基于電氣工程的專業(yè)課程融合探索與實踐

盧森幸

（河池學(xué)院 人工智能與制造學(xué)院，廣西宜州 546300）

在信息經(jīng)濟(jì)時代，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。高校是我國人才培養(yǎng)的主要基地，在人才培養(yǎng)過程中，需要正確引導(dǎo)，充分調(diào)動，積極培養(yǎng)。

1 高校工科專業(yè)課程融合的重要性及其建設(shè)情況

為主動應(yīng)對新一輪技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。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(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展[1-3]。2017 年6 月，教育部辦公廳印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。

黨的二十大報告提出，要堅持教育優(yōu)先發(fā)展、科技自立自強、人才引領(lǐng)驅(qū)動，加快建設(shè)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(yǎng)質(zhì)量，著力造就拔尖創(chuàng)新人才，聚天下英才而用之[4]。新時代新要求，國家的發(fā)展與人才的培養(yǎng)密切相關(guān)。

目前，高校積極推進(jìn)新工科建設(shè)，針對工程教育，提出改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，積極開展工程教育專業(yè)認(rèn)證[5]，明確培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，建立“畢業(yè)要求－培養(yǎng)目標(biāo)”對應(yīng)矩陣，甚至細(xì)化到知識點，落實“課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的關(guān)系”“考核方式對課程目標(biāo)的達(dá)成情況”。對學(xué)生知識、技能進(jìn)行規(guī)范化教學(xué)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(lián)性、系統(tǒng)化，導(dǎo)致學(xué)生知識和技能提升效率低、缺乏專業(yè)應(yīng)用自信。

2 基于電氣工程的專業(yè)課程融合建設(shè)理念

針對電氣工程自動化專業(yè)，進(jìn)行基于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（以下簡稱繼保）、設(shè)備自動化、PLC 控制技術(shù)及應(yīng)用（以下簡稱PLC）、組態(tài)技術(shù)及應(yīng)用（以下簡稱組態(tài)技術(shù)）等專業(yè)課程融合建設(shè)的探索與實踐，建立智慧教學(xué)平臺。通過這個平臺，實現(xiàn)電力系統(tǒng)及其設(shè)備自動化的繼電保護(hù)仿真、現(xiàn)場操作、遠(yuǎn)程控制、電力系統(tǒng)保護(hù)管理。

每門課程的知識與技能可以獨立教學(xué)，同時可以實現(xiàn)課程之間知識與技能串聯(lián)化，面向電力和電氣工程自動化崗位知識和技能養(yǎng)成。利用平臺，可以串聯(lián)專業(yè)課程之間的知識和技能，做到前期學(xué)習(xí)的課程是后期學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)，后期課程在實踐前期課程知識和技術(shù)的過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)知識和技能深層消化，訓(xùn)練實踐能力。面向新工科，做到專業(yè)課程融合、學(xué)以致用，用以促學(xué)，學(xué)用相長，提升學(xué)生專業(yè)自信。

課程注重崗位人文素養(yǎng)和科學(xué)的工作作風(fēng)，培養(yǎng)具有扎實工程技能和實事求是科學(xué)作風(fēng)的工程系統(tǒng)程序設(shè)計和項目實操復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。

智慧教學(xué)平臺針對電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生，面向新工科，聚焦專業(yè)的課程融合，瞄準(zhǔn)崗位需求，傳授專業(yè)領(lǐng)域必需的基礎(chǔ)理論、基本知識和專業(yè)技能，使學(xué)生成為電力工程、電氣自動化裝備、系統(tǒng)管理領(lǐng)域從事設(shè)計與生產(chǎn)、調(diào)試與運行、檢修與維護(hù)、技術(shù)研發(fā)及改造、自動化系統(tǒng)管理等工作的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才。

3 基于電氣工程的專業(yè)課程融合智慧教學(xué)平臺設(shè)計

3.1 智慧教學(xué)平臺的層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)企業(yè)數(shù)字化智能制造結(jié)構(gòu)層次，面向崗位知識和技能進(jìn)行課程融合教學(xué)，搭建三級智慧教學(xué)平臺[6-8]，貫徹“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行”的工程教育理念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方式。智慧教學(xué)平臺層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用分布控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計原則是分散控制、集中操作、分組管理、分而自治、綜合協(xié)調(diào)。平臺從上到下分為綜合信息管理級、計算機監(jiān)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(xiàn)基于電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)課程融合智慧教學(xué)。

