工程教育專業(yè)認(rèn)證下電工電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)項目改革

彭莉峻， 韓 行

(西安建筑科技大學(xué) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心， 西安 710055)

0 引 言

我國開展工程教育認(rèn)證工作10年來，對構(gòu)建我國高等工程教育質(zhì)量保障體系，推動高等工程教育改革，提高工程教育質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。高校通過認(rèn)證各工科專業(yè)，為經(jīng)濟(jì)全球化背景下工程教育類學(xué)生獲得國際認(rèn)可，進(jìn)行跨國流動，走向世界打下基礎(chǔ)[1]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)更加重視學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)知識和技術(shù)手段解決復(fù)雜工程問題的能力[2]，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，運(yùn)用深入的工程原理進(jìn)行自主設(shè)計、開發(fā)的能力，在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊中承擔(dān)個體角色并發(fā)揮個體優(yōu)勢，承擔(dān)團(tuán)隊成員并發(fā)揮團(tuán)隊協(xié)作精神等能力，這些要求也明確了高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目的、意義和重要性[3-6]。

電工電子技術(shù)一直以來廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，是現(xiàn)代工程裝備必不可少的一部分，是創(chuàng)新性工程技術(shù)人員必須掌握的一門技術(shù)。在高等教育環(huán)節(jié)中，其對應(yīng)的電工電子技術(shù)類實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐訓(xùn)練課程，作為理論教學(xué)的延伸，對于我校非電類工科專業(yè)的學(xué)生是一門必修的電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，且該課程面向的是未經(jīng)過專業(yè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)技能經(jīng)驗(yàn)較少的二年級學(xué)生，因此，本課程具有實(shí)驗(yàn)技能入門和專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)以及科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思維和素養(yǎng)培養(yǎng)等多重作用，也是各專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中重要考察指標(biāo)之一[7]。

面向我校工科非電類各專業(yè)開設(shè)的電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程涵蓋面非常廣，包括電路分析技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳動技術(shù)等內(nèi)容。我校電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心于2014年將該課程傳統(tǒng)隨理論課開設(shè)模式改革為獨(dú)立設(shè)課模式，在多年教學(xué)手段、教學(xué)模式豐富積累的基礎(chǔ)之上，通過教、科研成果轉(zhuǎn)化、自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備等手段[8-11]，針對課程基礎(chǔ)性、通用性和專業(yè)特色性的特點(diǎn)，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項目的開設(shè)進(jìn)行了與時俱進(jìn)的改革，使其向可持續(xù)的方向發(fā)展，充分支撐各專業(yè)認(rèn)證的各項指標(biāo)要求。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的問題

電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程課堂總學(xué)時為16學(xué)時，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項目所占比例為62.5%，綜合性實(shí)驗(yàn)項目為37.5%。固定的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于學(xué)生掌握電工測量儀表和電子儀器正確的使用方法、電工技術(shù)操作規(guī)范、各類功能電路的設(shè)計與應(yīng)用技能等，但隨著工程認(rèn)證教育的要求不斷提高，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)開展方式，很難完成對工程認(rèn)證各項指標(biāo)和達(dá)成度的支撐。以我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)工程認(rèn)證對電工電子實(shí)驗(yàn)課程提出的3個指標(biāo)點(diǎn)為例，指標(biāo)點(diǎn)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能對機(jī)械工程相關(guān)的各類物理現(xiàn)象進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；能基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對機(jī)械機(jī)構(gòu)、部件、系統(tǒng)設(shè)計可行的實(shí)驗(yàn)方案；能根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而傳統(tǒng)的電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)一方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身側(cè)重于原理的驗(yàn)證和對現(xiàn)象的物理解釋，實(shí)驗(yàn)環(huán)境理想、封閉，學(xué)生可以很快完成實(shí)驗(yàn)，但思考空間很小，實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合程度低，例如學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)直觀的認(rèn)知同一圖形符號下，不同功率值的電阻、電感等元件在在應(yīng)用上的差異，導(dǎo)致在進(jìn)行相關(guān)專業(yè)課的相關(guān)設(shè)計任務(wù)時，無法科學(xué)、合理、完整的進(jìn)行器件選型、線路規(guī)劃。另一方面，實(shí)驗(yàn)項目及內(nèi)容之間獨(dú)立性強(qiáng)，學(xué)生無法成體系的掌握所學(xué)的實(shí)驗(yàn)技能和方法，更無法做到系統(tǒng)的設(shè)計與之專業(yè)背景相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，甚至用以解決工程應(yīng)用問題。

