挖掘实验设备潜能 创新课程设计教学模式

许俊云 魏德仙 孙振刚

华南农业大学工程学院 广东广州 510642

电气工程及其自动化专业作为强电类专业、以往学生学习过程中重“强”轻“弱”的现象十分普遍，而事实上随着微机继电保护和智能电网等新技术的出现，强电专业弱电化已经成为必然的趋势。高校要培养具有卓越的电气工程师素养的应用型专业人才，必须对弱电类实践教学环节予以足够重视。因此，不断开展电气专业弱电类设计实践教学模式的创新研究，对提高电气工程专业学生的工程能力，促进人才培养质量提升具有重要意义[1,2]。

1 教学现状分析

我校之前给电气专业学生开设的弱电类设计项目是《基于PLC的步进电机调速系统设计》。这个项目虽然可以训练学生综合运用PLC控制技术和电机学知识进行电气系统设计的能力，但是如果经年不变，学生容易产生惰性，不利于培养学生的积极性和创新思维[3]。

此外，目前开设的设计项目没有对学生进行制作PCB电路板的训练。学生只具有对万用板的使用经验，而社会对大学毕业生的卓越工程师综合素养要求逐年提高，对强电类专业学生进行电路板设计应用能力的培养成为必须加强的实践教学工作。

结合我校正在积极开展的本科教学质量工程建设工作，电气专业教研室积极响应此建设号召，针对目前弱电综合课程设计教学中存在的问题启动了教学改革与实践工作。

2 改革与实践

2.1 加强思想教育及课程设计项目设置创新

课程设计第一周的第一天，就召集电气工程专业全体学生召开弱电综合课程设计动员会，布置课程设计任务；在动员过程中，注重用具体事例从思想上纠正电气专业学生普遍存在的重强电轻弱电的错误思想，使学生从思想上认清弱电类技术应用对推动电气工程新技术发展的重要意义。

用创新的方式设置出新的弱电课程设计项目，有效培养学生的创新思维及工程意识。

目前，我校电气专业实验室使用的是浙江天煌教仪生产的DZSZ-1型电机及自动控制实验装置。该装置目前可以开设电机与拖动实验、电力电子技术实验及运动控制系统实验课程。

经过讨论研究，电气教研室决定发掘现有实验装置设备的潜力，从提高学生的工程应用能力出发，设计出了2个全新的弱电类课程设计项目。

【项目1】《电机及自动控制实验装置的测速装置设计》

目前实验装置中测速部分采用的是光电编码器测速，需要通过单片机采集光电编码器的输出脉冲信号，经过运算处理，转换成转速量显示输出。

但是，由于设备购置于2002年，使用时间已过15年了，有较多台设备出现故障，厂家已经不方便提供售后维修服务了。考虑到这个测速装置的设计正好是弱电知识的小型工程运用，如果指导电气工程专业的学生运用所学弱电专业知识开展这个项目的课程设计，则可一举两得。一方面可以培养学生在弱电电路方面的工程设计能力；另一方面可以彻底解决测速装置的故障修复问题，获得完全的“自主知识产权”，以后就再不需要依赖设备厂家提供“不尽人意”的维修服务了。

【项目2】《用全控器件改造实验室直流斩波电路装置》

目前使用的电力电子技术实验挂件DJK05 直流斩波电路是采用半控型器件晶闸管作为开关器件的。由于该器件只有开通可以控制，关断不可控制，因此为了实现斩波功能，设备厂家必须设置复杂的关断电路。但是，此设备在实际使用中，却常常出现关断失败的现象，严重影响实验课的顺利进行，多次向设备厂家反应也没有效果。

电气教研室经过讨论，决定不再依靠厂家，采用全控器件如功率MOSFET替换半控器件，以彻底解决关断失败的问题。考虑到直流斩波电路正是强电和弱电相结合的电路，由弱电电路产生开关控制信号提供给强电主电路的开关管控制极，进一步实现斩波功能。如果指导本专业的学生运用所学的电子技术和电力电子技术专业知识开展这个项目的课程设计，同样是一举两得。一方面可以锻炼学生对弱电电路的综合设计能力，另一方面可以彻底解决直流斩波电路的故障修复问题。

2.2 采用全新的教学模式

此次课程设计作品指导中，采用引导学生进行PCB板设计的方式，要求调试好后可直接安装在电气专业实验室的实验装置中。完成设计作品需要用到单片机、数电、模电、DXP软件、电机学、电力电子技术、调试等多方面的知识，通过指导学生亲手设计实验装置并投入实验室应用的方式开展弱电综合实践教学，锻炼综合运用所学知识的能力。

考虑到学生是第一次进行PCB板设计，学生虽然具有较强的自学DXP软件的能力，但是毕竟是新手，因此采用的教学模式是首先带学生到实验室，拆开原来的实验装置，观摩一下装置内部的PCB板，并讲解电气元件的一般布置方法，让学生获得一些感性认识，然后指导学生进行自主设计，最后对自主设计的电路进行检查、讲评。过程中鼓励学生抛弃畏难情绪，积极改进现有实验装置的设计方案。

对于项目1，指导教师侧重于对单片机应用知识和光电编码器应用知识的辅导。

对于项目2，指导教师侧重于对电力电子驱动电路设计方法和电力电子全控器件选型方法的辅导。

对2个项目，在教学中都注意强化工程设计意识。要求学生充分利用现有设备，能用的电气元件尽量保留，注重设计的经济性、可靠性及实验设备设计特别要强调的操作的安全性、方便性。

2.3 课程设计项目完成的PCB板效果

电气工程专业学生设计完成的项目1PCB电路板如图1所示。

图1 测速装置PCB电路板

图1所示PCB板可以安装于原导轨的安装盒中，和原装置中的部分电气元件如变压器、光电编码器等配合，能有效地实现测速功能。

项目2所完成的PCB电路如图2所示。

图2 直流斩波电路PCB板

图2所示PCB板可以安装于原直流斩波挂件挂箱中，和原装置中的部分电气元件如变压器等配合，能有效地实现电力电子技术中的直流斩波功能。

3 结语

实践表明，弱电综合课程设计教学模式的改革工作体现了较强的工程性，教学中按现场工程师素养的要求开展课程设计，力求让学生做到学用充分结合，改变了以往相对简单的知识运用模式。

通过2个设计项目的实施，使强电专业学生得到更充分的弱电应用工程能力的训练，掌握了单片机在实验室设备开发上的应用技巧、PCB电路板设计知识等，较好地解决了电气工程专业学生弱电实践能力相对薄弱的问题。同时也解决了电力电子与电机拖动实验装置中测速部分程序跑飞、直流斩波实验挂件无法实现斩波、故障得不到有效修复的问题。设计出的实验室用调速装置和直流斩波电路挂件装置，成功用于实验室电机测速和直流斩波电路，满足了电力电子与电机拖动实验室实验教学的需要。

这种与实验设备设计开发相结合的课程设计方案不仅锻炼了学生的实际工程应用能力，学以致用，有效地激发了他们的学习兴趣，而且能实现实验室部分设备自主开发，具有一定的经济效益。下一步拟继续进行电力电子挂件、单三相智能功率表挂件、220伏高压直流可调电源等设备的自主开发设计，微机继电保护实验装置的改进设计等工作。以期通过更充分挖掘电气实验室潜能和现有设备的效用，培养具有卓越工程师素养的电气专业人才。

高校实践教学工作是一项需要不断创新的工作。因此，高质量的实践教学模式的探索和研究将永无止境[4,5]。