分散過程控制級是初學(xué)者電氣工程繼保、設(shè)備自動化、PLC 等課程知識和技能自身養(yǎng)成級。它是集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由PLC、智能終端、智能調(diào)節(jié)器和智能傳感器組成。智能終端、智能調(diào)節(jié)器、智能傳感器及其之間的電氣連接線等組成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)二次側(cè)線路或電氣工程設(shè)備自動化線路，可以獨立進(jìn)行電力系統(tǒng)繼電保護(hù)或電氣設(shè)備自動化實訓(xùn)教學(xué)，即電力系統(tǒng)（或電氣工程）的就地人工操作。這個電力系統(tǒng)繼電保護(hù)二次側(cè)線路（或電氣工程設(shè)備自動化線路），也可以作為PLC 控制系統(tǒng)的外圍電氣連接，通過PLC 進(jìn)行電力系統(tǒng)繼電保護(hù)自動化控制。智能傳感器采集線路電壓、電流等參數(shù)，參數(shù)可以通過總線傳送到操作員工作站、監(jiān)控計算機和PLC。智能調(diào)節(jié)器可以設(shè)置監(jiān)控參數(shù)的預(yù)設(shè)值，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理或電氣工程需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能終端可以顯示實時監(jiān)控參數(shù)，進(jìn)行告警。PLC 是分散過程控制級的監(jiān)控核心，它通過傳感器獲取電壓、電流等參數(shù)，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理或電氣工程自動化的要求，驅(qū)動電磁調(diào)節(jié)閥、電動閥、電機和智能調(diào)節(jié)器等執(zhí)行機構(gòu)，進(jìn)行順序控制或某一個被控制量的閉環(huán)控制等。PLC 可以控制具有電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的二次側(cè)線路或電氣工程設(shè)備自動化線路，進(jìn)行PLC 知識和技能教學(xué)，完成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的數(shù)字化自動控制，屬于電力系統(tǒng)的就地操作。利用這個控制級，可以進(jìn)行繼保、設(shè)備自動化、PLC 課程獨立教學(xué)，也可以進(jìn)行三門課程線性累加式融合教學(xué)。

計算機監(jiān)管控制級用組態(tài)技術(shù)設(shè)計，可以進(jìn)行仿真，也可以完成操作過程監(jiān)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(chǎn)現(xiàn)場參數(shù)，利用RS485 現(xiàn)場總線通信方式與計算機監(jiān)管控制級通信，根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理或電氣工程要求確定決策，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。操作員工作站由值班工作人員操作，完成現(xiàn)場操作。監(jiān)控計算機可以監(jiān)控現(xiàn)場工作參數(shù)，同時，可以根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)或電氣工程的需求，變更系統(tǒng)的參數(shù)并且完成設(shè)定。利用這個控制級，可以進(jìn)行繼保、設(shè)備自動化等課程的獨立教學(xué)，面向仿真、遙控遙測方面教學(xué)；可以進(jìn)行組態(tài)技術(shù)課程獨立教學(xué)，面向電力系統(tǒng)繼電保護(hù)組態(tài)設(shè)計方面教學(xué)，也可以進(jìn)行兩門課程線性累加式融合教學(xué)[12-14]。圖2 是低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目分散過程控制級和計算機監(jiān)管控制級實物圖。

圖2 低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目實物圖和上位機管理界面

綜合信息管理級用組態(tài)技術(shù)設(shè)計，通過網(wǎng)絡(luò)連接通訊，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，具有電力系統(tǒng)保護(hù)管理或電氣工程管理功能。管理功能按照電力系統(tǒng)或電氣工程管理常用的管理模式進(jìn)行設(shè)計，有利于學(xué)生今后快速適應(yīng)崗位需求，圖3 是低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目管理組態(tài)設(shè)計。利用這個控制級，可以進(jìn)行組態(tài)技術(shù)課程獨立教學(xué)，面向電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備自動化管理完成組態(tài)設(shè)計；也可以進(jìn)行電力系統(tǒng)管理課程教學(xué)，面向崗位工作需要教學(xué)。

圖3 低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目管理組態(tài)設(shè)計

平臺實現(xiàn)抽象電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和設(shè)備自動化理論的具體化，可以通過仿真、實驗設(shè)計實現(xiàn)直觀理解。平臺結(jié)構(gòu)以工業(yè)電力應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)架設(shè)，上層管理按照電力系統(tǒng)常用管理模式進(jìn)行設(shè)計，有利于學(xué)生今后快速適應(yīng)崗位需求。

3.2 線性累加式崗位知識和技能教學(xué)融合

面向新工科，以崗位需求為準(zhǔn)則，結(jié)合電氣工程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對電力系統(tǒng)、電氣行業(yè)人才需求，堅持“理實一體、項目導(dǎo)向、創(chuàng)新驅(qū)動”的原則，結(jié)合課程特點，秉承以學(xué)生為中心理念，對原課程知識體系進(jìn)行了拆分和重構(gòu)，并充分融合了行業(yè)最新案例。內(nèi)容構(gòu)建貫徹“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行”工程教育理念，注重設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈上下游培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才。

