科教融合推动电气类课程设计教学改革的探索与实践

陈 蓉， 杨 勇

（苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州 215131）

0 引言

实验教学是高校教学活动的重要组成部分，是锻炼学生实践能力的重要途径。通常，理论课程配套实验以及综合性课程设计构成了高校实验教学的两种主要模式［1-2］。与附属于理论课的配套实验课程相比，综合性课程设计的课程特点表现为：①授课对象多为高年级学生，其已具备一定的专业知识储备和基础实践能力；②授课学时较为充足，一般不少于18 学时；③授课内容综合性强，侧重于培养学生的系统设计能力、工程思维与创新实践素养。基于上述特征，根据新工科建设和工程教育专业认证要求，教师在开展课程设计的教学设计与实施过程中应以典型工程案例为依托，分层设计实验任务，使学生掌握系统开发的完整流程和相关技术，进而提升学生解决复杂工程问题的能力［3-6］。

苏州大学“信号与控制课程设计”实验内容为交通灯控制系统的设计与实现。基于该实验内容，教学实施过程中出现的问题具体表现为：①实验内容与专业背景结合度低，缺乏新意，难以调动学生的学习兴趣与积极性；②实验任务侧重于对学生软件编程能力的考核，硬件设计与实现能力考查不足，不利于培养学生的综合实践能力；③课程内容实施多年，在网络和往届学生中资源积累较多，导致实践过程中学生“划水”现象明显，班级整体成绩区分度较差。

本文以苏州大学电气工程与智能控制专业开设的“信号与控制课程设计”为例，从分析教学现状出发，立足专业培养目标，以“双碳”目标下新能源电力系统的高速发展为工程背景，深度引入电力谐波检测领域科研成果，对课程设计的实验内容与教学组织开展全新设计与实践，进而使其在背景上更加具备时代特色与社会效益；在实验内容上更加均衡地考核学生的综合设计与实践能力；在教学组织上更能调动学生的学习主观能动性。

1 实验内容设计

1.1 立足专业，选定工程背景

电气工程与智能控制属电气类专业，根据专业培养目标要求，“信号与控制课程设计”课程实验内容可密切围绕电力系统的建设、运行、维护等方面开展设计选题［7］。

当前，中国电力系统在“双碳”目标指引下，迎来了新的发展机遇和挑战，电力系统呈现出了新特征［8-10］，如图1 所示。一方面，由于新能源微电网、分布式发电的爆发性增长以及电力系统在源、网、荷各环节呈现出的明显的电力电子化特征给电网的稳定运行带来了严重冲击［11-12］；另一方面，随着《中国制造2025》计划的提出，高端制造业的发展过程中将出现大量电力电子设备和敏感负荷，它们对电网的电能质量将提出更高的要求［13］。因此，实现电能质量的有效监测对确保电网安全运行和优质电能提供具有重要意义。电能质量相关课题不失为一类适合于本课程的实验内容选题。

图1 新型电力电子化电力系统特征

1.2 科教融合，设计实验内容

作为一门综合性实验，课程设计的实验内容应具有较高的科学性与创新性。根据2019年教育部出台的《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，高校应强化科研育人功能，推动科研成果转化为教学内容［14-15］。由此，本文分两步完成实验内容设计：

（1）根据实验教师从事的电能质量相关科研项目，如“三相并网逆变器输出电流偶数次谐波含量超限问题的研究”“电力电子化电力系统宽带多频信号的测量方法研究”等，提炼转化出适合学生知识能力水平的任务内容，提升实验任务的综合性、科学性和创新性，进而推动科研反哺教学，激发学生专业学习兴趣［16-17］。

（2）组织优秀学生就相关内容申请校级的大学生创新创业训练计划项目，对实验任务进行研究验证。在小范围试水成功后，根据学生完成训练项目过程中的表现，对实验内容进行改进以及难易程度的区分，而后推广至全专业学生开展。

1.2.1 实验任务

设计制作一款电能质量监测装置，具体功能要求如下。

（1）基础功能。要求能够测量并显示电力系统中电能质量的基础参数，包括：基波电压有效值、基波电流有效值、基波频率、有功功率及功率因数，系统测量响应时间≤2 s。各参数测量误差要求如下：基波电压有效值≤1%，基波电流有效值≤1%，基波频率≤±1Hz，有功功率≤5%，功率因数≤5%。

