基于电气工程的专业课程融合探索与实践

卢森幸

（河池学院 人工智能与制造学院，广西宜州 546300）

在信息经济时代，人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术快速发展，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展。高校是我国人才培养的主要基地，在人才培养过程中，需要正确引导，充分调动，积极培养。

1 高校工科专业课程融合的重要性及其建设情况

为主动应对新一轮技术革命与产业变革，支撑服务国家创新驱动发展战略，教育部积极推进新工科建设。2017 年，教育部提出新工科研究和实践要围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展[1-3]。2017 年6 月，教育部办公厅印发《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。

党的二十大报告提出，要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之[4]。新时代新要求，国家的发展与人才的培养密切相关。

目前，高校积极推进新工科建设，针对工程教育，提出改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系，积极开展工程教育专业认证[5]，明确培养目标和毕业要求，建立“毕业要求－培养目标”对应矩阵，甚至细化到知识点，落实“课程目标与毕业要求的关系”“考核方式对课程目标的达成情况”。对学生知识、技能进行规范化教学和管理。但是，课程之间的融合力度不足，课程独立性强，课程之间缺乏串联性、系统化，导致学生知识和技能提升效率低、缺乏专业应用自信。

2 基于电气工程的专业课程融合建设理念

针对电气工程自动化专业，进行基于电力系统继电保护（以下简称继保）、设备自动化、PLC 控制技术及应用（以下简称PLC）、组态技术及应用（以下简称组态技术）等专业课程融合建设的探索与实践，建立智慧教学平台。通过这个平台，实现电力系统及其设备自动化的继电保护仿真、现场操作、远程控制、电力系统保护管理。

每门课程的知识与技能可以独立教学，同时可以实现课程之间知识与技能串联化，面向电力和电气工程自动化岗位知识和技能养成。利用平台，可以串联专业课程之间的知识和技能，做到前期学习的课程是后期学习课程的基础，后期课程在实践前期课程知识和技术的过程中进行学习，实现知识和技能深层消化，训练实践能力。面向新工科，做到专业课程融合、学以致用，用以促学，学用相长，提升学生专业自信。

课程注重岗位人文素养和科学的工作作风，培养具有扎实工程技能和实事求是科学作风的工程系统程序设计和项目实操复合型、创新型人才。

智慧教学平台针对电气工程及其自动化专业学生，面向新工科，聚焦专业的课程融合，瞄准岗位需求，传授专业领域必需的基础理论、基本知识和专业技能，使学生成为电力工程、电气自动化装备、系统管理领域从事设计与生产、调试与运行、检修与维护、技术研发及改造、自动化系统管理等工作的高素质应用型专门人才。

3 基于电气工程的专业课程融合智慧教学平台设计

3.1 智慧教学平台的层次结构

根据企业数字化智能制造结构层次，面向岗位知识和技能进行课程融合教学，搭建三级智慧教学平台[6-8]，贯彻“构思—设计—实现—运行”的工程教育理念，培养学生科学思维方式。智慧教学平台层次结构如图1所示，采用分布控制结构设计，设计原则是分散控制、集中操作、分组管理、分而自治、综合协调。平台从上到下分为综合信息管理级、计算机监管控制级和分散过程控制级3 个控制级。利用平台，可以实现基于电气工程及其自动化专业的专业课程融合智慧教学。

分散过程控制级是初学者电气工程继保、设备自动化、PLC 等课程知识和技能自身养成级。它是集散控制系统的基础，主要由PLC、智能终端、智能调节器和智能传感器组成。智能终端、智能调节器、智能传感器及其之间的电气连接线等组成电力系统继电保护二次侧线路或电气工程设备自动化线路，可以独立进行电力系统继电保护或电气设备自动化实训教学，即电力系统（或电气工程）的就地人工操作。这个电力系统继电保护二次侧线路（或电气工程设备自动化线路），也可以作为PLC 控制系统的外围电气连接，通过PLC 进行电力系统继电保护自动化控制。智能传感器采集线路电压、电流等参数，参数可以通过总线传送到操作员工作站、监控计算机和PLC。智能调节器可以设置监控参数的预设值，并且可以根据电力系统继电保护原理或电气工程需要进行调节。智能终端可以显示实时监控参数，进行告警。PLC 是分散过程控制级的监控核心，它通过传感器获取电压、电流等参数，结合电力系统继电保护原理或电气工程自动化的要求，驱动电磁调节阀、电动阀、电机和智能调节器等执行机构，进行顺序控制或某一个被控制量的闭环控制等。PLC 可以控制具有电力系统继电保护的二次侧线路或电气工程设备自动化线路，进行PLC 知识和技能教学，完成电力系统继电保护的数字化自动控制，属于电力系统的就地操作。利用这个控制级，可以进行继保、设备自动化、PLC 课程独立教学，也可以进行三门课程线性累加式融合教学。

计算机监管控制级用组态技术设计，可以进行仿真，也可以完成操作过程监控和操作，它上承综合信息管理级，下接分散过程控制级，具有桥梁作用[9-11]。分散过程控制级获取生产现场参数，利用RS485 现场总线通信方式与计算机监管控制级通信，根据电力系统继电保护原理或电气工程要求确定决策，驱动执行机构。操作员工作站由值班工作人员操作，完成现场操作。监控计算机可以监控现场工作参数，同时，可以根据电力系统继电保护或电气工程的需求，变更系统的参数并且完成设定。利用这个控制级，可以进行继保、设备自动化等课程的独立教学，面向仿真、遥控遥测方面教学；可以进行组态技术课程独立教学，面向电力系统继电保护组态设计方面教学，也可以进行两门课程线性累加式融合教学[12-14]。图2 是低压闭锁电流速断保护项目分散过程控制级和计算机监管控制级实物图。