2 改革思路

實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)工程認(rèn)證對實(shí)驗(yàn)課程各項指標(biāo)點(diǎn)的要求，對照創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革意見，利用綜合性實(shí)驗(yàn)項目的特點(diǎn)，發(fā)揮獨(dú)立設(shè)課的優(yōu)勢，從強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)及工程應(yīng)用背景，強(qiáng)化學(xué)生工程服務(wù)意識、具備系統(tǒng)工程實(shí)踐能力為出發(fā)點(diǎn)，在電工技術(shù)基本操作規(guī)范基礎(chǔ)訓(xùn)練上，著重電工電子技術(shù)服務(wù)于專業(yè)領(lǐng)域能力的培養(yǎng)，針對綜合性實(shí)驗(yàn)項目進(jìn)行重新規(guī)劃和改革。

首先將綜合性實(shí)驗(yàn)項目比重增至62.5%，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不再局限于傳統(tǒng)單一、孤立層面知識點(diǎn)的小綜合性項目，如集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用-多種信號發(fā)生及轉(zhuǎn)換電路等內(nèi)容，轉(zhuǎn)而突出電工電子技術(shù)課程所涵蓋的知識面及內(nèi)容間的連貫性、整體性和系統(tǒng)性[12]，開發(fā)“四個結(jié)合”的大綜合性實(shí)驗(yàn)項目，即將電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理論與實(shí)踐、虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)、電子線路與電氣控制、傳統(tǒng)接觸器繼電器控制與現(xiàn)代電氣控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，有層次的完成從單一技術(shù)知識點(diǎn)到基本實(shí)驗(yàn)技能再到工程技能的轉(zhuǎn)化。整合實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有設(shè)備資源進(jìn)行改造，結(jié)合教師課程建設(shè)、科研成果，豐富教學(xué)內(nèi)容，保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、先進(jìn)性。自制全面開放的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，營造與工程現(xiàn)場相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，層層滲透工程意識，處處體現(xiàn)工程觀念，增強(qiáng)學(xué)生感官體驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊合作中，針對專業(yè)背景下的某一工程應(yīng)用問題能夠科學(xué)、有序的設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置，解決應(yīng)用中出現(xiàn)的工程問題的能力。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)項目開發(fā)

以改革思路為指導(dǎo)，結(jié)合我校各工科非電類專業(yè)特色，依據(jù)行政班級平均人數(shù)及課內(nèi)有限學(xué)時要求，實(shí)驗(yàn)中心充分融合教學(xué)大綱要求的各知識點(diǎn)，開發(fā)了多項具有工程實(shí)際意義綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)項目，例如面向機(jī)械制造及其自動化、機(jī)械電子工程等專業(yè)的雙變頻電機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)，面向環(huán)境工程、給排水工程等專業(yè)的多電機(jī)變頻群控及組態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，面向冶金、化工等專業(yè)的鎖相環(huán)頻率跟蹤串聯(lián)諧振式中頻感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)等項目，通過這些實(shí)驗(yàn)項目體現(xiàn)課程各知識點(diǎn)的工程應(yīng)用價值。

3.1 綜合性實(shí)驗(yàn)項目舉例

以雙變頻電動機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)為例，介紹改革后綜合性實(shí)驗(yàn)項目的開展。

