基于項(xiàng)目的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

劉 晉， 牛印鎖， 韓民曉

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 北京 102206)

0 引言

實(shí)踐教學(xué)是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)又是實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力和科研創(chuàng)新能力的主要途徑。實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和方法一直是教師不斷研究和探討的課題。

目前各個學(xué)校電氣工程專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程門類較多，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系缺乏整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，許多實(shí)驗(yàn)課程之間沒有太多關(guān)聯(lián)，使用的軟件和硬件平臺缺乏統(tǒng)一考量，存在著軟件和硬件平臺重復(fù)學(xué)習(xí)、使用效率低下、學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果差等問題。

本文針對目前各校電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的現(xiàn)狀，結(jié)合我院的實(shí)際情況和特點(diǎn)，提出了以工程項(xiàng)目實(shí)施為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思想，通過實(shí)際工程項(xiàng)目的實(shí)施對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)；提出了應(yīng)用于工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺建設(shè)，在該平臺上開發(fā)設(shè)計(jì)了面向電力系統(tǒng)應(yīng)用的電氣工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如液晶顯示控制、電壓電流信號采集與信號處理、交流電路功率測量與計(jì)算、PID控制算法實(shí)現(xiàn)、線路繼電保護(hù)算法設(shè)計(jì)、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等實(shí)驗(yàn))，較好地將電氣工程專業(yè)與反映我院特色的電力系統(tǒng)應(yīng)用相結(jié)合，為培養(yǎng)具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的電氣工程師提供了新的思路。

本文提出的電氣工程實(shí)驗(yàn)體系，體現(xiàn)了立足于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)相結(jié)合的觀念立足于學(xué)生在整個大學(xué)四年學(xué)習(xí)期間的實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)容的研究，立足于電氣工程專業(yè)與電力系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的思路。

1 基于工程項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系基于工程項(xiàng)目實(shí)施，將接近實(shí)際的工程項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每個工程項(xiàng)目又細(xì)分為多個子項(xiàng)目，每個子項(xiàng)目涉及一門或幾門電氣工程專業(yè)課程，這些課程分布于大學(xué)的1-4年級。學(xué)生在四年的時間里，結(jié)合各個學(xué)期學(xué)習(xí)的重要專業(yè)課程，在專門開發(fā)的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺上完成與專業(yè)課程學(xué)習(xí)相對應(yīng)的工程項(xiàng)目。該實(shí)踐教學(xué)體系中分布于各個年級的實(shí)驗(yàn)平臺、相應(yīng)的工程項(xiàng)目、訓(xùn)練目標(biāo)和涉及的課程情況如表1所示。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系以工程項(xiàng)目實(shí)施為核心，選擇了一種軟件和硬件都開源的平臺(基于Arduino的平臺)做為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)，即后面將要介紹的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺。該平臺使用的思路是：在大學(xué)一年級第二學(xué)期時，將該“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”的最小系統(tǒng)發(fā)放給學(xué)生(對于有一定電路制作基礎(chǔ)的學(xué)生可以發(fā)放電路板和元器件，輔導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行基本元器件的焊接和調(diào)試，完成最小系統(tǒng)的制作)。該平臺使用C語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各種控制功能。學(xué)生可以方便地在實(shí)驗(yàn)室、教室和宿舍使用該平臺，力求使學(xué)生從一年級到四年級在這個統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺上完成各個階段的工程項(xiàng)目任務(wù)，這樣就避免了學(xué)生因更換實(shí)驗(yàn)平臺而重復(fù)學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率。

大學(xué)一年級的主要訓(xùn)練目標(biāo)是在“口袋實(shí)驗(yàn)室”上進(jìn)行C語言的實(shí)際應(yīng)用。C語言是大學(xué)一年級學(xué)習(xí)的重要課程，是未來應(yīng)用工程師的重要編程語言。以往，由于缺少相應(yīng)的工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅會在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行簡單編程，并不能真正理解和掌握C語言在控制硬件中能發(fā)揮的優(yōu)勢。因此，通過應(yīng)用C語言完成多個LED燈的不同控制和液晶屏顯示的工程項(xiàng)目，學(xué)生將逐步理解軟件是如何與硬件結(jié)合起來的，如何應(yīng)用軟件去控制硬件，同時將逐步熟悉“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”的各種應(yīng)用，為以后完成各個年級的工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

進(jìn)入大學(xué)二年級，隨著電路、模擬電路和數(shù)字電路的學(xué)習(xí)，對應(yīng)的工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也由大一的C語言編程和熟悉平臺的使用轉(zhuǎn)換到如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際電氣量的測量和計(jì)算。這就要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，進(jìn)行信號采集電路的設(shè)計(jì)，通過元器件參數(shù)的計(jì)算，選取相應(yīng)的芯片、電阻、電容和其他元器件，并完成電路的制作、調(diào)試和功能測試，再用C語言編程實(shí)現(xiàn)電氣量檢測結(jié)果的顯示以及電功率計(jì)算結(jié)果的顯示等。這樣，學(xué)生通過自己的電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，將手里的口袋實(shí)驗(yàn)室由大一的表1所示的基本系統(tǒng)1，升級為擴(kuò)展了外圍功能電路的擴(kuò)展系統(tǒng)2，同時學(xué)習(xí)了如何將學(xué)到的算法通過C語言得以實(shí)現(xiàn)。

