“遞進式”電氣工程專業實踐教學改革

沈海軍， 孫 佳， 齊文娟， 徐青菁， 曼 納

(1.上海交通大學 a. 后勤保障中心，b. 電子信息與電氣工程學院，上海 200240; 2.新疆特種設備檢驗研究院；烏魯木齊 830011)

0 引 言

電氣工程實驗教學中心起源于我校電機系實驗室，近年來，隨著電氣學科領域的擴展及電力技術的飛速發展，電氣工程實驗教學中心已從原有的傳統型實驗室轉型為集電機與電器、電力電子、高電壓絕緣、電力系統等專業為一體的綜合性教學實驗中心，秉承了以人才培養為根本任務與主要目標的原則，為國家培養了大批優秀的電氣工程學科專業人才。經過積極探索與開拓創新，中心以強電行業為依托，以學生實驗與實踐教學為重心，構建了具有“遞進式”綜合性以及電氣工程學科特色的實踐課程體系，致力于培養具有綜合創新能力的電氣工程學科高層次人才[1-3]。

1 構建電氣工程實踐課程體系

實踐教學是高校人才培養方案的重要組成部分，是培養學生實踐能力和創新精神的重要教學環節。電氣工程及其自動化專業是一門實踐性、應用性很強的學科，為了保持與工業發展現狀同步教學，大多數專業課程都需要通過適量的實踐活動來培養學生的實踐動手能力和創新能力。根據電氣工程及其自動化專業的培養目標和要求，電氣工程實驗教學中心構建了“遞進式”的實踐教學體系，將實踐課程遞進為課程實驗、綜合實驗、課程設計以及實踐創新4個層次(見圖1)。實踐課程安排由簡入深，循序漸進，逐層深化，使學生以理論知識為基礎，通過一定的綜合性實驗梳理知識體系，掌握獨立進行工程設計的技能，從而在工程實踐創新項目中激發創新潛能[6-8]。

圖1 電氣工程實踐課程體系

1.1 課程實驗

課程內實驗作為基礎實驗，目前仍以驗證性為主，電氣工程專業的主要專業基礎課程都配有課內實驗，主要面向大三的本科生，實驗在10個學時左右，根據理論課程的進展情況安排實驗進度。開設課程實驗的目的是為了讓學生對課內學習的理論知識有一個實體性了解，將通過理論計算得出的數據在實際模型上加以驗證，加深對知識點的理解。現階段，在提倡綜合性、設計性、創新性的教學手段獲得了更多關注與應用的同時，這類實驗在實踐課程體系中的比重會相應降低，但課程實驗作為基礎教學的有力輔助手段，其基礎性、驗證性仍是實驗教學不可或缺的重要組成部分。

為了提高課程實驗教學效果，調動同學的積極性，避免單純的機械式的實驗操作，實驗中心在實驗教學中采用了資源開放共享、實驗內容拓展、驗收項目細化等一系列措施。中心網站提供了課程實驗相關的教學大綱、實驗指導書、課件和教學視頻以及實驗裝置、實驗儀器說明書等一系列資料(見圖2)。學生可以在網

圖2 課程實驗教學視頻

站上提前熟悉實驗設備、流程和儀器操作方式，并對相關實驗內容進行預習。同時積極探索傳統實物實驗和仿真實驗相結合的手段，增進對理論知識的理解和應用，如simulink仿真、電機電磁場有限元計算等，進一步提升實驗效果。教學過程中，除了驗證理論之外，針對實驗中出現的和理論不太符合的現象，設計相關的思考題，引導同學認識到現實和理想模型的差異和原因，為后續進行相關研究打下基礎。為使同學養成規范安全的實驗操作習慣，實驗結束后教師會針對儀器、儀表、操作步驟等進行檢查，檢查合格后方能簽到，部分檢查內容見表1。

表1 課程實驗檢查表

1.2 綜合實驗

綜合實驗作為前期學習的總結性實驗，由實驗教學中心獨立授課，其中60個學時全部在實驗室完成。根據電氣工程的二級學科方向，共設有5門綜合實驗課程。電力系統應用綜合實驗和運動控制綜合實驗開設在大三下學期，電氣系統綜合實驗、電氣設備綜合實驗、電氣控制綜合實驗開設在大四上學期。本科生需要在開設綜合實驗的每個學期均要選擇一門實驗進行學習。綜合實驗引入RTDS電力實時數字仿真系統、微芯高/低壓電機控制板等業內最新平臺，要求學生以團隊的形式，2～3人一組，動手實踐，進行綜合性的系統構建。目的是讓學生建立系統的概念，將分散的知識點整合為完整的知識體系，掌握系統模型的建立，熟悉軟硬件的聯合調試方法，圖3所示為RTDS距離保護系統模型圖。通過兩學期綜合實驗的訓練，學生基本上建立了系統的概念，會利用已有的軟硬件平臺實現自己預期的功能，培養初步的團隊協作意識。

