面向工程教育专业认证的电机学课程改革探索与实践

杜 怿 孙宇新 潘 伟 黄永红 朱熀秋

江苏大学 江苏镇江 212013

工程教育认证（以下简称“认证”）是国际通行的工程教育质量保证制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]。

我国从1992年开始试点认证工作，原建设部在清华大学、同济大学、天津大学和东南大学4所高校的6个专业进行了试点。2006年，教育部牵头并会同有关部门出台了《工程教育专业认证实施办法（试行）》，正式启动了全国范围内的工程教育专业认证试点工作；同年，全国工程教育专业认证专家委员会成立，并参考国际工程教育的通行做法和国内认证试点情况研制出了我国有关专业认证工作的一系列管理办法和工作指南。2015年10月，中国工程教育专业认证协会成立，作为教育部主管、中国科协的全国性团体会员，该协会致力于“通过开展工程教育专业认证，提高我国工程教育质量，为工程教育改革和发展服务，为工程教育适应政府、行业和社会需求服务，为提升中国工程教育国际竞争力服务”。2016年6月，我国正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议《华盛顿协议》。至此，我国工程专业教育质量标准可以通过认证协会的认证实现国际实质等效，相应的工程教育质量保障体系以及毕业生学位得到《华盛顿协议》及其他组织的认可，我国工程教育的国际影响力得到极大提升[2]。

江苏大学电气工程及其自动化专业（以下简称“本专业”）由农业电气化、电机与电器、电气技术专业发展而来。为适应我国工科高等教育发展趋势，本专业于2013年下半年开始着手准备专业认证，并于2016年11月21日至2016年11月23日接受了专家组的现场考察，最终顺利通过了专业认证。本研究以电机学课程教学为例，探讨如何面向工程教育专业认证改革本专业课程教学模式，以更好地提升学生专业水平能力和专业能力，并形成持续改进机制。

1 对照认证要求 探索和推进培养计划修订

成果导向是工程教育认证的核心理念之一，是高等教育教学设计的出发点。成果导向理念是以学生为中心，基于学习产出的模式，依据学生毕业达成要求逆向设计并评价其培养目标、教学设计、教学管理等一系列教育活动[3,4]。为满足专业认证条件，专业认证前，由学院领导牵头对本专业培养计划进行了一系列改革。

2014年6月，学院教学委员会召开了专题会议，学习和体会有关工程教育专业认证的通用标准、专业补充标准和相关文件，对照工程教育专业认证的标准对培养目标、毕业要求、现行培养计划、课程体系等内容进行了梳理，并启动对2012年版专业培养计划的修订工作。

2014年11月，学院召开2014～2015学年第一学期期中教学评价师生座谈会，围绕学生表达能力、主动学习能力、团队协作能力、创新意识等综合素质与能力的培养展开讨论，并以“既强调工程实践能力，又加强人文素养”为培养目标提出了一系列实施方案。

2015年3月，教务处领导、学院领导、系主任、专业负责人等与企业行业专家一起，针对2012年版培养计划的实施情况，结合2015年工程教育认证的新标准，进行了修订专业培养计划的专题讨论，形成了培养目标、毕业要求和部分课程设置的修订意见，在此基础上确定了2012年版培养计划修订版，经学院、学校审定后生效并于2015年9月起实施。

2 依据成果导向 细化和实施课程改革内容

2.1 结合课程性质 对应毕业要求指标点

电机学是本专业非常重要的专业基础课程，是联系前期基础课程和后续专业课程的桥梁。结合“中国工程教育认证通用标准”和“补充标准—电气信息与电气工程类专业”，按照本课程性质，形成电机学课程对应毕业指标点支撑如下。