3.1.1實(shí)驗(yàn)項目工程應(yīng)用背景

雙變頻電動機(jī)對拖裝置廣泛應(yīng)用于變頻器及電動機(jī)系統(tǒng)性能測試、共直流母線能量互饋系統(tǒng)研究、全控型整流器控制技術(shù)研究、變流裝置帶位能性負(fù)載能量回饋控制技術(shù)研究等方面[13-15]，是我校學(xué)科方向的研究內(nèi)容之一，其涵蓋的知識面和工程應(yīng)用要求非常適合用于學(xué)生進(jìn)行工程意識、設(shè)計及綜合能力的訓(xùn)練。該項目涉及的基本知識結(jié)構(gòu)如圖1所示，充分體現(xiàn)電工電子技術(shù)課程中的“四個結(jié)合”。

圖1 雙變頻電動機(jī)對拖項目知識結(jié)構(gòu)圖

3.1.2實(shí)驗(yàn)項目設(shè)計目的

掌握三相異步電動機(jī)換向、調(diào)速的原理及實(shí)現(xiàn)方法；掌握變頻器使用方法和應(yīng)用特點(diǎn)；掌握表征電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各項電氣參量的意義及測試方法；掌握信號發(fā)生電路的設(shè)計與應(yīng)用；掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)科學(xué)的設(shè)計方法、實(shí)施方案及步驟。

3.1.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 掌握變頻器基本使用方法，掌握變頻器驅(qū)動電動機(jī)的基本原理，運(yùn)行頻率、電動機(jī)極對數(shù)與電動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，完成電動機(jī)啟、停及調(diào)速運(yùn)行的控制任務(wù)；

(2) 設(shè)計控制電路及主電路電氣控制圖，完成雙變頻電動機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)，被測電動機(jī)可周期性工作于電動和發(fā)電狀態(tài)，兩種狀態(tài)運(yùn)行時間可調(diào)，且運(yùn)行中兩臺電機(jī)可隨時切換為共直流母線運(yùn)行狀態(tài)的功能；

(3) 根據(jù)設(shè)計圖紙搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，掌握電工測量儀表使用方法，并進(jìn)行兩臺電機(jī)相關(guān)電氣參數(shù)的測量并根據(jù)數(shù)據(jù)分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有效、完整的支撐工程專業(yè)認(rèn)證的各項指標(biāo)要求。

3.1.4實(shí)驗(yàn)成員組成

每4或5名學(xué)生組成實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需環(huán)節(jié)自行劃分設(shè)計任務(wù)，并提供教師任務(wù)明細(xì)表，以便教師考核。

3.1.5實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

圖2 雙變頻電機(jī)對拖設(shè)計方案

圖3 負(fù)載變頻器運(yùn)行狀態(tài)控制電路

3.1.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生根據(jù)設(shè)計圖紙搭建實(shí)驗(yàn)平臺(見圖4)，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為便于實(shí)驗(yàn)效果觀察和數(shù)據(jù)測量，調(diào)節(jié)負(fù)載變頻器頻率變化周期為10 s左右，振蕩電路C=100 μF，電位器調(diào)整至R=62.6 kΩ，測量數(shù)據(jù)及電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

為保證實(shí)驗(yàn)安全，電動機(jī)均在較低頻率運(yùn)行。t1時間段內(nèi)主電動機(jī)單機(jī)運(yùn)行，t2、t3時間段為負(fù)載電動機(jī)單機(jī)運(yùn)行；之后為兩電動機(jī)對拖運(yùn)行狀態(tài)，t4時間段內(nèi)由于負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)速大于主電動機(jī)，主電動機(jī)處于倒發(fā)電狀態(tài)，相應(yīng)變頻器主流母線電壓明顯升高，反饋的電能經(jīng)制動電阻以熱能的形式消耗；t5時間段負(fù)載電動機(jī)為倒發(fā)電狀態(tài)；閉合開關(guān)S1，兩電動機(jī)運(yùn)行與共直流母線電壓，t6時間段內(nèi)主電動機(jī)仍處于倒發(fā)電狀態(tài)，但由于制動產(chǎn)生的電能經(jīng)直流母線進(jìn)行了互饋，

