要：以同濟大學電氣工程系的電氣傳動控制系列課程為例，本文闡述了筆者在教學內容、教學方法和教學手段等方面，與本科生一同進行教與學模式的創新探索。筆者不僅從高校教師的角度給學生提供了一系列開放性的互動與交流，同時也從學生的角度記錄了學生的一些真實想法和希望，從中收獲頗多。關于產教融合背景下的專業課程建設，筆者通過深化校企合作，加強了對理論課程配套實驗項目的建設，也進行了一些有益的實踐探索。

關鍵詞：教學方法；教學手段；教學互動；教與學；產教融合；校企合作

依據教育部啟動實施的“卓越工程師教育培養計劃”，同濟大學已經有包括電氣工程在內的超過15個工程類專業向教育部提出申請參加該計劃。同濟大學制定了“卓越人才培養發展戰略”，逐步推行“招生改革、培養模式改革、專業改革、教學方式方法改革”共4項重大改革，加強“師資隊伍建設、學風與人文環境建設、教學軟件載體建設、教學硬件建設、質量保證系統建設”共5項基本建設，實施“卓越生源、卓越師資、卓越環境、卓越課程、卓越實踐、卓越管理”共6個專項行動，致力于為社會培養一大批具有同濟大學卓越人才特征的高級專門人才和拔尖創新人才。

電氣工程專業歷史由來已久，專業性質決定了它與工程結合密切。在社會發展的新階段，同濟大學電氣工程開始對工程人才培養目標、標準、師資隊伍、人才培養模式、教學內容、方法、手段等方面進行全方位改革，取得了一系列教學改革成果。下面以電氣傳動控制系列課程（包括“電氣傳動與牽引控制系統”“交流傳動與控制”等本研課程）為例，探索課程中教與學的創新模式。文章不僅從教師的角度介紹了各種開放性的互動與交流，同時也從學生的角度真實記錄了學生反饋的一些想法和希望。

一、教學與實踐是卓越工程師教育培養的重要環節

課堂是創新思維培養的主戰場之一，包括電氣工程在內的諸多專業十分注重課程體系的改革，積極吸取國際知名高校的成功教學經驗，鼓勵教師在課程內容、學習方式、考核方式和評價標準、實踐教學實施方式以及能力培養方式等諸多關鍵環節上積極地探索。

同濟大學擁有一批大型企業實習基地，同時分批次與行業內知名企業簽署了校企聯盟協議，建設了一批教學創新基地。在合作中使學生與企業一同學習與研發新工藝、新產品、新流程和新技術，深化學生的專業知識，鍛煉學生的創新實踐能力，提高學生的人際交往能力、組織協調能力、表達溝通能力、團隊合作意識。與生產第一線的企業合作，有利于學生創新意識的建立，促進了能力培養與人格養成，為培養學生成為卓越的工程師打下基礎。

二、“電氣傳動控制”課程特點

同濟大學“電氣工程及其自動化電氣傳動控制”課程主要講述由直流、交流電動機提供原動力的電氣傳動系統的工作原理及其自動控制技術，其先修課程是專業基礎課“自動控制原理”“微控制器原理及其應用”和專業課“電機學”“電力電子技術”四門課程。

首先，電氣傳動系統有廣泛的應用，例如，在工廠的各類加工生產線上，包括冰箱、空調、洗衣機等在內的各類家用電器中，特別是在電動汽車以及國內各大城市正大力建設的城市軌道交通以及動車組、高鐵中。與之相關的各類電氣設備消耗了電網電能的半數以上，所以本門課程在專業課中有非常重要的地位，這要求課程教學最好能夠結合具體的實際應用［1］。

其次，學好本門課程的前提是需要對前面四門課程有較好的基礎，并且要做到把各類知識融會貫通、靈活運用，因此課程難度較高。很多學生由于對某一門課程掌握較差，從而影響了本門課程的學習積極性和最終的學習效果。因而在授課中，教師需要經常回顧一些相關課程的知識內容，并引導學生加深理解［2］。

再次，本門課程設置了配套實驗，但仍需要在以下幾方面努力提高：更新實驗裝置，完善半實物仿真系統的實驗平臺；提供更加方便操作的圖形用戶界面及測試手段，便于學生深入了解系統的各單元工作情況；增加實驗平臺對學生的開放時間，探索更加完善的實驗平臺建設與管理機制［3］。

