基于解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的電氣工程專業(yè)實踐教學模式研究＊

尹進田，唐 杰，王曉芳，劉 麗，彭志華

（邵陽學院電氣工程學院，湖南 邵陽422000）

1 引言

解決復雜工程問題能力是工程教育認證的核心，也是工科專業(yè)必須面對的重要課題。工程教育認證將解決復雜工程問題能力作為大背景，突出了工科學生的培養(yǎng)方向[1]。電氣工程及其自動化專業(yè)是傳統(tǒng)工科專業(yè)，具有很強的實踐性，且與相關(guān)學科的聯(lián)系也很密切，如何培養(yǎng)具有電氣行業(yè)背景知識、工程應(yīng)用能力強、能勝任行業(yè)發(fā)展需求的電氣工程專業(yè)人才，已成為電氣工程專業(yè)課程教學亟需解決的中心問題[2]。

《工程教育認證標準》中規(guī)定“復雜工程問題”具有一定的復雜性，需要經(jīng)過認真分析才能獲得解決方案；具有較高綜合性，含有多個互相關(guān)聯(lián)的子問題等[3]。復雜工程問題幾乎貫穿畢業(yè)要求所有指標點。

邵陽學院電氣工程及其自動化專業(yè)是湖南省第一批一流專業(yè)建設(shè)點專業(yè)、省級特色專業(yè)、校級重點建設(shè)專業(yè)，辦學以來累計為電力行業(yè)輸送技術(shù)人才4 000余人。邵陽學院電氣工程學院電氣工程專業(yè)針對目前實踐教學存在的一些問題，結(jié)合工程教育專業(yè)認證工作的開展，在實踐教學模式上進行了一系列有益的探索研究。

2 專業(yè)解決復雜工程問題的特征

本專業(yè)復雜工程問題主要有以下幾個特征屬性。

深入運用工程原理。本專業(yè)復雜工程問題面向的是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等電氣設(shè)備連接在一起而組成的整體——電力系統(tǒng)或者稱為電力工程，需要解決其設(shè)計、運行、控制、無功優(yōu)化和電能質(zhì)量等方面的問題，以滿足安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟性能要求。

協(xié)同攻關(guān)。電力工程問題不僅包含發(fā)電機機組運行與維護、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、變流技術(shù)、電氣信號測試技術(shù)等多方面的工程技術(shù)，而且涉及到環(huán)境、經(jīng)濟、管理等多方面的非技術(shù)因素。

建立恰當?shù)某橄竽Ｐ?。在解決電力工程問題中，對工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、故障處理系統(tǒng)，需要運用科學理論，通過等效變換和處理，建立表述系統(tǒng)狀態(tài)和展示系統(tǒng)狀態(tài)變化規(guī)律的抽象數(shù)學模型。

使用新工具。與電力工程問題相關(guān)的新技術(shù)發(fā)展日新月異，僅靠常用方法難以完全解決，必須要使用新工具廣泛收集信息、查詢資料，甚至需要使用新工具和軟件對電力工程問題或者其子系統(tǒng)進行仿真研究，獲得具有創(chuàng)新特征的可行解決方案。

不確定性。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，分布式電源、新型電氣設(shè)備、變流裝置等關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用使得電力工程問題更加復雜化，涉及因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中。

多方利益沖突?，F(xiàn)代電力工程越來越復雜，如高壓直流輸電系統(tǒng)是一個包含交流變直流、輸電線路和直流變交流的系統(tǒng)，在規(guī)劃設(shè)計時，既要考慮直流系統(tǒng)的安全可靠運行，同時需要兼顧環(huán)境、經(jīng)濟成本、社會影響等多種因素；對電力系統(tǒng)的故障處理和電氣設(shè)備檢修，既要考慮用戶的用電需要，又要保障系統(tǒng)安全，存在較強的多方利益沖突，在制訂解決方案時，須合理考慮與解決這類多方利益不完全一致問題。

相互依賴性。電力工程問題包含系統(tǒng)構(gòu)成與運行、系統(tǒng)狀態(tài)分析與計算、系統(tǒng)監(jiān)測與調(diào)控、自動裝置與裝備、系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計等相互關(guān)聯(lián)的子問題，具有較高的綜合性和相互依賴性。

3 構(gòu)建“三四三五”實踐教學體系

基于專業(yè)解決復雜工程問題的特征屬性，將解決復雜工程問題能力貫穿于實踐教學的各個環(huán)節(jié)，構(gòu)建以基本能力訓練為基礎(chǔ)，以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以創(chuàng)新精神教育為主線的“三四三五”實踐教學體系。三類實踐為課程實驗、綜合實踐和專業(yè)實訓，四項能力為通識能力、專業(yè)能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力及職業(yè)發(fā)展與社會能力，三個平臺為校內(nèi)實驗實訓平臺、網(wǎng)絡(luò)實踐教學平臺、校外實踐育人基地，五大模塊為素質(zhì)拓展模塊、實驗教學模塊、實習實訓模塊、論文設(shè)計模塊、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模塊。

4 實踐教學模式改革主要思路與措施

4.1 整合實驗環(huán)節(jié)，新增實踐課程

依據(jù)課程性質(zhì)、學生能力培養(yǎng)要求，將12個原依附于理論課程的實驗環(huán)節(jié)整合成4門獨立的實踐課程，具體為將“自動控制原理”實驗、“單片機原理及應(yīng)用”實驗、“電機學Ⅰ”實驗整合為“工程基礎(chǔ)綜合實驗Ⅰ”，將“電力電子技術(shù)”實驗、“傳感技術(shù)”實驗、“PLC原理及應(yīng)用”實驗整合為“工程基礎(chǔ)綜合實驗Ⅱ”，將“電機學Ⅱ”實驗、“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”實驗整合為“電氣工程專業(yè)綜合實驗Ⅰ”，將“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”實驗、“電力系統(tǒng)自動控制”實驗、“發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)”實驗、“繼電保護原理”實驗整合為“電氣工程專業(yè)綜合實驗Ⅱ”；新增“系統(tǒng)仿真與實踐”與“工程設(shè)計與實踐”2門實踐課程；將“電力工程概預(yù)算”由選修改為限選課程，以滿足工程教育的需要。