(a) 雙變頻電動機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

(b) 負(fù)載變頻器控制電路

f1/Hzf2/Hzn1/(r·min-1)n2/(r·min-1)UDC1/VUDC2/V主電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)副電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)t122-6606605160電動被拖動t2-137807800516被拖動電動t3-95405400516被拖動電動t42213780780628516倒發(fā)電電動t5229660660516624電動倒發(fā)電t62213780780516516倒發(fā)電(共直流母線)電動(共直流母線)t7229660660516516電動(共直流母線)倒發(fā)電(共直流母線)

直流母線電壓不再升高。

通過開展開放性強(qiáng)、涉及面廣，與工程應(yīng)用相結(jié)合的大綜合性實(shí)驗(yàn)項目，看似簡單的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生都必須經(jīng)歷理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計目標(biāo)、完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、實(shí)施、修改及實(shí)驗(yàn)成果提交的完整過程，相較傳統(tǒng)單一知識點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項目，學(xué)生主動將多個知識點(diǎn)進(jìn)行了串聯(lián)和應(yīng)用，將抽象的概念有了向工程意識下實(shí)物性的轉(zhuǎn)化。例如在上述實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生明白信號發(fā)生電路的設(shè)計不僅是為了產(chǎn)生波形，更是怎樣合理的應(yīng)用，電路中的各項參數(shù)是如何影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行效果；通過變頻器低阻值、高功率的制動電阻的選用，理解計算電阻功率的必要性，以及功率對元器件體積的影響等內(nèi)容。

3.2 實(shí)際效果分析

將改革后的綜合性實(shí)驗(yàn)項目應(yīng)用于2014級各專業(yè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項目要求設(shè)計、搭建模擬生產(chǎn)現(xiàn)場狀況的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，取代傳統(tǒng)成熟的模塊化實(shí)驗(yàn)裝置，展現(xiàn)課程知識點(diǎn)在工程實(shí)踐中應(yīng)用特點(diǎn)和方法，取得了良好的教學(xué)效果。提高了學(xué)生系統(tǒng)的掌握和應(yīng)用課程知識點(diǎn)，運(yùn)用技術(shù)手段對工程應(yīng)用問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的能力，敦促學(xué)生養(yǎng)成了查閱器件手冊，設(shè)計、搭建、調(diào)試電路，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更新設(shè)計等環(huán)環(huán)相扣、步步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴仞B(yǎng)，并能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象自主、科學(xué)的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握了解決仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的問題的能力。由于改革后的綜合性實(shí)驗(yàn)參與性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)難度提高，學(xué)生對待實(shí)驗(yàn)的主觀能動性、實(shí)驗(yàn)過程的安全意識及對自我實(shí)驗(yàn)技能的要求都得到了明顯的改善，學(xué)生之間也充分發(fā)揮了個人優(yōu)勢及團(tuán)隊組織協(xié)調(diào)能力。通過改革我校電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)綜合性實(shí)驗(yàn)項目，達(dá)到了專業(yè)工程認(rèn)證對該課程的提出的各項指標(biāo)點(diǎn)要求。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)工科非電類專業(yè)電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容基礎(chǔ)性強(qiáng)、涵蓋面廣，但系統(tǒng)性較弱，未能突出對學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)等問題，以工程教育認(rèn)證各項要求為標(biāo)準(zhǔn)，重新規(guī)劃開發(fā)了具有工程應(yīng)用背景，強(qiáng)調(diào)“實(shí)物”意識的綜合性實(shí)驗(yàn)項目，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用技術(shù)手段解決工程問題的能力，為學(xué)生進(jìn)行之后的專業(yè)課程奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。為達(dá)到更好的教學(xué)效果，更有利的支撐各專業(yè)進(jìn)行工程認(rèn)證工作，實(shí)驗(yàn)項目和內(nèi)容還將在實(shí)踐中持續(xù)更新和改進(jìn)。