從次，計算機仿真現在已經非常普及，例如MATLAB、PSIM等仿真軟件都可以用來對電氣傳動系統進行數字仿真研究。教學過程中可以通過課堂內、課堂外的一些仿真作業激發學生認真學習的積極性。

最后，對課程考核形式進行改進。課程的考核最好能夠降低對理論公式和計算難度的過高要求，課程的評分需要綜合考慮平時課后作業、課外仿真作業、實驗情況、平時出勤率及課內表現、期末考試成績。

三、產教融合下的專業課程建設探索

多年來，教育部鼓勵企業與高校深度開展產學合作。筆者所在院系的多名教師都已負責了多項的產學合作項目。關于企業與高校如何深入合作，筆者談一下自己的探索歷程。

（一）多樣化高校與企業的具體合作形式

企業可為高校的高年級學生在學期、暑假小學期中安排講座，也可為專業學位研究生提供長期的各類實習，從產品的需求、設計、試制、量產等方面向學生深入解釋各階段的具體工作。同時，學校與企業可以在課程內容（學校的實踐教學案例）、試驗平臺（企業建設）、人才聯合培養方式（探索短期企業實訓）三個方面進一步深入合作。

另外，結合目前線上學習的趨勢，高校教師與企業工程師可以組建虛擬教研室，建設線上精品課程，為在校學生及企業新進員工提供高質量的學習資源。

（二）學校實驗項目的深化建設

目前的電氣傳動系統中，應用在現代電動汽車、城軌地鐵與高速鐵路中的電氣傳動控制系統都是全數字化系統，它們采用高性能單片機作為主控芯片對系統的能量變換進行PWM控制。但專業課程的配套實驗并沒有普遍采用高性能單片機作為控制核心，而且在少數單片機控制的實驗中，仍然采用的是直接編寫C代碼的開發方式。現代化企業在使用單片機控制（即嵌入式系統）的產品的研發階段，已經開始盛行采用基于模型開發（MBD）的技術進行快速原型的設計，應用該技術可以大大縮短產品的開發周期，實現產品的快速驗證，有力地提升了企業產品的競爭力。

筆者已經開展了采用英飛凌單片機集成開發環境DAVE和MATLAB/SIMULINK聯合進行XMC4500單片機基于MBD技術的PWM控制算法的開發，如圖1所示。以學生容易掌握、基于圖形化和模塊化建模的SIMULINK為MBD開發平臺，并在低壓的逆變器硬件系統中進行多種PWM控制算法設計與實驗驗證，旨在為“電氣傳動控制”相關專業課程的理論教學提供更好的配套資源，進一步提高學生的動手能力與工程技能，進而把培養學生綜合能力的工作落到實處。同時，在掌握MBD技術的基礎上，學校教師也可以與企業工程師探討進一步的項目合作。

（三）實驗教學的深化探索

針對前述的研制電路，保留較大的設計空間，并設置一些常見的故障模式，用于考驗學生的邏輯分析能力、故障分析能力、儀器工具與數學工具的靈活運用能力，也有助于提高學生全面思考與解決實際問題的能力。

結合研制電路及實驗項目，嘗試“教、學、做”合一的教學方法來實施實驗教學，做到課堂理論學習、仿真實例學習、現場實驗學習，力爭將理論課堂與實踐課堂合二為一，讓學生在教師的教學引導下或者在自己的主動創造中提高實踐能力，全面提高思考、檢查、改正的綜合能力水平。

以理論推導、仿真分析、實驗驗證相結合的方法進行實驗項目的開發與實驗指導書的編寫。筆者已經編寫了教材《永磁同步電動機變頻調速系統及其控制》［9］，通過實驗項目及指導書的編寫可以有效地補充理論教材在實驗方面的不足，從而更好地服務于工科學生的全面發展。

四、“電氣傳動控制”課程的創新教與學實踐探索

該課程將學生剛剛完成的專業基礎課程“自動控制原理”中有關控制理論的內容應用到電機調速系統的控制中去，同時筆者也在積極探索把控制理論的一些概念應用到本門課程的教與學中，教師與學生均收獲頗多。

