“卓越計劃”專業(yè)的實驗室功能定位及實現(xiàn)

周 律，周克寧

（浙江科技學(xué)院 電氣學(xué)院 工程實踐中心，浙江 杭州 310023）

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱卓越計劃）是教育部于2010年聯(lián)合有關(guān)部門和行業(yè)協(xié)會共同在有關(guān)高校中組織實施的計劃。推行此計劃的目的在于培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量的工程技術(shù)人才。我校“電氣工程及其自動化”專業(yè)為教育部批準的首批試點專業(yè)，并依據(jù)CDIO理念制定并實施了特別的教育培養(yǎng)計劃。計劃突出了課程設(shè)置、實驗環(huán)節(jié)和企業(yè)實踐，學(xué)生總體上要經(jīng)過校內(nèi)理論課學(xué)習(xí)、課程實驗環(huán)節(jié)及1年企業(yè)實踐才能完成學(xué)業(yè)。為了發(fā)揮實驗室在培養(yǎng)學(xué)生實踐及創(chuàng)新能力方面的作用，眾多高校在這方面進行了探索［1-3］。為提高實驗室利用率，給學(xué)生創(chuàng)造自由進入實驗室開展實驗活動的條件，開放性實驗室模式得到重視［4］。2010年“卓越計劃”的推出帶動了試點高校教育或教學(xué)模式的改革，其中實驗室建設(shè)也是研究的重點［5-6］。但是，無論實驗室在運行階段采用何種模式進行教學(xué)，在新建實驗室前，如何定位實驗室的功能是至關(guān)重要的一步［7］。本專業(yè)在2012年籌建新的專業(yè)實驗室時，根據(jù)電氣專業(yè)的教學(xué)要求，確定了以增強學(xué)生專業(yè)領(lǐng)域工作能力為導(dǎo)向的實驗室功能定位思路，并在建設(shè)“新能源及應(yīng)用技術(shù)實驗室”中付諸于實現(xiàn)。

1 實驗室的功能定位

我校并非是原有的部屬院校，電氣專業(yè)辦學(xué)也沒有很強的行業(yè)背景，因此專業(yè)辦學(xué)是根據(jù)本地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及人才需求情況來確定。本地區(qū)的特點是中小企業(yè)、私營及民營企業(yè)多，而且涉及電氣技術(shù)的企業(yè)也幾乎包含電氣工程學(xué)科的各個領(lǐng)域。鑒于此，我校電氣專業(yè)設(shè)定3個專業(yè)方向：電機與控制技術(shù)、供配電技術(shù)及電能變換技術(shù)。其目的是使學(xué)生能比較全面地掌握電氣工程學(xué)科中某個專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)知識，以盡快適應(yīng)企業(yè)對人才的要求。

本文所涉及“新能源及應(yīng)用技術(shù)實驗室”是“電能變換技術(shù)”方向的重點實驗室，在籌建該實驗室的方案時如何定位實驗室的功能至關(guān)重要。定位不妥，建成后的實驗室就發(fā)揮不了實現(xiàn)教學(xué)目標和培養(yǎng)“卓越”人才的作用。卓越計劃實施的目的之一是希望培養(yǎng)出具有較強實踐創(chuàng)新能力的卓越現(xiàn)場工程師。要做到這點，需要在拓寬學(xué)生專業(yè)知識面的同時，加強在某類電氣技術(shù)領(lǐng)域的知識學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的某個專業(yè)領(lǐng)域的知識水平和實踐能力，增強學(xué)生的行業(yè)競爭力。

1.1 多門課程知識的綜合功能

在高校，不少實驗室的建設(shè)思路仍然是局限于為某一課程服務(wù)，因而實驗室建成后只能對一門課程服務(wù)。這不僅使得實驗室利用率十分低下，同時還易造成學(xué)生知識隔裂、缺乏將相關(guān)知識有機結(jié)合起來理解或運用的能力。“新能源及應(yīng)用技術(shù)實驗室”作為新建的專業(yè)實驗室，在方案制定時就充分意識到這一問題。新能源及應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)知識包含有新能源（根據(jù)現(xiàn)有條件和應(yīng)用廣度，考慮風(fēng)能和太陽能）的特性、能量的存儲、電能的轉(zhuǎn)換技術(shù)等，并牽涉電氣電子產(chǎn)品的研發(fā)技術(shù)、EMC及安全性能檢測技術(shù)、儲能及發(fā)電的系統(tǒng)集成技術(shù)等概念。從課程上講，新能源及應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)知識涉及有太陽能光伏、風(fēng)能發(fā)電機、現(xiàn)代電力電子、電磁兼容技術(shù)、電氣測量技術(shù)等課程知識。基于這一考慮，新建實驗室的設(shè)備和儀器應(yīng)能夠開設(shè)出為這些課程服務(wù)的實驗項目。