表1 基于工程項(xiàng)目實(shí)施的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

大三開始開設(shè)電氣工程專業(yè)基礎(chǔ)課程和部分專業(yè)課。學(xué)生的訓(xùn)練目標(biāo)則集中在專業(yè)課學(xué)習(xí)中學(xué)到的各類算法的C語言實(shí)現(xiàn)上，主要包括：信號與系統(tǒng)中的信號變換方法、自動控制原理中的PID控制、電機(jī)控制中的V/F控制和電力電子技術(shù)中的SPWM控制等算法在擴(kuò)展平臺上的實(shí)現(xiàn)。

大學(xué)四年級開始，學(xué)生根據(jù)選擇的不同專業(yè)方向，開展相應(yīng)的課題設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。經(jīng)過前面近兩年半的口袋實(shí)驗(yàn)室工程項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)在軟件編程和硬件實(shí)現(xiàn)上達(dá)到了一定的水平。此時的核心訓(xùn)練目標(biāo)是系統(tǒng)級設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。學(xué)生將在已經(jīng)熟悉的口袋實(shí)驗(yàn)室平臺上，結(jié)合不同專業(yè)方向的工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，增加換流器、逆變器以及輸電線路模型等電路，構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)，進(jìn)行變流器控制、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和繼電保護(hù)相關(guān)的工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)級的工程項(xiàng)目。

圖 1為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)通過口袋實(shí)驗(yàn)室的控制接線圖。圖 2為實(shí)際系統(tǒng)接線圖，圖 3為實(shí)際電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示錄像的截圖。

圖1 電機(jī)控制設(shè)計(jì)接線圖

圖2 電機(jī)控制實(shí)際系統(tǒng)接線圖

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示錄像截屏

從上面對基于工程項(xiàng)目的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)可以看出，該體系基于一個簡單易用的“口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺，結(jié)合電氣工程專業(yè)學(xué)生在大學(xué)各個階段學(xué)習(xí)的主要課程，引進(jìn)具有不同訓(xùn)練目標(biāo)的工程項(xiàng)目于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使得學(xué)生在熟悉了“口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺的使用方法后，將主要的時間和精力放在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上，從而使學(xué)生對系統(tǒng)和工程應(yīng)用有了更加深入的理解，完成了電氣工程師的基本訓(xùn)練，具備了相應(yīng)的能力和素養(yǎng)。

2 “電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺

基于工程項(xiàng)目的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系基于的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺是以Arduino平臺為基礎(chǔ)的。該平臺是一種以單片機(jī)為核心，再輔以其他電子元件而構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺。它誕生于2005年的意大利，由兩位工程師開發(fā)并將其設(shè)計(jì)資料公布于網(wǎng)站。他們的目的起初是為學(xué)生的課外實(shí)踐活動提供一種簡單易用的物理運(yùn)算平臺[1]。為此，Arduino平臺從問世起就秉承了開源性、易用性、易交流性和資源廣泛性等特點(diǎn)，各種基本電路如圖 4所示[2]。

圖4 Arduino電路系統(tǒng)

本文提出的在電氣工程教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用Arduino平臺作為“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)平臺，其主要的教學(xué)思想和出發(fā)點(diǎn)是為學(xué)生提供一個通用、廉價、統(tǒng)一、簡單易學(xué)和便于攜帶的口袋實(shí)驗(yàn)平臺，并且將在大學(xué)四年始中終使用該平臺完成相關(guān)工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生從大學(xué)一年級開始，熟悉并開始使用該實(shí)驗(yàn)平臺，完成相關(guān)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；隨著學(xué)生年級的變化和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，可以在該平臺上進(jìn)行相關(guān)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)從易到難，從簡到繁的過度。這樣可以讓學(xué)生在統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行各種難度的工程實(shí)驗(yàn)，避免了不同年級更換不同實(shí)驗(yàn)平臺帶來的重復(fù)學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生更加高效的專注于工程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用Arduino平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，整個硬件電路的模塊性很強(qiáng)，很容易理解，而且?guī)缀跛袑?shí)驗(yàn)的硬件連接都可以分成類似的幾部分[3]。圖 5為發(fā)放到學(xué)生手中的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺的基本系統(tǒng)1，包括一些基本實(shí)驗(yàn)元件。圖 6為學(xué)生在宿舍進(jìn)行的基本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)接線圖。

圖7所示為增加的信號采集電路所組成的擴(kuò)展系統(tǒng)2，圖上分別顯示了組裝前后的系統(tǒng)。

圖5 “電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺基本系統(tǒng)1

圖6 基本系統(tǒng)簡單實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖7 擴(kuò)展系統(tǒng)2

3 結(jié)語

本文開展了基于工程項(xiàng)目的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的研究，提出了基于統(tǒng)一的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺，根據(jù)學(xué)生在不同年級學(xué)習(xí)的課程，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工程項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過不斷提高項(xiàng)目的難度和廣度，使得學(xué)生在完成工程項(xiàng)目的過程中，能夠更加有效地將所學(xué)的專業(yè)知識應(yīng)用到項(xiàng)目中去，提高了學(xué)生的動手能力和工程化訓(xùn)練程度，加強(qiáng)了其對工程實(shí)踐的理解。

目前，我們已將數(shù)套基于Arduino的“電氣工程口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺發(fā)放到不同年級的學(xué)生手中，包括創(chuàng)新班的學(xué)生；已經(jīng)有10名學(xué)生應(yīng)用該平臺完成了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。