产教融合下高校电气专业课程教与学实践探索

摘"要：以同济大学电气工程系的电气传动控制系列课程为例，本文阐述了笔者在教学内容、教学方法和教学手段等方面，与本科生一同进行教与学模式的创新探索。笔者不仅从高校教师的角度给学生提供了一系列开放性的互动与交流，同时也从学生的角度记录了学生的一些真实想法和希望，从中收获颇多。关于产教融合背景下的专业课程建设，笔者通过深化校企合作，加强了对理论课程配套实验项目的建设，也进行了一些有益的实践探索。

关键词：教学方法；教学手段；教学互动；教与学；产教融合；校企合作

依据教育部启动实施的“卓越工程师教育培养计划”，同济大学已经有包括电气工程在内的超过15个工程类专业向教育部提出申请参加该计划。同济大学制定了“卓越人才培养发展战略”，逐步推行“招生改革、培养模式改革、专业改革、教学方式方法改革”共4项重大改革，加强“师资队伍建设、学风与人文环境建设、教学软件载体建设、教学硬件建设、质量保证系统建设”共5项基本建设，实施“卓越生源、卓越师资、卓越环境、卓越课程、卓越实践、卓越管理”共6个专项行动，致力于为社会培养一大批具有同济大学卓越人才特征的高级专门人才和拔尖创新人才。

电气工程专业历史由来已久，专业性质决定了它与工程结合密切。在社会发展的新阶段，同济大学电气工程开始对工程人才培养目标、标准、师资队伍、人才培养模式、教学内容、方法、手段等方面进行全方位改革，取得了一系列教学改革成果。下面以电气传动控制系列课程（包括“电气传动与牵引控制系统”“交流传动与控制”等本研课程）为例，探索课程中教与学的创新模式。文章不仅从教师的角度介绍了各种开放性的互动与交流，同时也从学生的角度真实记录了学生反馈的一些想法和希望。

一、教学与实践是卓越工程师教育培养的重要环节

课堂是创新思维培养的主战场之一，包括电气工程在内的诸多专业十分注重课程体系的改革，积极吸取国际知名高校的成功教学经验，鼓励教师在课程内容、学习方式、考核方式和评价标准、实践教学实施方式以及能力培养方式等诸多关键环节上积极地探索。

同济大学拥有一批大型企业实习基地，同时分批次与行业内知名企业签署了校企联盟协议，建设了一批教学创新基地。在合作中使学生与企业一同学习与研发新工艺、新产品、新流程和新技术，深化学生的专业知识，锻炼学生的创新实践能力，提高学生的人际交往能力、组织协调能力、表达沟通能力、团队合作意识。与生产第一线的企业合作，有利于学生创新意识的建立，促进了能力培养与人格养成，为培养学生成为卓越的工程师打下基础。

二、“电气传动控制”课程特点

同济大学“电气工程及其自动化电气传动控制”课程主要讲述由直流、交流电动机提供原动力的电气传动系统的工作原理及其自动控制技术，其先修课程是专业基础课“自动控制原理”“微控制器原理及其应用”和专业课“电机学”“电力电子技术”四门课程。

首先，电气传动系统有广泛的应用，例如，在工厂的各类加工生产线上，包括冰箱、空调、洗衣机等在内的各类家用电器中，特别是在电动汽车以及国内各大城市正大力建设的城市轨道交通以及动车组、高铁中。与之相关的各类电气设备消耗了电网电能的半数以上，所以本门课程在专业课中有非常重要的地位，这要求课程教学最好能够结合具体的实际应用［1］。

其次，学好本门课程的前提是需要对前面四门课程有较好的基础，并且要做到把各类知识融会贯通、灵活运用，因此课程难度较高。很多学生由于对某一门课程掌握较差，从而影响了本门课程的学习积极性和最终的学习效果。因而在授课中，教师需要经常回顾一些相关课程的知识内容，并引导学生加深理解［2］。

再次，本门课程设置了配套实验，但仍需要在以下几方面努力提高：更新实验装置，完善半实物仿真系统的实验平台；提供更加方便操作的图形用户界面及测试手段，便于学生深入了解系统的各单元工作情况；增加实验平台对学生的开放时间，探索更加完善的实验平台建设与管理机制［3］。