1.2 產(chǎn)業(yè)技術(shù)的結(jié)合功能

電能變換技術(shù)實際上在行業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電力電子產(chǎn)品層面、產(chǎn)品測試技術(shù)層面、新能源應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架層面等3個層次。在本地區(qū)眾多相關(guān)企業(yè)中，有的專業(yè)開發(fā)生產(chǎn)電力電子產(chǎn)品或裝置，有的生產(chǎn)光伏電池和風(fēng)能發(fā)電機，而有的企業(yè)專門研發(fā)新能源發(fā)電系統(tǒng)集成。這就要求實驗室設(shè)有針對3個層次不同需求的實驗功能，也就是在這個實驗室里，學(xué)生既可進行產(chǎn)品級的電路實驗，也可進行產(chǎn)品測試和新能源儲能及發(fā)電的系統(tǒng)組成實驗。經(jīng)過這部分的實驗及訓(xùn)練，學(xué)生就能比較好地應(yīng)對不同的企業(yè)需求。

1.3 實驗性質(zhì)的多樣性功能

有許多傳統(tǒng)實驗室只能開設(shè)出驗證性實驗，學(xué)生無法進行設(shè)計性、探究性實驗，制約了學(xué)生學(xué)習(xí)探索的能動性，極大削弱了實驗室的綜合功能［8］。例如本校的電力電子實驗室、電機與控制實驗室，都只能進行驗證性實驗。由于實驗設(shè)備是外購成套設(shè)備，結(jié)構(gòu)和功能都已固化，要改造十分困難。根據(jù)教學(xué)改革趨勢和卓越人才培養(yǎng)的方式，實驗室建設(shè)時應(yīng)盡量能開設(shè)出具有多種性質(zhì)的實驗［9］。實驗性質(zhì)多樣性體現(xiàn)在驗證性、設(shè)計性、探究性和操作性實驗都能在一個實驗室內(nèi)進行。依此而建的實驗室能大大提高實驗綜合的功能，同時為發(fā)揮學(xué)生的潛能提供很好的平臺。

1.4 教學(xué)和科研的雙重功能

普通本科院校同樣承擔科學(xué)研究、服務(wù)社會的責(zé)任，實驗室的功能定位應(yīng)考慮這些需求，尤其是當前的實驗室建設(shè)。事實上，確實有一些實驗室建設(shè)時沒有這樣做，導(dǎo)致的結(jié)果往往是實驗室占據(jù)較大空間，但實驗裝置和儀器無法為科研服務(wù)。而且由于單純?yōu)榻虒W(xué)服務(wù)，因此開放時間較短。這導(dǎo)致實驗室的空間和時間的利用率都比較低，而無法發(fā)揮為社會服務(wù)的功效。

為了能充分發(fā)揮實驗室的作用，要使購置或開發(fā)的實驗裝置不僅具有教學(xué)功能，同時還具有進行科研的功能，以支撐科研及為社會服務(wù)。不僅如此，實驗室還可吸收教師與優(yōu)秀學(xué)生共同開展科研活動，為培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才起到奠基作用［10-11］。

2 實驗室功能的實現(xiàn)

基于上述實驗室功能定位的思考，我們在制定新能源及應(yīng)用技術(shù)實驗室的建設(shè)方案時貫徹了強化實驗室功能的思想，制定了對應(yīng)的實施計劃。在方案實施過程中與實驗裝置供貨方共同商定裝置的技術(shù)和功能要求。

2.1 融合電能變換相關(guān)技術(shù)知識構(gòu)建實驗裝置

在建設(shè)實驗室時，構(gòu)建實驗裝置輻射面寬的實驗室，打破實驗室僅能服務(wù)一門課程的常規(guī)做法，結(jié)合新能源的電能變換裝置技術(shù)領(lǐng)域，將現(xiàn)代電力技術(shù)、電磁兼容技術(shù)及電氣測量技術(shù)等課程的內(nèi)容整合在一套實驗裝置之中。具體做法是開發(fā)一套綜合實驗裝置，包含有光伏充電模塊、高頻變壓器隔離式DC-DC變換模塊及逆變模塊等，同時在這些模塊中結(jié)合了輻射檢測、傳導(dǎo)干擾檢測以及電壓電流測量電路模塊。這樣做的突出優(yōu)點就在于學(xué)生僅通過一套裝置的實驗操作，就能清楚地了解到電能變換裝置在開發(fā)及應(yīng)用過程中所要觸及的大部分知識，并將相關(guān)課程知識有機地串接起來。

