“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”與學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

張繼紅，吳建強(qiáng)，劉曉芳

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程是于20001年新開(kāi)設(shè)的一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程。它是集自主型、設(shè)計(jì)型和綜合型于一體的大型實(shí)踐課，課程安排在“電工學(xué)”課之后，為32學(xué)時(shí)。開(kāi)設(shè)這門(mén)課的目的是使學(xué)生了解和掌握電工學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一些實(shí)用高新技術(shù)，提高學(xué)生掌握實(shí)用高新技術(shù)和綜合用電的技能，增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力。

經(jīng)過(guò)十幾年的探索和實(shí)踐，目前的“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程體系更加完善，教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)，教學(xué)方法和教學(xué)手段多樣靈活，使學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到了顯著提高。2003年出版了配套的教材《電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐》［1］，內(nèi)容包括電工、電子電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、EDA技術(shù)、可編程控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)。在后續(xù)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不斷充實(shí)，PLC及變頻器等核心設(shè)備的更新及先進(jìn)的仿真軟件的采用，2009年出版了《電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐》的第2版，深受師生的好評(píng)。

“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程于2005年被評(píng)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀課程。同年“電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的研究與實(shí)踐—電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐課程的創(chuàng)建”獲黑龍江省高等學(xué)校教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

1 “電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程主要內(nèi)容

“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程內(nèi)容融入了當(dāng)代電子信息、電子工程、電氣工程領(lǐng)域內(nèi)的如下主要的高新技術(shù)內(nèi)容。

(1)電工和電子電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

電工和電子電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)踐目前使用的軟件是“OrCAD15.7”電子電路仿真軟件。它是EDA工具軟件中最受歡迎的軟件之一，它不僅可以進(jìn)行模擬電路、邏輯電路的基本性能分析，還可以進(jìn)行傅立葉、蒙特卡羅等特殊性能的分析。另外，它還在優(yōu)化設(shè)計(jì)、印制電路板布線、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)設(shè)計(jì)等方面顯示出強(qiáng)勁優(yōu)勢(shì)。由于學(xué)時(shí)有限這部分的主要教學(xué)內(nèi)容是電路原理圖繪制(Capture)和PSpice電路仿真分析方法。使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)踐掌握使用OrCAD15.7軟件仿真模擬電路和數(shù)字電路的方法，也為后續(xù)電子電路設(shè)計(jì)奠定了好的基礎(chǔ)。

(2)電子電路設(shè)計(jì)專(zhuān)題

電子技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在學(xué)完單元的內(nèi)容和實(shí)踐后，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是對(duì)所學(xué)知識(shí)綜合全面的運(yùn)用，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合開(kāi)發(fā)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維有十分重要的意義。

電子電路設(shè)計(jì)專(zhuān)題的實(shí)踐內(nèi)容是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求(一個(gè)模擬電子電路和一個(gè)數(shù)字電子電路)，運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，查閱、收集有關(guān)資料，設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求的初步設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)仿真分析后再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證。在實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)硬件的調(diào)試得到進(jìn)一步的完善，并寫(xiě)出完整的設(shè)計(jì)報(bào)告(每次實(shí)驗(yàn)前需提交指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告)。

(3)可編程邏輯器件及EDA技術(shù)

我們?cè)贓DA實(shí)踐課中選用的是Altera公司的FLEX系列FPGA芯片，因此課堂中選用的是Altera公司提供的MAX+plus II 10.2邏輯仿真軟件。使用MAX+plus II進(jìn)行的設(shè)計(jì)包括原理圖設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程。MAX+plus II的設(shè)計(jì)輸入、處理和校驗(yàn)功能提供了全集成化的一套可編程邏輯開(kāi)發(fā)工具，可加快動(dòng)態(tài)調(diào)試，縮短開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)實(shí)踐，使學(xué)生了解EDA(FPGA/CPLD)基本概念，初步學(xué)會(huì)使用MAX+plus II邏輯仿真軟件，了解EDA2000實(shí)驗(yàn)儀和EDA2000軟件的使用方法，學(xué)會(huì)進(jìn)行器件寫(xiě)入。

(4)可編程控制器(PLC)技術(shù)

可編程控制器實(shí)踐使用的是日本松下公司生產(chǎn)的小型PLC產(chǎn)品FP-XC30R。FPWIN GR是松下電工為其FP系列可編程控制器與個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)時(shí)所使用的編程支持工具軟件。