从次，计算机仿真现在已经非常普及，例如MATLAB、PSIM等仿真软件都可以用来对电气传动系统进行数字仿真研究。教学过程中可以通过课堂内、课堂外的一些仿真作业激发学生认真学习的积极性。

最后，对课程考核形式进行改进。课程的考核最好能够降低对理论公式和计算难度的过高要求，课程的评分需要综合考虑平时课后作业、课外仿真作业、实验情况、平时出勤率及课内表现、期末考试成绩。

三、产教融合下的专业课程建设探索

多年来，教育部鼓励企业与高校深度开展产学合作。笔者所在院系的多名教师都已负责了多项的产学合作项目。关于企业与高校如何深入合作，笔者谈一下自己的探索历程。

（一）多样化高校与企业的具体合作形式

企业可为高校的高年级学生在学期、暑假小学期中安排讲座，也可为专业学位研究生提供长期的各类实习，从产品的需求、设计、试制、量产等方面向学生深入解释各阶段的具体工作。同时，学校与企业可以在课程内容（学校的实践教学案例）、试验平台（企业建设）、人才联合培养方式（探索短期企业实训）三个方面进一步深入合作。

另外，结合目前线上学习的趋势，高校教师与企业工程师可以组建虚拟教研室，建设线上精品课程，为在校学生及企业新进员工提供高质量的学习资源。

（二）学校实验项目的深化建设

目前的电气传动系统中，应用在现代电动汽车、城轨地铁与高速铁路中的电气传动控制系统都是全数字化系统，它们采用高性能单片机作为主控芯片对系统的能量变换进行PWM控制。但专业课程的配套实验并没有普遍采用高性能单片机作为控制核心，而且在少数单片机控制的实验中，仍然采用的是直接编写C代码的开发方式。现代化企业在使用单片机控制（即嵌入式系统）的产品的研发阶段，已经开始盛行采用基于模型开发（MBD）的技术进行快速原型的设计，应用该技术可以大大缩短产品的开发周期，实现产品的快速验证，有力地提升了企业产品的竞争力。

笔者已经开展了采用英飞凌单片机集成开发环境DAVE和MATLAB/SIMULINK联合进行XMC4500单片机基于MBD技术的PWM控制算法的开发，如图1所示。以学生容易掌握、基于图形化和模块化建模的SIMULINK为MBD开发平台，并在低压的逆变器硬件系统中进行多种PWM控制算法设计与实验验证，旨在为“电气传动控制”相关专业课程的理论教学提供更好的配套资源，进一步提高学生的动手能力与工程技能，进而把培养学生综合能力的工作落到实处。同时，在掌握MBD技术的基础上，学校教师也可以与企业工程师探讨进一步的项目合作。

（三）实验教学的深化探索

针对前述的研制电路，保留较大的设计空间，并设置一些常见的故障模式，用于考验学生的逻辑分析能力、故障分析能力、仪器工具与数学工具的灵活运用能力，也有助于提高学生全面思考与解决实际问题的能力。

结合研制电路及实验项目，尝试“教、学、做”合一的教学方法来实施实验教学，做到课堂理论学习、仿真实例学习、现场实验学习，力争将理论课堂与实践课堂合二为一，让学生在教师的教学引导下或者在自己的主动创造中提高实践能力，全面提高思考、检查、改正的综合能力水平。

以理论推导、仿真分析、实验验证相结合的方法进行实验项目的开发与实验指导书的编写。笔者已经编写了教材《永磁同步电动机变频调速系统及其控制》［9］，通过实验项目及指导书的编写可以有效地补充理论教材在实验方面的不足，从而更好地服务于工科学生的全面发展。

四、“电气传动控制”课程的创新教与学实践探索

该课程将学生刚刚完成的专业基础课程“自动控制原理”中有关控制理论的内容应用到电机调速系统的控制中去，同时笔者也在积极探索把控制理论的一些概念应用到本门课程的教与学中，教师与学生均收获颇多。