（1）掌握数学与自然科学知识，并能应用于解决电气工程问题。

（2）掌握电气工程专业基础知识，具有分析和解决复杂电气工程问题的初步能力。

（3）具备对分解后的复杂电气工程问题进行表达和建模的能力。

（4）能够通过开展文献研究，改进复杂电气工程问题的解决方案，以使得结论趋于合理。

（5）初步掌握解决复杂电气工程问题所需的MatLab，Multisim，AutoCAD，Maxwell等现代工程工具的应用。

（6）能够运用现代工程工具和文献检索工具分析、表达复杂电气工程问题，并理解其局限性。

（7）具有终身学习的知识基础，掌握自主学习的方法，了解拓展知识和能力的途径。

2.2 结合毕业指标点 明确课程教学目标

电机学课程先介绍各种传统电机，包括变压器、感应电机、同步电机和直流电机的结构和工作原理，通过内部电磁关系分析，推导出电压、磁动势、受力平衡等关系，得到电机的数学模型，再通过数学模型分析电机的各种运行特性。课程目标包括知识目标和能力目标，并具体确定为以下五方面。

（1）了解电机的作用、分类，熟悉电机常用材料。掌握变压器、异步电机、同步电机和直流电机的基本结构、基本原理和基本分析方法，能正确建立电动势平衡方程式和转矩方程式，明确电机中的能量关系，熟练运用等效电路、基本方程和相量图，并具有分析未学过的电机或新电机的能力。

（2）能够建立电机稳态运行的数学模型，测量并计算模型的参数。能够利用电机数学模型计算电机的各物理量，如电压、电流、电磁转矩、功率等。

（3）能够利用电机数学模型分析计算电机的运行性能，能够选择电机的起动、调速、制动方案，并进行参数计算。

（4）具有运用仿真软件完成电机的磁场分析和数学模型验证的能力。

（5）掌握自主学习电机相关知识和理论的方法，能针对个人或职业发展的需求自主深入学习电机设计、拖动与控制等相关内容，适应今后发展需要。

2.3 结合教学目标 制订课程教学内容

本专业电机学课程共有80个学时，其中，课程教学学时64个，上机学时16个。采用由中国电力出版社出版、胡敏强等编著的《电机学》第三版作为课堂教材。

一方面，64课堂教学学时主要用于对电机内的基本电磁学基础知识以及变压器、感应电机、同步电机和直流电机（包括无刷直流电机）的基本结构、工作原理、电磁关系、运行特性等内容的逐项讲解，课堂讲解过程侧重于让学生了解和掌握电机内的基本电磁关系，例如磁路基本概念、变压器等效电路、三相绕组磁动势计算等。

另一方面，考虑到电机学内容相对复杂、抽象，本课程设置16个上机学时，主要使用现代化有限元仿真软件按要求构建常见电机的模型，并由此观察各类电机内电磁场分布；计算电机输出性能与电机各关键参数之间的关系；研究不同运行状态时，负载对电机性能的影响，让学生能更加直观、形象地理解电机这一复杂机电能量转换装置，激发学生学习热情。该部分内容的具体设置为：（1）验证磁路基本定律和电机的电磁基本理论；（2）变压器空载和负载运行电磁仿真；（3）交流绕组的感应电动势和磁动势仿真；（4）三相感应电机空载和负载运行电磁仿真；（5）单相感应电机起动和负载运行电磁仿真；（6）隐极同步电机空载和负载运行电磁仿真；（7）凸极同步电机空载和负载运行电磁仿真；（8）直流电机空载和负载运行电磁仿真。

2.4 结合现代化工具 强化专业知识综合运用能力

“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”是2015年工程教育认证标准中的新增内容，是全面考查学生掌握专业知识解决实际工程问题的能力的有效手段。

秉承“持续改进”的精神，针对“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”的要求，本专业设置了具体的电气工程领域复杂工程问题教学与实践训练环节—“变频调速用三相异步电机电磁设计及其直接转矩控制”的教学训练项目。该项目建立在电机学、电力电子与功率变换技术、电力拖动自动控制系统等专业基础课程和专业方向课程学习的基础之上，内容包括变频调速三相异步电机的设计和变频调速三相异步电机直接转矩控制系统的设计两大部分，并在《电气工程工具软件训练I》《电气工程工具软件训练III》和《电气工程综合实训II》等环节中具体实施。