图2 低压闭锁电流速断保护项目实物图和上位机管理界面

综合信息管理级用组态技术设计，通过网络连接通讯，可以进行远程监控操作，具有电力系统保护管理或电气工程管理功能。管理功能按照电力系统或电气工程管理常用的管理模式进行设计，有利于学生今后快速适应岗位需求，图3 是低压闭锁电流速断保护项目管理组态设计。利用这个控制级，可以进行组态技术课程独立教学，面向电力系统和电气设备自动化管理完成组态设计；也可以进行电力系统管理课程教学，面向岗位工作需要教学。

图3 低压闭锁电流速断保护项目管理组态设计

平台实现抽象电力系统继电保护和设备自动化理论的具体化，可以通过仿真、实验设计实现直观理解。平台结构以工业电力应用系统架构架设，上层管理按照电力系统常用管理模式进行设计，有利于学生今后快速适应岗位需求。

3.2 线性累加式岗位知识和技能教学融合

面向新工科，以岗位需求为准则，结合电气工程教育人才培养目标，针对电力系统、电气行业人才需求，坚持“理实一体、项目导向、创新驱动”的原则，结合课程特点，秉承以学生为中心理念，对原课程知识体系进行了拆分和重构，并充分融合了行业最新案例。内容构建贯彻“构思—设计—实现—运行”工程教育理念，注重设计研发、生产制造和运行管理全生命周期理论与实践知识的交叉融合，面向产业链上下游培养创新型复合人才。

课程设计以知识传授、能力培养和价值塑造为导向，遵循认知规律，将现代信息技术与主流教育理念深度融合，基于在线平台构建开放式学习情境，坚持问题驱动和项目导向，促进学生自主学习和协作学习，实现意义建构和能力培养。面向智能控制研究、绿色控制产业链和创新链，提升课程的高阶性、创新性和挑战度，促进过程性学习管理和多元化考核评价有机结合，全面提升人才培养质量。

在智慧教学平台上，课程教学可以独立教学，又可以实现专业课程之间知识和技能的串联化、应用化、系统化、实战化。平台材料是实验室常用耗材，性价比高。以低压闭锁电流速断保护项目为例，分析课程之间的线性累加式教学融合过程，如表1 所示。在平台的分散过程控制级，面向继保课程的低压闭锁电流速断保护理论，应用电压互感、电流互感器、电磁阀等器件构建低压闭锁电流速断保护线路，完成该保护的人工就地控制设计，使学生理解并应用低压闭锁电流速断保护理论、创造性地设计保护装置。另外，面向PLC课程教学，让学生利用在继保课程搭建的作为PLC 的外围线路，根据低压闭锁电流速断保护控制原理，完成PLC 面向对象程序设计，实现低压闭锁电流速断保护就地自动化控制，使学生加深对低压闭锁电流速断保护理论的理解，增加保护的手段，提高保护实施技能。

表1 低压闭锁电流速断保护项目的线性累加式岗位知识和技能教学融合设计

在计算机监管控制级和综合信息管理级，利用PLC 控制低压闭锁电流速断保护的信号或参数作业组态系统外部数据源，搭建低压闭锁电流速断保护仿真、监测和管理的组态系统，实现低压闭锁电流速断保护的仿真、遥控和遥测监控。分散过程控制级的低压闭锁电流速断保护线路设计及其PLC 程序设计是组态系统设计的基础，而组态系统设计又是它们理论和应用的进一步升华。

在综合信息管理级，面向低压闭锁电流速断保护项目管理，需要构建项目管理功能。管理功能按照岗位管理需要设计，数据信息由分散过程控制级的低压闭锁电流速断保护线路及其PLC 控制系统提供。通过整理数据、归化信息，达成低压闭锁电流速断保护项目管理功能，学生低压闭锁电流速断保护知识和技能再一次升华，达到工作的岗位需求，使得学生毕业后能快速适应工作岗位要求。

4 基于电气工程的专业课程融合智慧教学平台的特色

基于电气工程的专业课程融合智慧教学平台主要有以下特色：

4.1 面向新工科、聚焦专业的课程融合

课程教学可以独立进行，课程之间又有串联性，实现课程知识和技能应用化、系统化，面向新工科，做到专业课程融合。实现专业课程之间知识学习和应用有机融合，串联专业课程知识。做到前期学习的课程是后期学习课程的基础，后期课程是在实践前期课程知识和技术的过程中进行学习，面向专业岗位技能，充分学习并提高技能。

4.2 兼备虚拟实验、实训操作、系统管理

平台具备课程知识和技能教学中的虚拟实验、实训操作、系统管理，避免学生强电操作的危险性，符合安全操作原则，同时让学生直接接触远程操作和数字信息管理，实操性较强。

4.3 面向岗位，实行线性累加式岗位知识和技能教学

平台的课程知识与技能可以独立教学，同时可以实现课程之间知识与技能串联化、应用化、系统化，做到后学的课程是在前期学习课程的基础上进行学习，深化理解前期课程的知识，提升前面课程的技能实践能力，面向电力和电气工程自动化岗位知识和技能养成，实现线性累加式岗位知识和技能教学。

5 结语

基于电气工程及其自动化的专业课程融合智慧教学平台，成功实现课程知识和技能独立教学，同时，实现专业课程之间知识和技能串联化、应用化、系统化和实战化，让学生在教学过程中迅速提升专业知识和技能，不断加深理解电力和电气工程自动化岗位知识，提升岗位技能，做到学以致用，以用促学，学用相长，提升学生专业自信。