基于工業(yè)自制設備的實驗教學改革
——借鑒德國應用科學大學實踐教學經驗

沈立民

（浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，杭州310023）

德國應用科學大學是德國高等教育體系中的一個重要組成部分，是名副其實的工程師搖籃，經過40多年的發(fā)展，形成了比較成熟完善的應用型人才培養(yǎng)體系。中國的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”，以創(chuàng)立高校與行業(yè)（企業(yè)）聯合培養(yǎng)工程師的新機制為核心，與德國應用科學大學模式有異曲同工之處［1］。

浙江科技學院（以下簡稱浙科院）從建校后不久至今，就如何借鑒德國應用科學大學的辦學經驗，建立適應中國國情的高等應用型人才培養(yǎng)模式做了不懈的探索，也積累了大量的經驗。盡可能緊密地與實踐相結合是德國應用科學大學進行工程師培養(yǎng)的一個主要特征［2］，30年來，這一點在浙科院得到了借鑒與實踐。結合實踐的培養(yǎng)模式需要一套完善的應用型人才培養(yǎng)體系，除了要在辦學理念、培養(yǎng)目標，以及教學內容、課程設置乃至師資隊伍建設等方面進行改革外，建設符合培養(yǎng)目標要求的校內外實習基地和實驗室更是必不可少。借鑒德國經驗，利用好工業(yè)企業(yè)的資源，這不只是要在企業(yè)建立一些校外實習基地，而且還要把他們引入到校內的實驗室尤其是專業(yè)實驗室的建設中來。

1 專業(yè)實驗室建設

作為專業(yè)實驗室除了應滿足基本的課程實驗教學需求外，著重應在培養(yǎng)學生動手能力和綜合實踐能力、提高學生創(chuàng)新能力、掌握運用新技術的能力上有所作為，使其能夠進行專業(yè)綜合性設計性實驗，并可以提供學生進行實習和畢業(yè)設計的條件，能夠滿足企業(yè)和社會對工程師培養(yǎng)的要求。為此，實驗教學要從以往的基本教學實驗為主逐步過渡到以綜合性實驗為主上來，并且需要具有創(chuàng)新性和系統(tǒng)性。為了較好地達成這一轉變，對一些實驗設備也提出了新的要求，結合工業(yè)實際的教學，當然離不開在工業(yè)實際中使用的儀器設備，這就需要在實驗室建設過程中必須為此作好硬件上的準備［3］。事實上，在這方面可以借鑒德國應用科學大學的一些經驗。

首先，在實驗室應盡量采用一般的或者說是在工業(yè)生產實際中所用的通用的儀器儀表和設備，而盡量少選用那些專為學生做實驗而設計生產的各類專用實驗設備，諸如實驗臺、實驗包等專用實驗教學設備。選用專用教學設備雖可減少工作的復雜性，實驗中也較安全些，但從培養(yǎng)學生的實際技能來考慮，還是應在實驗中盡量采用通用的儀器設備，因為專用教學設備往往與實際情況存在較大距離，很難使學生進入實際操作的那種狀態(tài)。

圖1 西門子自動化技術實驗室Fig.1 SIEMENS automation technology laboratory

其次，借助企業(yè)的資金、設備及最新技術，在校內與企業(yè)共同建設實驗室，即所謂的“大學計劃”，學校企業(yè)雙贏，當然從中最受益的是學生，此舉有利于在校內為學生提供接近真實工業(yè)現場的實踐環(huán)境。

以上兩點主要都是在專業(yè)實驗室的建設當中需要考慮的，浙科院自動化與電氣工程學院（以下簡稱電氣學院）在“西門子自動化技術實驗室”（圖1）等專業(yè)實驗室的建設中也正是充分借鑒了這些經驗。

