新能源背景下“電機(jī)學(xué)與運動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革與探索

張旭隆 王峰 曹言敬

摘要：對我國新能源發(fā)展趨勢及技術(shù)型人才需求進(jìn)行了分析，以電氣專業(yè)核心課程群“電機(jī)學(xué)與運動控制系統(tǒng)”的教學(xué)改革為研究對象，提出了在新能源背景下對該課程的教學(xué)改革與探索思路。基于CDIO工程教育理念，以課程教學(xué)與工程應(yīng)用之間的差距為突破口，闡述了對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及實踐教學(xué)等方面的改革方法，為電氣工程及其自動化專業(yè)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的教學(xué)改革提供了借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：新能源;工程教育;技術(shù)型;電機(jī)學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0089-02

一、新能源發(fā)展趨勢及技術(shù)型人才需求

1.新能源發(fā)展趨勢

能源是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，然而伴隨著工農(nóng)業(yè)文明的高速發(fā)展，現(xiàn)有常規(guī)的不可再生能源日漸萎縮。世界各國均已將風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等新能源的開發(fā)和利用作為解決不可再生能源潛在枯竭危機(jī)的重要途徑。由于新能源具有清潔環(huán)保、循環(huán)利用的優(yōu)點，使得新能源未來必將成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

同西方發(fā)達(dá)國家相比，我國新能源產(chǎn)業(yè)雖起步較晚，但在國家鼓勵政策和市場潛在巨大需求的推動下發(fā)展非常迅速。根據(jù)中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會（CREIA）、中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（CWEA）和全球風(fēng)能理事會（GWEC）聯(lián)合發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展報告2013》指出：截止到2012年年底，全國累計風(fēng)電吊裝容量70.21GW，相比2011年增幅24%;累計海上風(fēng)電裝機(jī)容量39.8萬千瓦，居世界第3位;風(fēng)電累計裝機(jī)容量保持世界第一。太陽能發(fā)電、電動汽車、新能源建筑與交通等行業(yè)也得到了快速發(fā)展。然而，新能源產(chǎn)業(yè)在迅猛擴(kuò)張的過程中伴隨著部分關(guān)鍵技術(shù)未能完全攻克的問題，例如風(fēng)電質(zhì)量控制與并網(wǎng)安全性、光伏造價與能量轉(zhuǎn)換效率、電動汽車?yán)m(xù)航里程與安全穩(wěn)定性等方面的難題。更值得注意的是，在新能源開發(fā)和應(yīng)用過程中，缺少專業(yè)技術(shù)型人才是制約新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個突出障礙。

2.技術(shù)型人才需求

盡管我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，然而針對新能源行業(yè)的技術(shù)型人才培養(yǎng)卻相對滯后。高素質(zhì)技術(shù)型人才的缺失已嚴(yán)重制約著我國當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。預(yù)計到2020年，在風(fēng)電、光伏、新能源汽車、節(jié)能建筑等新能源領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員需要將達(dá)到數(shù)十萬，而全國新能源相關(guān)專業(yè)每年畢業(yè)生總量卻不足1000人。因此，培養(yǎng)適合于新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)型人才刻不容緩。

2007年華北電力大學(xué)成立可再生能源學(xué)院，2008年10月南昌大學(xué)成立了光伏學(xué)院，同年，復(fù)旦大學(xué)成立新能源研究院，河海大學(xué)設(shè)立了風(fēng)能與動力工程專業(yè)?！半姍C(jī)學(xué)”與“運動控制系統(tǒng)”作為電氣自動化專業(yè)重要的專業(yè)課程，始終相互銜接、互為支撐，是培養(yǎng)新能源技術(shù)人才的重要基礎(chǔ)課程，徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院對“電機(jī)學(xué)與運動控制系統(tǒng)”課程群的調(diào)整開展了有益思考與探索。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.理論教學(xué)

由于本課程集電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)等基礎(chǔ)知識為一體，理論性和實踐性都非常強(qiáng)，再加上電機(jī)學(xué)本身的理解難度，使得目前課堂教學(xué)更注重講授知識的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性。一方面，重點講授電動機(jī)的基本原理、運行特性和控制方法，發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)知識和技術(shù)難點課堂教學(xué)課時分配較少，針對新能源技術(shù)領(lǐng)域的知識講授更是一帶而過;另一方面，當(dāng)涉及到實際工程應(yīng)用時，均以系統(tǒng)框圖為背景，例如直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、三相同步發(fā)電機(jī)的運行與并網(wǎng)，課堂講解與工程實際的應(yīng)用偏差較大，學(xué)生普遍感覺比較抽象。總體而言，新能源相關(guān)的新知識、新技術(shù)在教學(xué)中的更新較慢。

2.實驗教學(xué)

我院的實驗教學(xué)基本以驗證性實驗為主，并且由于現(xiàn)有的實驗設(shè)備高度集成，學(xué)生在做實驗時往往看不到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只要對外部端子進(jìn)行簡單接線，然后手工記錄數(shù)據(jù)即可，整個實驗過程無法將理論與實際的元器件聯(lián)系起來。

考慮實驗設(shè)備的限制，在系統(tǒng)仿真環(huán)節(jié)，課程多利用MATLAB的SIMULINK工具箱，大多是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算機(jī)數(shù)字仿真，與工程實際也存在較大的差距。