（一）教師講解——教應該是幫助學生找尋問題的可能答案

在文獻［4］中，筆者提出了課堂教學過程中教與學的互動過程示意圖，如圖2所示。其中把教師的“教”與學生的“學”分別作為一個不同的控制系統，兩者以“學生”這個特殊的對象作為重要的耦合環節。

最重要的一點是，學生絕非一個簡單的無源系統，他們是一些強非線性、多變量、強耦合、具有高度學習能力的對象［4］。教師不能把他們簡單化處理，而是要意識到——只能在引導中，幫助學生發現他們自己，這才是真正把對象“激活”了，他們自身的潛能才能夠得到高效的釋放。

圖2"課堂的教與學互動過程示意圖

教學這兩個字是并重的，當我們關注的焦點落在學生方面時，后一個字則更顯重要，這也就決定了教師的一系列有關“教”的行為活動都要或多或少地圍繞“學”展開［5］。

（二）學生學習——“黑盒子”問題

人本身是一個高度智能的系統，長期的學習與成長經歷已經把他們打造成狀態各異、擁有自身獨特學習目標和學習方式及反饋機制的成熟系統。對教師而言，他們是控制中的一個個“黑盒子”。教師不能自認為非常了解學生，而是要通過不斷交流互動掌握他們的現狀，更有少數學生極少參與到互動中，因而對他們的了解就會少得多。

下面給出了某位本科學生對這門課程的幾點具體看法。我們教師可以從中找到這些“黑盒子”的某些特點，了解本屆學生的規律進而制定適宜的教學策略。

1.學生對本課程的理解

通過教師課內介紹和課外學習，了解到本門課程知識處于日新月異的發展中，我們學生對這門課充滿了學習興趣和動力。

“電氣傳動控制”課程的高度學科交叉性預示了它有較高的學習難度。本課程是一門實踐性很強的課程，受制于有限的實驗室條件，計算機仿真成了很好的實踐手段。因此，使用MATLAB進行計算機仿真便成了課程學習的重要部分。

在教材第2章［8］的學習中，我發現，這一章節的相關小知識點已在前期專業基礎課中講述和學習過，而本門課程把這些知識點串聯起來，形成一個完整的系統。因此，我認為，教師在課程的講述過程中，不能只是講清這一個個知識小點，而應該更加偏重于這些知識點是如何被串起來的，為什么這樣串起來，同時也應注重串起來后形成的知識體系的宏觀思想和原理的闡述，并指出這一系統的具體工程應用是怎樣的。在學習過程中，我們學生也不應該僅僅滿足于每個知識點的掌握和理解，更應該從整個知識系統的角度，宏觀地去理解這一個系統，同時更應注重系統的形成過程和方法，這也是學習專業課與專業基礎課的不同。

2.課外的積極學習與學習經驗的總結

在教材第2章［8］的學習過程中，教師在課堂上提出下述問題，建議學生在課下對其進行深入分析——考察功率變換器的滯后時間常數Ts對閉環特征方程根軌跡的影響，并據此來判斷直流調速系統是VM系統還是PWMM系統。筆者首先根據自動控制原理的相關知識和需要考察的Ts，對比例控制閉環系統的特征方程進行變換整理，隨后編寫MATLAB程序繪制系統的根軌跡以考察Ts的變化對根軌跡的影響。通過計算和仿真實驗，發現當放大系數K取滿足穩定條件的最大值（可由勞斯赫爾維茨判據得到）時，根軌跡與S平面虛軸交點對應的開環增益就是臨界時間常數Ts。至此，筆者較好地解決了教師所提的問題。當然，探究過程并非一帆風順，而是通過對現有結果進行分析，發現不足，再通過改進實驗方法和參數進行實驗，再得出結果，再分析，直至得出最終的結果。在此過程中，筆者與教師及時交流和反饋問題，使教師可以及時對筆者所遇問題加以指導，從而比較順利地解決了問題。

跳出這個問題本身，宏觀地看待上述問題的分析與解決過程，可以驚喜地發現，它實際上正是一個閉環反饋的過程。先對問題的答案提出預期結果（即如何判斷VM和PWMM系統），隨后制定分析策略（控制器），通過MATLAB仿真（執行器）得出實驗結果，將實驗結果反饋給預期結果，進行偏差分析，然后繼續實驗直至得出滿意結果。