在第一部分内容实施过程中，对每组学生分别给出不同的三相异步电机设计要求。由于变频调速设计条件的加入，增加了电机设计的难度，因此每组学生需要分头查找变频调速异步电动机设计的相关资料，针对特定需求的电气系统，分析变频电机的设计特点与步骤，再运用现代化有限元软件Maxwell进行相应的电机设计，分析关键环节和参数设置的影响和作用，进而得到电机基本设计参数。该环节使学生熟悉电机的电磁设计计算过程、文献的查找与运用、Maxwell软件的使用，是一次比较全面的电机电磁设计基本技能训练。第二部分内容实施则要求学生在MatLab/Simulink中搭建变频调速三相异步电机系统仿真模型，通过仿真讨论和研究变频调速电机和恒压恒频电机设计上的差异，并通过设计合理的控制系统参数，实现整个驱动系统性能的合理化。最后，每位学生需要结合每组的设计要求和个人的具体分工提交课程报告，以回顾和总结项目实施过程中的收获与心得。

该项目涉及机械（电机结构、制图）、电机与电磁、电力电子和电力拖动控制等多方面的知识，强调实际动手能力的训练，运用所学电磁学、电机学、机械学、电力电子技术等学科的基本原理进行多学科知识的综合应用，要求学生做到理论与实践相结合。通过给出具体的工程问题设计具有复杂性的实践环节，充分调动学生的主动性和团队协作精神，全方位锻炼和培养学生运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题的能力。按照工程教育认证标准，本专业设置的“变频调速用三相异步电机电磁设计及其直接转矩控制”实践教学环节合理，符合复杂工程问题的五大特征。与传统实验和实践性环节相比，借助现代化工具软件实施“综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题”教学方案，更有利于为每位学生提供相对独立的具体实施任务，更能激发学生对具体实施项目的兴趣，也更具可操作性，对培养学生独立开展工程问题的培养目标效果十分显著。

3 关注实施效果 加强持续改进措施

持续改进是工程教育专业认证的基本思想之一。本专业建立了持续改进的信息交流和反馈机制，确保来自教学督导、学生评教、应届生座谈、往届生座谈、往届生问卷调查以及第三方用人单位、学校教育教学研究与评估中心和校外高等教育人才培养质量专业评估机构等方面的评价结果能够及时、有效地反馈给专业负责人、课程负责人、任课教师、实习指导教师等相关人员，进而应用于培养目标、毕业要求、课程体系、教学环节、师资队伍、支持条件等的持续改进。

教学质量评价的具体内容包括调查问卷、访谈、评教、督导等对培养目标与毕业要求、课程体系设置、主要教学环节进行评价。根据来自内部和外部各种评价反馈意见进行深入分析，通过定期改进措施、执行监督等途径实现对课程教学的持续改进，并依次建立持续改进机制。

以电机学课程为例，针对课程PPT课件单一，相关概念学生理解有困难；课时紧缩，课堂上习题讲解时间偏少，学生对部分内容的掌握有所欠缺等问题，学院专门成立了电机学课程组，结合“842T”课程建设，课题组制作了多媒体课件，建立了习题库和网络教学平台，丰富了教学手段和交流平台。针对部分青年教师教学经验不够丰富的问题，学院加强对青年教师上讲台前的试讲制度；给青年教师配备老教师指导。通过学校、学院组织的教师教学竞赛等活动，进行教学指导。举办了最受学生欢迎的十佳教师的示范课，要求40岁以下青年教师参加示范课学习。

4 结语

工程教育专业认证是构建我国工程教育的质量监控体系、推进我国工程教育改革、进一步提高工程教育质量的主要手段，是建立与注册工程师制度相衔接的工程教育专业认证体系、构建工程教育与企业界的联系机制、增强工程教育人才培养对产业发展的适应性的重要保障，是促进我国工程教育的国际互认、提升国际竞争力的关键因素。为满足专业认证要求，江苏大学电气工程及其自动化专业按照专业认证的要求重新修改了培养目标，梳理了毕业要求，区分了培养目标和毕业要求的能力培养层次，根据“以产出为导向”的“OBE”的理念完善了课程体系，同时进行了课程教学大纲的修订，将培养目标、毕业要求与课程教学目标、教学内容一一对应，为培养目标的实现提供保障，课程教学改革取得了显著效果。