2 實驗設備升級改造

圖2 設備捐贈Fig.2 Equipment donation

電氣學院是浙科院最老的學院之一，大部分實驗室已有二三十年的歷史，不少是20世紀90年代以前的技術和設備，而其中的部分技術和設備在今天的工業(yè)實際生產中已經或正在被逐步淘汰，技術和設備已相當落后，與當今工業(yè)生產實際存在一定的脫節(jié)，這在一定程度上必將影響學生對該課程知識和技能的學習和掌握。如何用有限的資金讓這些老實驗室的技術和設備不斷得到更新升級，使其隨時能夠滿足教學的要求，在這方面也可以通過借鑒德國應用科學大學的第三點經驗來進行改進，即借助工業(yè)企業(yè)合作伙伴的幫助（圖2），不斷研制所謂的“自制設備”，并將其應用到實驗教學中去。早在20世紀八九十年代，在漢諾威應用科學大學的不少實驗室里都有不少靠學生在畢業(yè)設計中自己設計制作的實驗設備，這些設備往往源于通用設備，根據一些實驗或生產中的要求，經過一屆或幾屆學生的努力而制成，這些設備雖然不一定有很長的壽命，但它們卻是時刻隨著生產技術的進步、科技的發(fā)展而產生的，又是學生自己設計開發(fā)的，它們不光只是在使用時，而是早在設計制作時，就已經發(fā)揮了實踐教學的作用。這與根據專業(yè)培養(yǎng)目標提出的為提高學生設計創(chuàng)新和綜合運用能力，提倡在各類課程實驗中多設置綜合性和設計性的實驗項目的要求也不謀而合。

3 自制設備

1999年和2000年，德國漢諾威應用科學大學Brosch教授和浙科院電氣學院教師合作指導了德國留學生在浙科院進行的畢業(yè)設計，兩屆學生分別設計制作了“異步電動機的啟動與制動”（圖3）和“長定子直線電機—磁懸浮列車電氣模型”（圖4）兩套實驗設備，從此開創(chuàng)了電氣學院“自制設備”之路。兩套設備作為演示實驗教學設備一直使用至今。在這之后，利用德國西門子公司和倫茨公司等國內外企業(yè)的設備捐贈或幫助，用有限的教學經費，在電氣學院“PLC”和“電機與拖動”等實驗室陸續(xù)設計制作了大量的自制設備，補充更新了老實驗室的實驗設備。以電機驅動類為例主要包括“流量與能耗——風機變頻調速節(jié)能實驗裝置”（圖5）、“變頻器電能互饋節(jié)能調速驅動實驗裝置”（圖6）、“基于電子控制器的電動機啟動調速實驗裝置”（圖7）、“基于DP總線的PLC變頻調速實驗系統(tǒng)”和“伺服驅動實驗系統(tǒng)”（圖8）、“Motec機電一體化驅動系統(tǒng)”等自制設備，集中向學生演示了新的驅動系統(tǒng)或新的控制方式，以及由它們帶來的性能改善和節(jié)能效果。

圖3 異步電動機的啟動與制動Fig.3 Starting and braking

圖4 直線驅動Fig.4 Linear drive of asynchronous motor

圖5 風機驅動Fig.5 Fan drive

圖6 節(jié)能驅動Fig.6 Energy saving drive

圖7 啟動與調速Fig.7 Starting and regulation

圖8 伺服驅動Fig.8 Servo drive

3.1 節(jié)能驅動演示實驗

今天在拖動領域的應用性研究，大量的是源于對能量效率的測試和研究。與此相關的工作也可以在實驗室里進行。在各種使用領域的總能耗中大約有2／3都轉換成了機械能，在這其中又有大約2／3是用在風機和泵類設備上［4］。由于電子調速控制系統(tǒng)能夠根據過程的需要來調節(jié)輸入能量的大小，所以現在在生產實際中正在進行著大量的技術改造，即用電子調速控制系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的機械閥門或流量分流控制方式，這將大量節(jié)省風機和泵類設備的能量消耗。“流量與能耗——風機變頻調速節(jié)能實驗裝置”和“變頻器電能互饋節(jié)能調速驅動實驗裝置”正是進行這類測試的演示實驗系統(tǒng)，從測量結果可以清楚地看到，利用變頻器進行調速控制比利用閥門來進行流量控制，驅動系統(tǒng)所需的能耗明顯減小。盡管這個結果學生在原理上已經知道，但是通過實驗能夠進一步加深學生的這一認識，要知道在中國有那么多的泵和風機在工業(yè)和家用領域中使用。