可編程控制器實(shí)踐中，要學(xué)生了解FPWIN-GR軟件的基本功能，學(xué)會(huì)使用梯形圖編輯模式編寫(xiě)PLC程序及運(yùn)行程序的基本方法。能根據(jù)給定的控制要求設(shè)計(jì)和編輯PLC程序，對(duì)三相電動(dòng)機(jī)等負(fù)載進(jìn)行控制。

(5)變頻調(diào)速器技術(shù)

在變頻調(diào)速實(shí)踐中使用的是松下VFOC小型變頻器。要求學(xué)生了解變頻調(diào)速器的工作原理，并熟悉其正確接線方法及各種控制功能;學(xué)會(huì)用操作板模式及外部設(shè)備操作模式控制三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并學(xué)會(huì)用PLC代替外部設(shè)備操作模式實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

通過(guò)對(duì)這些教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，使學(xué)生既能加強(qiáng)對(duì)電工、電子和現(xiàn)代傳動(dòng)及其控制的基本理論、基本知識(shí)的理解和掌握，又能訓(xùn)練他們的高技術(shù)工程技能，完成了對(duì)學(xué)生的知識(shí)素質(zhì)、創(chuàng)新精神和綜合能力的全面培養(yǎng)。

2 課程體系不斷更新和完善

自20001年新開(kāi)設(shè)這門(mén)實(shí)驗(yàn)課程，無(wú)論是可編程控制器(PLC)和變頻調(diào)速器等核心設(shè)備，還是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)手段都進(jìn)行了不斷的更新和完善。

電子電路仿真軟件現(xiàn)已由OrCAD9.2升級(jí)到OrCAD15.7?？删幊炭刂破饔善鸪醯腇P1C24更換成新型高功能的FP-XC30R，同時(shí)利用GT32觸摸屏來(lái)代替所有的操作開(kāi)關(guān)和輸出繼電器的狀態(tài)顯示。并通過(guò)USB接口方便地實(shí)現(xiàn)觸摸屏、PLC及PC之間的通信。變頻器也由原來(lái)的超小型VFO更換為帶有網(wǎng)絡(luò)控制功能的VFOC型。

隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備和仿真軟件的更新，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和補(bǔ)充，把當(dāng)今一些實(shí)用高新技術(shù)充分融入到新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，提高了學(xué)生掌握實(shí)用高新技術(shù)的技能。

為了適應(yīng)發(fā)展的要求，基本保證每年提供給學(xué)生的模擬和數(shù)字部分的設(shè)計(jì)題目都有較大的改進(jìn)。為此指導(dǎo)教師在這方面也付出了很多的時(shí)間和精力，在每次指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)之前，指導(dǎo)教師都把精選的模擬和數(shù)字的10多個(gè)設(shè)計(jì)題目首先自己設(shè)計(jì)調(diào)試一遍，給學(xué)生提供更多的選擇和設(shè)計(jì)空間，同時(shí)也為后期學(xué)生的設(shè)計(jì)提供了高水平的指導(dǎo)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施方面，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都配置了較好的多媒體設(shè)備，在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐的過(guò)程中，指導(dǎo)教師可根據(jù)不同班級(jí)、不同學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，靈活更改和增減設(shè)計(jì)要求，使優(yōu)秀和普通學(xué)生的自身潛力都得到了充分的發(fā)揮，增強(qiáng)了學(xué)生解決新問(wèn)題的勇氣和信心。值得一提的是指導(dǎo)新技術(shù)實(shí)踐課的老師都是每年承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的授課教師，其中不乏有教學(xué)名師，教授和科研骨干教師，他們?yōu)檎n程體系的不斷更新完善，高水平的指導(dǎo)提供了可靠的保證，同時(shí)也為青年教師的成長(zhǎng)提供了良好的平臺(tái)，促進(jìn)了青年教師教學(xué)水平的提高。

3 注重學(xué)生綜合與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

新技術(shù)實(shí)踐課設(shè)在電工學(xué)課程結(jié)束之后，這為學(xué)生全面綜合運(yùn)用所學(xué)的電工、電子電路知識(shí)以及實(shí)用高新技術(shù)，完成具有一定深度的綜合設(shè)計(jì)題目奠定了良好的基礎(chǔ)和條件。