（一）教师讲解——教应该是帮助学生找寻问题的可能答案

在文献［4］中，笔者提出了课堂教学过程中教与学的互动过程示意图，如图2所示。其中把教师的“教”与学生的“学”分别作为一个不同的控制系统，两者以“学生”这个特殊的对象作为重要的耦合环节。

最重要的一点是，学生绝非一个简单的无源系统，他们是一些强非线性、多变量、强耦合、具有高度学习能力的对象［4］。教师不能把他们简单化处理，而是要意识到——只能在引导中，帮助学生发现他们自己，这才是真正把对象“激活”了，他们自身的潜能才能够得到高效的释放。

图2"课堂的教与学互动过程示意图

教学这两个字是并重的，当我们关注的焦点落在学生方面时，后一个字则更显重要，这也就决定了教师的一系列有关“教”的行为活动都要或多或少地围绕“学”展开［5］。

（二）学生学习——“黑盒子”问题

人本身是一个高度智能的系统，长期的学习与成长经历已经把他们打造成状态各异、拥有自身独特学习目标和学习方式及反馈机制的成熟系统。对教师而言，他们是控制中的一个个“黑盒子”。教师不能自认为非常了解学生，而是要通过不断交流互动掌握他们的现状，更有少数学生极少参与到互动中，因而对他们的了解就会少得多。

下面给出了某位本科学生对这门课程的几点具体看法。我们教师可以从中找到这些“黑盒子”的某些特点，了解本届学生的规律进而制定适宜的教学策略。

1.学生对本课程的理解

通过教师课内介绍和课外学习，了解到本门课程知识处于日新月异的发展中，我们学生对这门课充满了学习兴趣和动力。

“电气传动控制”课程的高度学科交叉性预示了它有较高的学习难度。本课程是一门实践性很强的课程，受制于有限的实验室条件，计算机仿真成了很好的实践手段。因此，使用MATLAB进行计算机仿真便成了课程学习的重要部分。

在教材第2章［8］的学习中，我发现，这一章节的相关小知识点已在前期专业基础课中讲述和学习过，而本门课程把这些知识点串联起来，形成一个完整的系统。因此，我认为，教师在课程的讲述过程中，不能只是讲清这一个个知识小点，而应该更加偏重于这些知识点是如何被串起来的，为什么这样串起来，同时也应注重串起来后形成的知识体系的宏观思想和原理的阐述，并指出这一系统的具体工程应用是怎样的。在学习过程中，我们学生也不应该仅仅满足于每个知识点的掌握和理解，更应该从整个知识系统的角度，宏观地去理解这一个系统，同时更应注重系统的形成过程和方法，这也是学习专业课与专业基础课的不同。

2.课外的积极学习与学习经验的总结

在教材第2章［8］的学习过程中，教师在课堂上提出下述问题，建议学生在课下对其进行深入分析——考察功率变换器的滞后时间常数Ts对闭环特征方程根轨迹的影响，并据此来判断直流调速系统是VM系统还是PWMM系统。笔者首先根据自动控制原理的相关知识和需要考察的Ts，对比例控制闭环系统的特征方程进行变换整理，随后编写MATLAB程序绘制系统的根轨迹以考察Ts的变化对根轨迹的影响。通过计算和仿真实验，发现当放大系数K取满足稳定条件的最大值（可由劳斯赫尔维茨判据得到）时，根轨迹与S平面虚轴交点对应的开环增益就是临界时间常数Ts。至此，笔者较好地解决了教师所提的问题。当然，探究过程并非一帆风顺，而是通过对现有结果进行分析，发现不足，再通过改进实验方法和参数进行实验，再得出结果，再分析，直至得出最终的结果。在此过程中，笔者与教师及时交流和反馈问题，使教师可以及时对笔者所遇问题加以指导，从而比较顺利地解决了问题。

跳出这个问题本身，宏观地看待上述问题的分析与解决过程，可以惊喜地发现，它实际上正是一个闭环反馈的过程。先对问题的答案提出预期结果（即如何判断VM和PWMM系统），随后制定分析策略（控制器），通过MATLAB仿真（执行器）得出实验结果，将实验结果反馈给预期结果，进行偏差分析，然后继续实验直至得出满意结果。