課程設(shè)計以知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造為導(dǎo)向，遵循認(rèn)知規(guī)律，將現(xiàn)代信息技術(shù)與主流教育理念深度融合，基于在線平臺構(gòu)建開放式學(xué)習(xí)情境，堅持問題驅(qū)動和項目導(dǎo)向，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，實現(xiàn)意義建構(gòu)和能力培養(yǎng)。面向智能控制研究、綠色控制產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈，提升課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，促進(jìn)過程性學(xué)習(xí)管理和多元化考核評價有機結(jié)合，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

在智慧教學(xué)平臺上，課程教學(xué)可以獨立教學(xué)，又可以實現(xiàn)專業(yè)課程之間知識和技能的串聯(lián)化、應(yīng)用化、系統(tǒng)化、實戰(zhàn)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(hù)項目為例，分析課程之間的線性累加式教學(xué)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(hù)理論，應(yīng)用電壓互感、電流互感器、電磁閥等器件構(gòu)建低壓閉鎖電流速斷保護(hù)線路，完成該保護(hù)的人工就地控制設(shè)計，使學(xué)生理解并應(yīng)用低壓閉鎖電流速斷保護(hù)理論、創(chuàng)造性地設(shè)計保護(hù)裝置。另外，面向PLC課程教學(xué)，讓學(xué)生利用在繼保課程搭建的作為PLC 的外圍線路，根據(jù)低壓閉鎖電流速斷保護(hù)控制原理，完成PLC 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，實現(xiàn)低壓閉鎖電流速斷保護(hù)就地自動化控制，使學(xué)生加深對低壓閉鎖電流速斷保護(hù)理論的理解，增加保護(hù)的手段，提高保護(hù)實施技能。

表1 低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目的線性累加式崗位知識和技能教學(xué)融合設(shè)計

在計算機監(jiān)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(hù)的信號或參數(shù)作業(yè)組態(tài)系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)源，搭建低壓閉鎖電流速斷保護(hù)仿真、監(jiān)測和管理的組態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)低壓閉鎖電流速斷保護(hù)的仿真、遙控和遙測監(jiān)控。分散過程控制級的低壓閉鎖電流速斷保護(hù)線路設(shè)計及其PLC 程序設(shè)計是組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，而組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計又是它們理論和應(yīng)用的進(jìn)一步升華。

在綜合信息管理級，面向低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目管理，需要構(gòu)建項目管理功能。管理功能按照崗位管理需要設(shè)計，數(shù)據(jù)信息由分散過程控制級的低壓閉鎖電流速斷保護(hù)線路及其PLC 控制系統(tǒng)提供。通過整理數(shù)據(jù)、歸化信息，達(dá)成低壓閉鎖電流速斷保護(hù)項目管理功能，學(xué)生低壓閉鎖電流速斷保護(hù)知識和技能再一次升華，達(dá)到工作的崗位需求，使得學(xué)生畢業(yè)后能快速適應(yīng)工作崗位要求。

4 基于電氣工程的專業(yè)課程融合智慧教學(xué)平臺的特色

基于電氣工程的專業(yè)課程融合智慧教學(xué)平臺主要有以下特色：

4.1 面向新工科、聚焦專業(yè)的課程融合

課程教學(xué)可以獨立進(jìn)行，課程之間又有串聯(lián)性，實現(xiàn)課程知識和技能應(yīng)用化、系統(tǒng)化，面向新工科，做到專業(yè)課程融合。實現(xiàn)專業(yè)課程之間知識學(xué)習(xí)和應(yīng)用有機融合，串聯(lián)專業(yè)課程知識。做到前期學(xué)習(xí)的課程是后期學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)，后期課程是在實踐前期課程知識和技術(shù)的過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，面向?qū)I(yè)崗位技能，充分學(xué)習(xí)并提高技能。

4.2 兼?zhèn)涮摂M實驗、實訓(xùn)操作、系統(tǒng)管理

平臺具備課程知識和技能教學(xué)中的虛擬實驗、實訓(xùn)操作、系統(tǒng)管理，避免學(xué)生強電操作的危險性，符合安全操作原則，同時讓學(xué)生直接接觸遠(yuǎn)程操作和數(shù)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(xué)

平臺的課程知識與技能可以獨立教學(xué)，同時可以實現(xiàn)課程之間知識與技能串聯(lián)化、應(yīng)用化、系統(tǒng)化，做到后學(xué)的課程是在前期學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，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(yǎng)成，實現(xiàn)線性累加式崗位知識和技能教學(xué)。

5 結(jié)語

基于電氣工程及其自動化的專業(yè)課程融合智慧教學(xué)平臺，成功實現(xiàn)課程知識和技能獨立教學(xué)，同時，實現(xiàn)專業(yè)課程之間知識和技能串聯(lián)化、應(yīng)用化、系統(tǒng)化和實戰(zhàn)化，讓學(xué)生在教學(xué)過程中迅速提升專業(yè)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(xué)以致用，以用促學(xué)，學(xué)用相長，提升學(xué)生專業(yè)自信。