3.2 電機啟動調速實驗

所有在實際中使用的拖動系統(tǒng)都必須啟動。多數情況下這是一個很短暫的過程，但是由它而引起的電壓波動有可能會給同一電網中的其他用戶（如計算機等）帶來麻煩［5］。利用代表現代電動機電子啟動和調速主流趨勢的軟啟動器和變頻器作為主要控制單元，結合接觸器和各類繼電器等多種傳統(tǒng)低壓電器器件，設計制作了一個能夠進行多種傳統(tǒng)方式和現代電子方式進行啟動的電動機啟動調速綜合實驗裝置。借鑒德國高校實驗教學理念和實驗設備的情況，實驗裝置中所用的設備器件都是在工業(yè)生產實際中使用的，而不是經常在實驗室里看到的“模擬實際的專用實驗設備”；主要設備器件采用外裝形式，也就是安裝在實驗裝置面板前面，以便讓學生能夠清楚地看到并認識所用的設備。實驗中，給電動機加上相同的負載，觀察利用不同設備進行啟動時的啟動電流和啟動時間，通過實際測試可以直接對各種變流設備的使用情況及其啟動效果進行相互比較；實驗也可以在各種不同負載轉矩下進行。

3.3 傳統(tǒng)設備更新升級

三相鼠籠式異步電動機是工業(yè)中使用相當廣泛的電動機，它實際上是工業(yè)設備和樓宇自動化設備中電力拖動的標配電機，被大量應用在功率范圍為0.7～7.5kW的使用場合，所以也就有必要在電機實驗室里盡可能配置功率在這一范圍內的電機，以利于進行教學和科研。由1995年德國政府項目購置的電機機組完全符合這一要求，分別由三相交流電動機和直流電機軸聯組成的兩套“大電機”機組，通過兩個傳統(tǒng)的配電柜給電機機組或其他設備供電。作為補充，利用德國西門子公司捐贈的變流設備，對傳統(tǒng)供電方式進行了升級改造，重新構建了大電機機組的供電和驅動控制部分，由變頻器和軟啟動器對三相鼠籠式異步電動機，這兩套設備可以通過總線系統(tǒng)進行實時參數設置和在線控制。借助于電子設備供電可以完全監(jiān)控調速系統(tǒng)的實際運行狀況，這些變流設備可以通過總線集成到系統(tǒng)中，通過計算機來進行參數設置和控制。通過升級，實現了在技術和設備上與工業(yè)實際的接軌。當學生看到三四個千瓦的“大”電機在軟啟動器控制下帶著嗡嗡聲緩慢啟動時不由自主往后退的那刻所產生的對工業(yè)現場的敬畏之情，又豈是可以在一兩百瓦教學實驗電機上體驗到的。

4 結 語

在實驗室建設和實驗設備的更新改造中盡可能地考慮應用在工業(yè)實際中的設備，從而可以在實驗室開展非常接近工業(yè)實際和生產現場的實踐教學活動。與工業(yè)企業(yè)密切的聯系，不失為一種途徑，使得在培養(yǎng)學生的過程中能夠使用現代先進的通用設備。只有讓學生真正地看到、聽到、觸摸到真實的一般通用設備，從而提高實踐技能，他們才能更好地適應工業(yè)企業(yè)的實際情況，增強工作競爭能力，進一步滿足社會的需要。

［1］ 劉建強.德國應用科學大學模式對實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的啟示［J］.中國高教研究，2010（6）：25-28.

［2］ Shen L M，Erich V，Peter B F.Konkrete Praxisbeispiele der Anwendungsorietierung in der Lehre［M］∥中德論壇組委會.校企合作下的應用型人才培養(yǎng).北京：高等教育出版社，2011：484-503.

［3］ Shen L M，Peter B F.Antriebstechnisches，Update“im Maschinenlabor der Zhejiang University of Science and Technology［J］.Konstruktion，2008（7／8）：56-57.

［4］ Shen L M，Peter B F.，Kulturwandel“in der Antriebstechnik，Fokus auf Energieeffizienz［J］.Konstruktion，2009（S1）：54-59.

［5］ Shen L M，Peter B F.Gut ausgebildet fuer den Weltmarkt［J］.Elektrotechnik，2015（3）：36-37.