（2）扩展功能。①测量并计算光伏并网逆变器以及常用电器工作时，电网中20 次以内谐波的幅值及电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率，各次谐波幅值测量误差不大于5%。②采取有效方法，进一步提高测量精度。

任务完成过程中，硬件方面涉及的考核要点是信号采集电路和信号调理电路的设计与制作，要求学生能够实现市电到单片机可处理信号的转换。软件方面则主要涉及AD采样、参数测量、人机交互三部分内容的程序设计与实现，引导学生实现电能质量参数的测量与校正。此外，在扩展功能中设计了光伏并网逆变器相关的任务要求，进而使学生切实体会新型电力系统特征。

1.2.2 实验要求

（1）知识准备。根据任务书查阅文献资料，学习电子技术、电能质量、数字信号处理、检测技术等相关理论知识；熟悉电压互感器、电流互感器、运算放大器、电压基准芯片等的工作原理和使用方法；熟练运用单片机。

（2）需求分析。明确实验内容及要求，分解实验任务，制定实验计划，完成方案论证和器件选型。

（3）电路设计。分模块完成信号采集电路、信号调理电路的设计、制作与调试，要求电路功能正确，布局合理，测试方便。

（4）软件设计。基于选型所用微处理器（MCU）对电信号进行正确采样和缓存；运用数字信号处理相关算法，实现电能质量参数的测量与显示。

（5）系统测试。设计测试方案，正确使用仪器仪表，测试并记录实验结果。

（6）设计总结。完成设计报告，分组演示和答辩。

1.2.3 实验环境条件

完成本课程设计需要使用的主要仪器设备为直流稳压电源、数字电压表、数字示波器、信号发生器、电能质量分析仪；需要使用的软件工具为Altium Designer、Keil和Matlab；涉及的主要电子元器件有电阻、电容、运算放大器、电压互感器、电流互感器、电压基准芯片、单片机等。

2 实验教学活动设计与实施

2.1 教学活动设计流程

为保证实验课程的顺利开展，实验教师分别从课前、课中及课后3 个阶段对教与学的双边活动进行设计。首先，教师在课前从学生的知识结构、学习能力、认知特点以及本专业的课程体系，本课程的定位和教学目标等方面开展细致充分的学情分析；课后，分别从教师的教学过程和学生的学习过程两方面进行活动设计；课后，学生从本课程的设计成果以及教师的教学效果两方面开展教学评价；教师依据学生的教学评价和效果对教学内容和教学方法做出改进和完善。教学设计具体流程如图2 所示。

图2 教学活动设计具体流程

2.2 教学活动的组织与实施

在教学活动的组织与实施上，采用线上线下、课内课外相结合的方式。教师在线上建立课程群，用于发布资料和及时解答学生问题，并针对任务节点通过“群接龙”等方式，有效把控学生的制作进度。线下除了正常的课堂教学和指导外，还组织学生建立学习小组，鼓励互帮互助，人人争做小老师，进而解决学生多，教师少，实操指导时教师“应接不暇”的问题，最终确保学生在课程时间内保质保量完成实验任务。此外，除了课内时间，学生可根据自身需求利用学子卡申请开通实验室门禁，利用课余时间进行设计制作。

教学过程中，教师采用多样化手段帮助教学重点的有效实施。

（1）工程导入。借助多媒体课件、小视频等方式引导学生了解中国电力发展从“用足电”到“用好电”的用电需求转变，了解电力科学家和电力工作者的高尚情怀和精神，帮助学生涵养科技报国情怀、厚植工匠精神。重点讲解“双碳”目标下新能源微电网和电力电子化的分布式发电系统对电能质量的影响，结合工程实际帮助学生掌握电能质量相关定义及内涵。

（2）任务解析。利用思维导图帮助学生厘清任务要求和设计思路，讲解电能质量测量装置实现的基本原理，分析涉及的相关基础课程和知识点，如运算放大电路、傅里叶变换、采样定理等，帮助学生课后通过文献查阅，完成方案设计，并给出电能质量监测装置的系统结构框图（见图3）。