實(shí)踐課中的電子電路設(shè)計(jì)部分，為使學(xué)生有充足的準(zhǔn)備時(shí)間，至少需提前兩周將設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)要求和實(shí)驗(yàn)安排等發(fā)布到網(wǎng)上，學(xué)生可到網(wǎng)上閱讀或下載相應(yīng)的設(shè)計(jì)題目及要求。通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)后，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室調(diào)試前需提前兩天提交預(yù)習(xí)報(bào)告，遇到問(wèn)題可及時(shí)與指導(dǎo)教師溝通。為了鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，著重強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方案的多樣性，充分體現(xiàn)了電子電路設(shè)計(jì)專(zhuān)題的“不要求設(shè)計(jì)方案的統(tǒng)一，著重問(wèn)題的解決”的指導(dǎo)思想。

學(xué)生從接到一個(gè)具體的課題開(kāi)始，由電路仿真、到實(shí)際硬件電路的實(shí)現(xiàn)，再到后面運(yùn)用現(xiàn)代化的EDA電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)出滿足課題要求的集成芯片，這一系列的過(guò)程鍛煉了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，也完成了對(duì)學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)及創(chuàng)新精神的全面培養(yǎng)。

實(shí)踐課中的可編程控制器和變頻調(diào)速技術(shù)部分，使學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到了進(jìn)一步的提升。在PLC控制應(yīng)用實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生需按給出的一些控制要求設(shè)計(jì)和編譯控制程序，并對(duì)三相電機(jī)、彩燈等負(fù)載進(jìn)行控制。

學(xué)生從程序設(shè)計(jì)入手，到主控制電路接線，再到最后統(tǒng)一調(diào)試，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要認(rèn)真仔細(xì)，積極思考。雖然控制的目標(biāo)和結(jié)果相同，但實(shí)現(xiàn)的程序和方法各具不同。在實(shí)踐的過(guò)程中學(xué)生的表現(xiàn)差別也較大，有的進(jìn)展順利些，有些可能會(huì)遇到這樣或那樣的問(wèn)題，這時(shí)也需要指導(dǎo)教師給予及時(shí)的引導(dǎo)和啟發(fā)，給優(yōu)秀的學(xué)生提出更高的設(shè)計(jì)要求，充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造潛力，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，為學(xué)生綜合和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件，同時(shí)也為學(xué)生參加科技創(chuàng)新活動(dòng)打下了良好的基礎(chǔ)。

自2001年開(kāi)始，學(xué)生通過(guò)新技術(shù)實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)和鍛煉，在哈工大的歷次“學(xué)生科技創(chuàng)新”競(jìng)賽中都取得了非常好的成績(jī)。2004年機(jī)電學(xué)院學(xué)生參加的第一屆“全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”決賽獲2項(xiàng)一等獎(jiǎng)(基于并聯(lián)機(jī)床和分布式控制系統(tǒng)的多功能機(jī)器人;微定位仿生機(jī)器人);1項(xiàng)二等獎(jiǎng)(螺旋傳動(dòng)管道機(jī)器人)。

“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐課程”我們主要面向的是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在教育部首批試點(diǎn)的工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中，哈工大機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)順利通過(guò)專(zhuān)家的考評(píng)，在認(rèn)證過(guò)程中專(zhuān)家對(duì)電工學(xué)實(shí)踐課程的教學(xué)和建設(shè)給予了高度評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程既能加強(qiáng)電工、電子、現(xiàn)代傳動(dòng)及其控制的基本理論、基本知識(shí)、基本技能的訓(xùn)練，又能反映當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)與各相關(guān)學(xué)科的交叉滲透，有助于完成對(duì)學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)、創(chuàng)新精神和綜合能力的全面培養(yǎng)。

在今后的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展要求，進(jìn)一步深化實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，不斷加強(qiáng)學(xué)生掌握實(shí)用高新技術(shù)和綜合用電的技能，重視理論知識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)的緊密結(jié)合，拓寬學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)的空間和領(lǐng)域，努力培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量復(fù)合型、應(yīng)用型人才。

［1］ 吳建強(qiáng).電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐(第2版)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［2］ 吳建強(qiáng).“電工學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的研究與實(shí)踐-“電工學(xué)新技術(shù)實(shí)踐”課程的創(chuàng)建［J］.科教論壇.2004

［3］ 吳建強(qiáng)，吳輝.面向工程教育的“電工學(xué)”課程建設(shè)與實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2010，32(8):35-38