圖3 RTDS距離保護系統模型圖

1.3 課程設計

課程設計作為系統性和設計性較強的實驗課程，分別開設在大三下學期及大四上學期。每門課程會提供幾個適合的題目供學生選擇，學生需要在64個學時之內完成所選題目，提交包括軟件程序及硬件系統在內的完整設計作品。為了達到新工科人才培養的目標，課程設計的選題、作品性能指標以及經濟指標，都緊跟市場主流產品。學時分配大體為4學時在教室完成，布置設計題目，歸納完成設計所需的知識體系結構，講解設計過程中的注意事項。其余60學時在實驗室進行，需要完成軟件代碼設計、元器件選型、硬件原理圖、PCB繪制及制版、電路焊接及調試、報告撰寫，最終提交作品及詳細的設計報告。課程設計作為系統性的設計實踐課程，采用任課教師引導、實驗室教師輔助、學生自由組建團隊來完成的教學模式，充分調動學生的積極性，促進學生為了達到工程目標，進行主動學習。使學生對工程設計理念有深入的體會，形成明確的合理分工及相互協作的團隊意識，真正掌握設計過程中運用到的知識點。通過課程設計的訓練，學生初步具備了電氣工程師的設計能力，能夠利用團隊完成一個小型的電氣設計作品，為培養高層次的電氣專業人才奠定了基礎。

1.4 實踐創新

實踐創新是提升學生創新能力的重要環節，包括工程實踐與科技創新課程、PRP項目、大學生創新計劃項目、生產實習幾個模塊。工程實踐與科技創新主要面向大三下學期及大四上學期的本科生，學時為32學時。該實踐課程由電氣實驗教學中心獨立開設，給學生自由創新的發揮空間，學生可以自由組隊，利用實驗室提供的器件與設備，發散思維，和傳統課程實驗、綜合實驗以及課程設計不同的是，同學可以自由設計題目，通過查閱資料獲得技術支持，將自己的創意轉化為現實作品。PRP項目與大學生創新計劃項目也是實踐創新模塊的重要組成部分，由學校教務處統一管理，學生以個人或團隊形式提交立項申請，通過立項審核的項目學校會給予配套的經費支持，學生可根據項目需要購置器件與設備。對于基于實驗教學中心立項的項目，實驗教學中心會提供給學生開放的實驗室和設備資源，實驗室教師配合指導，項目周期根據難易程度設置為半年或1年。生產實習作為即將進入大四的本科生必修課，為學生提供了與電氣相關企業接觸與交流的機會，讓大學生走進企業，親臨實地了解電氣行業的運作流程及生產狀況，感受不同企業文化所構建的工作氛圍。實習的形式也是多樣化的，可以根據企業和學科對學生培養的要求進行定制，以求達到“雙贏”。

幾種不同形式的實踐創新模塊，從不同方面激勵了學生的創新意識，培養了學生的綜合性創新能力。經過實踐創新環節的訓練，學生已經具備了電氣專業的獨立設計能力，承擔項目的統籌能力，團隊建設的組織能力[9-15]。圖4～6所示為同學在工程實踐與科技創新課程中設計的作品。這些作品從方案設計、模型搭建和控制實現均由同學獨立完成。圖7所示為實驗中心近年來的部分PRP和大學生創新計劃項目，這些項目緊跟當今技術主流，通過項目訓練，學生的實踐能力和科研能力得到很好的鍛煉。

圖4 太陽能發電自動追蹤系統

圖5 姿態同步器系統

圖6 摩天輪控制系統

圖7 部分PRP和大學生創新項目

2 實驗課程體系改革取得的成績及思考

電氣工程實驗教學中心自2009年教改至今，為電氣專業本科生提供了良好的實驗環境及優質的實驗條件，中心構建的“梯進式”實驗教學體系自運行以來，深受學生好評，為電氣行業培養了大批的優秀人才。循序漸進的培養模式大大的激發了學生的學習興趣，學生在遞進的實踐體系中逐步得到自我肯定，獲得累積的成就感，使每一位同學都建立了多樣的創新意識。在實踐創新環節涌現了一系列優秀學生作品，在國家級和上海市的各類科技競賽中都取得了優異的成績，一些學生作品最終轉化為成熟的工業產品和實驗教學設備，受到了業界的一致好評。

實踐教學在傳統觀念中一直處于教學輔助的地位，但實踐證明，完善的實踐課程體系在工程類學科尤其是電氣工程專業的教學領域發揮著極其重要的作用，是高層次人才培養的主要實現環節之一。教學實驗室作為本科生實驗課程與創新實踐活動的主要基地，應該獲得與其作用相符的地位，得到高校教學領域的重視。

3 結 語

電氣工程實驗教學中心將以培養適應科技進步發展需要的高質量電氣工程技術人才為目標，進一步加強實驗及實踐教學環節、完善教學體系，著力提升學生的工程素養和工程創新能力，力爭培養更多創新能力強、適應行業需求快的優質電氣工程師。