我們的日常生活也是如此，我們做任何事情都要樹立一個前期目標（給定量），隨后進行思考并得出解決方案（控制器），然后通過具體行動展開實施（執行器），最終得出結果（輸出量），再與既定目標比較，得出偏差后繼續進行調節。筆者認為這樣的一種做事方法是極其有效的。

（三）教與學新理念中的幾個關鍵環節

如圖2所示，教與學兩個閉環系統都有各自的控制目標、調節作用、反饋機制，兩者通過互動交流實現教師對黑盒子的控制與引導作用。

為了加強教師的引導作用，需要強調圖2中的前饋作用機制，具體表現為：

（1）注意課堂熱身，簡要復習上節課的內容；

（2）臨下課前，提醒學生做好復習和預習。

前饋作用下的學生學習效果會領先于各類測試中反饋控制的作用效果。

課堂時間有限，教師講解多少時間和內容更合適？筆者覺得時間不要太滿，留下時間進行互動；內容不要太多，留下空間給學生自己，使得學生感覺到課程的動力與壓力并存。

另外，課堂上教師的思維風格、提問行為與技巧對學生創造性問題提出能力有顯著影響。外傾型、自由型教師的高認知、開放性的問題有利于學生創造性問題提出能力的提高［6］。

教與學的目的是培養人才，而不斷推進的教學改革更是為了培養出更多的優秀人才。但人才絕不是教出來的，必須通過一套完善的教學機制、科學的教學理念、合理的學習方法，在適合的土壤和環境中成長起來的，這需要國家、學校、教師、家長和學生共同努力才能實現［7］。

結語

筆者通過親身實踐，闡述了通過積極互動、加強前饋與反饋作用，引導學生發現自己，這是教與學的內在作用機制。實踐表明，這種教學會促進學生更好地掌握適宜自己的學習方法，有助于學生對自己的學習和成才之路有更好、更深的理解與認識。此外，學生可以得到超越課本知識的一些有益收獲，可以更樂觀、積極向上地看待學習與生活。

參考文獻：

［1］梁永春，劉建業.電氣傳動課程群開放式課程設計體系研究［J］.中國電力教育，2011（21）：167168.

［2］厲虹，張巧杰，祁鯤.以創新能力培養為目標的“電機與拖動”教學改革研究［J］.中國電力教育，2010（4）：5759.

［3］孫醒濤，蔡燕.“電氣傳動控制系統”課程教學方法探討［J］.中國電力教育，2013（33）：99100.

［4］YUAN"Dengke.Reform"of"Teaching"and"Learning"from"the"Viewpoint"of"Control"Theory［C］.Tianjin：2011"Teaching"Seminars"on"Higher"Education"Science"and"Engineering"Courses，2011：862866.

［5］吳康寧.學生僅僅是“受教育者”嗎？［J］.教育研究，2003（4）：4347.

［6］韓琴.課堂互動對學生創造性問題提出能力的影響［D］.上海：華東師范大學，2008.

［7］康重慶，董嘉佳，董鴻，等.電氣工程學科本科拔尖人才培養的探索［J］.高等工程教育研究，2010（5）：132136.

［8］阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.5版.北京：機械工業出版社，2023.

［9］袁登科，徐延東，李秀濤.永磁同步電動機變頻調速系統及其控制［M］.2版.北京：機械工業出版社，2023.

基金項目：論文發表得到同濟大學本科教改項目（人工智能+電子信息類學科交叉課程體系建設）、同濟大學工程類研究生產教融合示范課程、同濟大學研究生一流線上精品課程（KCJP2207）等項目資助

作者簡介：袁登科（1979—"），男，漢族，安徽渦陽人，博士，講師，研究方向：大功率變流技術與交流電氣傳動；朱琴躍（1970—"），女，漢族，江蘇無錫人，博士，教授，研究方向：電氣狀態自主感知和智能診斷；張文豪（1982—"）男，漢族，山西高平人，博士，副教授，同濟大學電氣工程系教研室主任，研究方向：電氣工程新工科創新教學。