三、課程教學(xué)改革與探索

1.課程教學(xué)內(nèi)容改革

“電機(jī)學(xué)”與“運動控制系統(tǒng)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的傳統(tǒng)經(jīng)典課程，我院在保留課程主干內(nèi)容的基礎(chǔ)上，適度縮減與工程實際差距較大的理論知識講授課時，著重加大關(guān)于發(fā)電機(jī)運行原理與控制技術(shù)的分析和論述，借此進(jìn)一步夯實學(xué)生關(guān)于新能源發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并逐步增加“新能源發(fā)電技術(shù)”、“風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)”、“車用電機(jī)原理及控制”、“光伏發(fā)電與微網(wǎng)技術(shù)”等專業(yè)選修課程，通過調(diào)整使新的課程體系能滿足新能源人才培養(yǎng)需要。

2.課堂教學(xué)方式改革

在理論教學(xué)過程中，學(xué)生始終是教學(xué)活動的主體，而教師發(fā)揮著重要的主導(dǎo)作用，需要充分調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如更多采用多媒體動畫演示、MATLAB/SIMULINK軟件搭建仿真模型、新能源技術(shù)視頻展示和項目小組討論等多種形式，對工程實際系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究性學(xué)習(xí)。同時注意增加學(xué)生新技術(shù)實驗與實踐成績占課程總成績的比重，鼓勵學(xué)生更注重探索新知識、掌握新技能，適度降低課程期末考試成績的比重，以避免學(xué)生疲于應(yīng)付考試。

在實驗教學(xué)過程中，充分利用我院大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，采用CDIO工程教育培養(yǎng)模式，在授課班級中開展項目小組討論的形式，圍繞新能源相關(guān)課題進(jìn)行項目構(gòu)想、設(shè)計、實施、改進(jìn)以及答辯討論。每個項目小組中的學(xué)生都需要至少一次作為項目負(fù)責(zé)人，提升學(xué)生的個人技能和團(tuán)隊寫作能力。針對眾多新能源相關(guān)課題，學(xué)生自由組合、自主選題，在課題開始階段，學(xué)生充分利用圖書館文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)資源，查閱相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行整理和提煉，形成項目的整體推進(jìn)思路;在課題推進(jìn)過程中，課題負(fù)責(zé)人對課題進(jìn)行子課題分解，對課題中的具體工程實現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計、實施和改進(jìn);在課題答辯討論階段，項目負(fù)責(zé)人將課題進(jìn)展結(jié)果在課堂上以PPT的形式加以闡述，班級同學(xué)均可就其結(jié)論和觀點展開討論，最后以指定的論文格式要求上交紙質(zhì)論文或樣機(jī)實物，教師對課題成果進(jìn)行綜合評定，并計入課程總成績中。

3.實踐教學(xué)分層次能力提升

在實踐教學(xué)過程中，按照項目設(shè)計—系統(tǒng)實現(xiàn)—實施改進(jìn)三個層次的漸進(jìn)過程。

在項目設(shè)計階段，學(xué)院組織教師結(jié)合企業(yè)新能源方面的需求和教師的科研課題進(jìn)行命題，學(xué)生分小組選題，并根據(jù)課題進(jìn)行協(xié)作設(shè)計。設(shè)計完成后，學(xué)院組織專門的評審委員會進(jìn)行設(shè)計的評講活動，學(xué)院對于設(shè)計成果有創(chuàng)新的進(jìn)行獎勵。

在系統(tǒng)實現(xiàn)階段，充分利用我院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃專項經(jīng)費，解決學(xué)生理論與實際脫節(jié)的問題，利用MATLAB的電力系統(tǒng)工具箱（SimPower System）和Pspice軟件，開展了系統(tǒng)仿真，工具箱在元件庫中提供的電氣元器件能夠反映相應(yīng)實際元器件的電氣特性，激發(fā)了學(xué)生獨立動手實踐的積極性。

在實施改進(jìn)階段，學(xué)院組織評審委員對系統(tǒng)的實現(xiàn)進(jìn)行再評講活動，提出實施改進(jìn)意見，讓學(xué)生對自己的設(shè)計、實現(xiàn)成果進(jìn)行完善性改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高成果的層次和質(zhì)量水平。

2009年我院購置“電機(jī)學(xué)”與“運動控制系統(tǒng)”兩門課程的成套實驗教學(xué)設(shè)備，2010級電氣國際課程實驗班的實驗內(nèi)容就進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，減少數(shù)字仿真的內(nèi)容，增加工程實踐訓(xùn)練內(nèi)容。新的實驗指導(dǎo)書要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)，根據(jù)實驗內(nèi)容、原理圖和實驗裝置設(shè)計實驗控制系統(tǒng)的具體接線圖，列出實驗步驟;能夠運用理論知識對實驗現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行分析和處理，解決實驗中遇到的問題，能夠綜合實驗數(shù)據(jù)，解釋實驗現(xiàn)象，編寫實驗報告，實施了從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的一個全CDIO過程，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生全面的專業(yè)、個人、職業(yè)、團(tuán)隊、交流及社會意識與能力。

四、結(jié)束語

我院以電氣工程及其自動化專業(yè)為依托，以培養(yǎng)應(yīng)用型新能源技術(shù)人才為目的，在“電機(jī)學(xué)”與“運動控制系統(tǒng)”兩門課程中實施了教學(xué)改革。從教學(xué)效果來看，學(xué)生在掌握了專業(yè)基礎(chǔ)知識的前提下，經(jīng)過工程實踐訓(xùn)練，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的教學(xué)改革提供了借鑒經(jīng)驗。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）