2.2 實驗室裝置與產(chǎn)業(yè)技術(shù)緊密結(jié)合

裝置的結(jié)構(gòu)、布局、功能盡量貼近生產(chǎn)實際，具體來講，從電能變換裝置的具體電路到裝置構(gòu)成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，再到裝置的EMC測試設(shè)備，構(gòu)成了比較完整的應(yīng)用體系，體現(xiàn)了新能源應(yīng)用技術(shù)之間的相互聯(lián)系。在這方面，開發(fā)了電能變換電路模塊綜合裝置，學(xué)生可以直接熟悉電路結(jié)構(gòu)、測試電路參數(shù)、觀察電路工作波形。同時購置專門定制的光伏風(fēng)能實驗實訓(xùn)臺，學(xué)生通過實訓(xùn)臺掌握充電控制器、逆變器、光伏風(fēng)能互補控制器、監(jiān)控儀表的使用方法和系統(tǒng)連接、調(diào)試方法。通過這些裝置開設(shè)的實驗，學(xué)生不僅知道電能變換技術(shù)的電路知識，也能掌握應(yīng)用系統(tǒng)組成的相關(guān)知識，這對學(xué)生今后在電源產(chǎn)業(yè)、新能源利用及發(fā)電行業(yè)發(fā)揮作用極其有利。

2.3 實驗電路模塊設(shè)計成組合式、積木式結(jié)構(gòu)形式

首先每個模塊的功能是獨立的，由這些模塊構(gòu)成的綜合裝置可以實現(xiàn)從充電、升壓、逆變及監(jiān)測的完整儲能、發(fā)電體系。裝置具有一套演示模塊，但是這些模塊進出端都設(shè)計成插件式并可由其他模塊替換演示模塊。這意味著學(xué)生可以自行設(shè)計功能模塊，只要留出相應(yīng)端口就可取代演示模塊而接入系統(tǒng)。同時，演示模塊的設(shè)計也非常靈活，模塊采用真正意義上的嵌入式結(jié)構(gòu)，即微控制器單元也都設(shè)計成插板形式。而插板上的微處理器芯片可以是DSP、ARM或高性能單片機。這樣，換上不同的插板，就可熟悉和運用不同芯片構(gòu)成的控制器技術(shù)，而不需要改動電路硬件。顯然這種模式為學(xué)生進行設(shè)計性、研究性實驗提供了良好的條件。

2.4 配置能用于科研項目開發(fā)的設(shè)備和儀器

為了能最大限度發(fā)揮實驗室裝置和設(shè)備的功效，同時又能讓學(xué)生熟悉和了解在生產(chǎn)及開發(fā)產(chǎn)品過程中需要什么樣的儀器，在實驗室的建設(shè)經(jīng)費中合理地進行分配，從中劃出一部分購置可用于科研的設(shè)備儀器。舉例來說，圍繞電能變換裝置的研究開發(fā)，配置了電子負載、磁性材料特性測試儀、電能質(zhì)量分析儀、穩(wěn)定交流電源等常用設(shè)備和儀器。這些裝備（包括部分EMC測試設(shè)備）為教師開展科研工作和為企業(yè)服務(wù)創(chuàng)造了有利的條件，并使實驗室的時空利用率大為提高。

3 結(jié)束語

對實驗室的功能定位是實驗室籌建前必須認真考慮的工作，這項工作對制定實驗室建設(shè)計劃具有重要意義。如果功能定位不合適或者太過單一，實驗室建設(shè)項目完成后往往會成為遺憾工程項目。常見的情況是實驗室建設(shè)時容易陷入僅為課程服務(wù)的思維定式，而較少考慮如何和產(chǎn)業(yè)技術(shù)緊密結(jié)合及訓(xùn)練學(xué)生實際應(yīng)用能力。雖然有的實驗室建設(shè)時考慮到了科研需求，但缺乏其他功能的考慮。而本實驗室的功能定位是把上述4種功能綜合在一個實驗室中。與之對應(yīng)的是，實驗室裝備平臺分成4個功能區(qū)塊：光伏實驗實訓(xùn)臺、電能變換模塊綜合實驗裝置、電能變換裝置產(chǎn)品研發(fā)設(shè)備平臺及EMC測試設(shè)備平臺。這4個功能平臺滿足了上述實驗室功能定位的要求，能有效發(fā)揮實驗室綜合作用，提高實驗室的利用率［12］。2013年10月實驗室投入運行后，電氣專業(yè)選擇“電能變換技術(shù)”方向的91名學(xué)生按計劃在實驗室完成了規(guī)定的實驗任務(wù)，其中包含1項設(shè)計性實驗項目和1項探究性實驗項目。此外，有多名學(xué)生課外參與了在實驗室開發(fā)的“300VA光伏并網(wǎng)逆變器”等企業(yè)項目。

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