我们的日常生活也是如此，我们做任何事情都要树立一个前期目标（给定量），随后进行思考并得出解决方案（控制器），然后通过具体行动展开实施（执行器），最终得出结果（输出量），再与既定目标比较，得出偏差后继续进行调节。笔者认为这样的一种做事方法是极其有效的。

（三）教与学新理念中的几个关键环节

如图2所示，教与学两个闭环系统都有各自的控制目标、调节作用、反馈机制，两者通过互动交流实现教师对黑盒子的控制与引导作用。

为了加强教师的引导作用，需要强调图2中的前馈作用机制，具体表现为：

（1）注意课堂热身，简要复习上节课的内容；

（2）临下课前，提醒学生做好复习和预习。

前馈作用下的学生学习效果会领先于各类测试中反馈控制的作用效果。

课堂时间有限，教师讲解多少时间和内容更合适？笔者觉得时间不要太满，留下时间进行互动；内容不要太多，留下空间给学生自己，使得学生感觉到课程的动力与压力并存。

另外，课堂上教师的思维风格、提问行为与技巧对学生创造性问题提出能力有显著影响。外倾型、自由型教师的高认知、开放性的问题有利于学生创造性问题提出能力的提高［6］。

教与学的目的是培养人才，而不断推进的教学改革更是为了培养出更多的优秀人才。但人才绝不是教出来的，必须通过一套完善的教学机制、科学的教学理念、合理的学习方法，在适合的土壤和环境中成长起来的，这需要国家、学校、教师、家长和学生共同努力才能实现［7］。

结语

笔者通过亲身实践，阐述了通过积极互动、加强前馈与反馈作用，引导学生发现自己，这是教与学的内在作用机制。实践表明，这种教学会促进学生更好地掌握适宜自己的学习方法，有助于学生对自己的学习和成才之路有更好、更深的理解与认识。此外，学生可以得到超越课本知识的一些有益收获，可以更乐观、积极向上地看待学习与生活。

参考文献：

［1］梁永春，刘建业.电气传动课程群开放式课程设计体系研究［J］.中国电力教育，2011（21）：167168.

［2］厉虹，张巧杰，祁鲲.以创新能力培养为目标的“电机与拖动”教学改革研究［J］.中国电力教育，2010（4）：5759.

［3］孙醒涛，蔡燕.“电气传动控制系统”课程教学方法探讨［J］.中国电力教育，2013（33）：99100.

［4］YUAN"Dengke.Reform"of"Teaching"and"Learning"from"the"Viewpoint"of"Control"Theory［C］.Tianjin：2011"Teaching"Seminars"on"Higher"Education"Science"and"Engineering"Courses，2011：862866.

［5］吴康宁.学生仅仅是“受教育者”吗？［J］.教育研究，2003（4）：4347.

［6］韩琴.课堂互动对学生创造性问题提出能力的影响［D］.上海：华东师范大学，2008.

［7］康重庆，董嘉佳，董鸿，等.电气工程学科本科拔尖人才培养的探索［J］.高等工程教育研究，2010（5）：132136.

［8］阮毅，杨影，陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.5版.北京：机械工业出版社，2023.

［9］袁登科，徐延东，李秀涛.永磁同步电动机变频调速系统及其控制［M］.2版.北京：机械工业出版社，2023.

基金项目：论文发表得到同济大学本科教改项目（人工智能+电子信息类学科交叉课程体系建设）、同济大学工程类研究生产教融合示范课程、同济大学研究生一流线上精品课程（KCJP2207）等项目资助

作者简介：袁登科（1979—"），男，汉族，安徽涡阳人，博士，讲师，研究方向：大功率变流技术与交流电气传动；朱琴跃（1970—"），女，汉族，江苏无锡人，博士，教授，研究方向：电气状态自主感知和智能诊断；张文豪（1982—"）男，汉族，山西高平人，博士，副教授，同济大学电气工程系教研室主任，研究方向：电气工程新工科创新教学。