4.2 改進實驗項目，提高實驗綜合化程度

將原有部分綜合、設(shè)計性實驗項目按照解決復雜工程問題能力培養(yǎng)進行改造。如自動控制原理課程中的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定分析，其主要目的是理解三階系統(tǒng)參數(shù)與穩(wěn)態(tài)性能間關(guān)系，能用三階系統(tǒng)模擬電路實現(xiàn)動、靜態(tài)性能測試，是一個綜合性實驗。但考慮復雜工程問題，其包含的深層次工程問題很多，如三階系統(tǒng)由哪些典型環(huán)節(jié)構(gòu)成，模擬電路是如何設(shè)計實現(xiàn)的，系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的具體關(guān)系是如何得到的，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性可采取什么措施，等等。這些問題都可以在原有實驗項目基礎(chǔ)上進行擴展，使實驗綜合度得到提高，學生解決復雜工程問題能力得到提高。

4.3 嚴格課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計選題

本專業(yè)培養(yǎng)學生解決電氣工程領(lǐng)域中的電力生產(chǎn)、運維與管理、供輸配電工程設(shè)計與建設(shè)以及技術(shù)服務(wù)等方面問題，涉及電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)、電力系統(tǒng)安全運行與維護、線路潮流阻塞、電力電子變流器應(yīng)用以及新能源發(fā)電等多項工程環(huán)節(jié)，需要學生能夠有效運用發(fā)電、變電、輸電、配電、用電和電力電子技術(shù)的基本原理，解決電力系統(tǒng)的運行、控制、設(shè)計、無功優(yōu)化和電能質(zhì)量等問題，以便有效應(yīng)對人工智能技術(shù)、新能源、新型電氣設(shè)備裝置等關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用給電力系統(tǒng)安全運行、控制、穩(wěn)定性等帶來的復雜工程問題。這些問題可能超出現(xiàn)有的專業(yè)標準或者沒有明確行業(yè)規(guī)范，需要平衡環(huán)境、經(jīng)濟、管理等多方利益沖突。據(jù)此，本專業(yè)復雜工程問題對應(yīng)訓練項目主要是電力工程設(shè)計、變流器應(yīng)用等。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計課題的選取除了體現(xiàn)一定的復雜性外，還要盡可能圍繞電力工程設(shè)計、變流器應(yīng)用兩個方向?qū)嵤?/p>

4.4 加強實驗室與實踐基地建設(shè)

教學用基礎(chǔ)實驗室和專業(yè)實驗室設(shè)備滿足實驗教學需求，本專業(yè)建設(shè)有電工實驗分室、電子實驗分室、電工電子實習室、單片機實驗分室、自動控制實驗分室、電機實驗分室、電力電子與電力拖動實驗分室、數(shù)字控制與PLC實驗分室、傳感器實驗分室、綜合仿真實驗分室、創(chuàng)新實驗分室等11個基礎(chǔ)實驗室，擁有電力系統(tǒng)綜合自動化實驗分室、繼電保護實驗分室、綜合仿真實驗分室3個專業(yè)實驗室，滿足專業(yè)特質(zhì)對實驗室的需求，實驗教學質(zhì)量有保證；與企業(yè)共建11個校外實習實踐基地，其中國電寶慶煤電有限公司實習基地是省級校企合作人才培養(yǎng)示范基地，我們與其建立了良好的管理、維護和更新機制，滿足電氣工程及其自動化專業(yè)從事電力生產(chǎn)、運維與管理的應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)要求。

4.5 改變實踐教學方法

實行生產(chǎn)、教學、科研一體化教學模式，充分利用企業(yè)、高校和科研機構(gòu)的優(yōu)勢，通過合作使學生獲得更多實踐機會，提高學生參與電氣工程實踐的積極性。對于學生，通過項目實踐與創(chuàng)新，實現(xiàn)知識研究與市場經(jīng)濟效益間的轉(zhuǎn)化；對于企業(yè)，通過合作儲備專業(yè)電氣工程人才；對于高校，為學生提供實踐和就業(yè)機會。

5 實施效果

新的實踐教學體系與教學模式廣泛應(yīng)用于邵陽學院電氣工程及其自動化專業(yè)，受到學生普遍歡迎，學生參與實踐學習的主動性和積極性加強，增強了學生工程實踐經(jīng)驗和工程應(yīng)用能力，教學效果和就業(yè)競爭力明顯提高。近5年學生在校期間獲得省級及以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目30項，其中國家級項目8項；學生獲得省級三等獎或銅獎以上獎勵32項；學生在校期間公開發(fā)表科研論文135篇，獲得專利10項。近5年共有270名學生考入國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)，2017國家電網(wǎng)考試錄用畢業(yè)生人數(shù)在全國排名第55名，當年在全國學院級二本院校中排名第一。學生就業(yè)率一直保持在95%以上，在湖南省電力行業(yè)產(chǎn)生了良好的社會反響。近年的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目分別入選2017年第十屆、2018年第十一屆全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會展示項目（湖南省部屬高校及地方高校展示項目僅5項）。