图3 电能质量监测装置的系统结构框图

（3）电路设计。重点引导学生在理解单元电路原理的基础上，正确计算信号采集电路和调理电路中电压、电流互感器两侧以及运放输入、输出端元器件的相关参数，实现市电到单片机可处理信号的转换。图4给出了电能质量监测装置中电压前端采集电路、电流前端采集电路以及信号调理电路的硬件电路原理图。

图4 电能质量监测装置硬件电路原理图

（4）程序设计。首先，借助“老板—员工—仓库管理员”的比喻帮助学生理解CPU、ADC和DMA之间的关系；引导学生正确实现双通道同步采样和DMA双缓存结构（见图5），确保电压信号和电流信号相角差的准确计算；同时也保证采样数据在时域上的连续性，减少CPU负荷。

图5 AD采样工作模块示意图

其次，重点引导学生掌握基于快速傅里叶变换的电能质量参数的计算方法，启发学生思考如何根据指标要求设置正确的采样频率、采样周期等；引导学生借助Matlab理解频谱泄漏、栅栏效应及窗函数作用，分析发现非整周期采样对参数估计精度带来的影响，并找出解决方法，程序实现频谱校正算法，如比值法、相位差法、能量重心法等，完成电能质量参数的高精度测量。

（5）作品调试。引导学生正确使用仪器仪表，分模块逐级调试，掌握电路故障排除方法和调试技能。

（6）作品测试。重点引导学生对光伏并网逆变器相关谐波性能的测试，图6 所示为光伏逆变器实验平台。此外，除现场检查系统功能及测试数据外，教师将针对学生完成的作品进行提问，检验学生的自主完成程度。

图6 光伏逆变器实验平台

（7）报告撰写。重点引导学生对测试结果进行误差计算，分析误差来源，并给出改善措施。

2.3 鼓励创新的考核方式制定

实验成绩从设计制作、报告撰写、实验素养3 方面进行考核，占比分别为60%、30%和10%。具体要求如表1 所示。

表1 实验考核要求与评分

鉴于装置的设计实现方案不唯一，为了鼓励学生的主观能动性和创新性，设置设计方案多样性的加分项。首先，定义“方案相似度”指标：班级内相同设计方案的人数占班级总人数的比例。其次，制定加分规则：方案相似度≤5%可加6 分；方案相似度＞5%且≤10%可加4 分；方案相似度＞10%且≤20%加2 分。总成绩满分为100 分，加满为止。

3 课程改革实施效果

“信号与控制课程设计”教学改革2年多来，在产学研各方面均取得了喜人的成果。首先，课程任务的完成需要学生运用多门课程知识点，工程背景强，较好地培养了学生解决复杂工程问题的能力。电气工程与智能控制专业学生在近三届的全国电子设计竞赛中获得国家一等奖1 项，省一等奖4 项、二等奖9 项。其次，课程任务的设计与科研项目紧密结合，努力做到科教融合，优化教学资源。任课教师就相关内容积极开展校企合作与应用推广，获得2021年度中国产学研合作创新成果奖二等奖。最后，根据课程任务改革成果完成的实验教学案例在2022年第九届全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛（鼎阳杯）中获得了华东赛区一等奖。

4 结语

根据新工科和工程教育认证要求，从实际教学问题出发，对“信号与控制课程设计”综合性实验进行了教学改革与探索。改革过程中，实验内容的设计紧扣时代脉搏，以“双碳”目标下新型电力系统为工程背景，将相关科研成果转化为创新型实验项目，科教融合优化实验教学内容，进而为提升工程教育质量提供了有力保障。此外，针对创新性的实验内容，分层设计任务要求，制定加分规则，鼓励多样化设计，为激发不同层次学生的学习热情注入活力。实验教学改革将依据实际教学效果和反馈持续改进，以致力于提升学生实践创新能力和综合素养。

·名人名言·

把简单的事情考虑得很复杂，可以发现新领域；把复杂的现象看得很简单，可以发现新定律。

——牛顿