許俊云 魏德仙 孫振剛

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州 510642

電氣工程及其自動化專業(yè)作為強(qiáng)電類專業(yè)、以往學(xué)生學(xué)習(xí)過程中重“強(qiáng)”輕“弱”的現(xiàn)象十分普遍，而事實(shí)上隨著微機(jī)繼電保護(hù)和智能電網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，強(qiáng)電專業(yè)弱電化已經(jīng)成為必然的趨勢。高校要培養(yǎng)具有卓越的電氣工程師素養(yǎng)的應(yīng)用型專業(yè)人才，必須對弱電類實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)予以足夠重視。因此，不斷開展電氣專業(yè)弱電類設(shè)計實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新研究，對提高電氣工程專業(yè)學(xué)生的工程能力，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升具有重要意義[1,2]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

我校之前給電氣專業(yè)學(xué)生開設(shè)的弱電類設(shè)計項目是《基于PLC的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計》。這個項目雖然可以訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用PLC控制技術(shù)和電機(jī)學(xué)知識進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計的能力，但是如果經(jīng)年不變，學(xué)生容易產(chǎn)生惰性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新思維[3]。

此外，目前開設(shè)的設(shè)計項目沒有對學(xué)生進(jìn)行制作PCB電路板的訓(xùn)練。學(xué)生只具有對萬用板的使用經(jīng)驗，而社會對大學(xué)畢業(yè)生的卓越工程師綜合素養(yǎng)要求逐年提高，對強(qiáng)電類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行電路板設(shè)計應(yīng)用能力的培養(yǎng)成為必須加強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)工作。

結(jié)合我校正在積極開展的本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)工作，電氣專業(yè)教研室積極響應(yīng)此建設(shè)號召，針對目前弱電綜合課程設(shè)計教學(xué)中存在的問題啟動了教學(xué)改革與實(shí)踐工作。

2 改革與實(shí)踐

2.1 加強(qiáng)思想教育及課程設(shè)計項目設(shè)置創(chuàng)新

課程設(shè)計第一周的第一天，就召集電氣工程專業(yè)全體學(xué)生召開弱電綜合課程設(shè)計動員會，布置課程設(shè)計任務(wù)；在動員過程中，注重用具體事例從思想上糾正電氣專業(yè)學(xué)生普遍存在的重強(qiáng)電輕弱電的錯誤思想，使學(xué)生從思想上認(rèn)清弱電類技術(shù)應(yīng)用對推動電氣工程新技術(shù)發(fā)展的重要意義。

用創(chuàng)新的方式設(shè)置出新的弱電課程設(shè)計項目，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及工程意識。

目前，我校電氣專業(yè)實(shí)驗室使用的是浙江天煌教儀生產(chǎn)的DZSZ-1型電機(jī)及自動控制實(shí)驗裝置。該裝置目前可以開設(shè)電機(jī)與拖動實(shí)驗、電力電子技術(shù)實(shí)驗及運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)驗課程。

經(jīng)過討論研究，電氣教研室決定發(fā)掘現(xiàn)有實(shí)驗裝置設(shè)備的潛力，從提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力出發(fā)，設(shè)計出了2個全新的弱電類課程設(shè)計項目。

【項目1】《電機(jī)及自動控制實(shí)驗裝置的測速裝置設(shè)計》

目前實(shí)驗裝置中測速部分采用的是光電編碼器測速，需要通過單片機(jī)采集光電編碼器的輸出脈沖信號，經(jīng)過運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速量顯示輸出。

但是，由于設(shè)備購置于2002年，使用時間已過15年了，有較多臺設(shè)備出現(xiàn)故障，廠家已經(jīng)不方便提供售后維修服務(wù)了。考慮到這個測速裝置的設(shè)計正好是弱電知識的小型工程運(yùn)用，如果指導(dǎo)電氣工程專業(yè)的學(xué)生運(yùn)用所學(xué)弱電專業(yè)知識開展這個項目的課程設(shè)計，則可一舉兩得。一方面可以培養(yǎng)學(xué)生在弱電電路方面的工程設(shè)計能力；另一方面可以徹底解決測速裝置的故障修復(fù)問題，獲得完全的“自主知識產(chǎn)權(quán)”，以后就再不需要依賴設(shè)備廠家提供“不盡人意”的維修服務(wù)了。

【項目2】《用全控器件改造實(shí)驗室直流斬波電路裝置》

目前使用的電力電子技術(shù)實(shí)驗掛件DJK05 直流斬波電路是采用半控型器件晶閘管作為開關(guān)器件的。由于該器件只有開通可以控制，關(guān)斷不可控制，因此為了實(shí)現(xiàn)斬波功能，設(shè)備廠家必須設(shè)置復(fù)雜的關(guān)斷電路。但是，此設(shè)備在實(shí)際使用中，卻常常出現(xiàn)關(guān)斷失敗的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響實(shí)驗課的順利進(jìn)行，多次向設(shè)備廠家反應(yīng)也沒有效果。

電氣教研室經(jīng)過討論，決定不再依靠廠家，采用全控器件如功率MOSFET替換半控器件，以徹底解決關(guān)斷失敗的問題。考慮到直流斬波電路正是強(qiáng)電和弱電相結(jié)合的電路，由弱電電路產(chǎn)生開關(guān)控制信號提供給強(qiáng)電主電路的開關(guān)管控制極，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)斬波功能。如果指導(dǎo)本專業(yè)的學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的電子技術(shù)和電力電子技術(shù)專業(yè)知識開展這個項目的課程設(shè)計，同樣是一舉兩得。一方面可以鍛煉學(xué)生對弱電電路的綜合設(shè)計能力，另一方面可以徹底解決直流斬波電路的故障修復(fù)問題。

2.2 采用全新的教學(xué)模式

此次課程設(shè)計作品指導(dǎo)中，采用引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行PCB板設(shè)計的方式，要求調(diào)試好后可直接安裝在電氣專業(yè)實(shí)驗室的實(shí)驗裝置中。完成設(shè)計作品需要用到單片機(jī)、數(shù)電、模電、DXP軟件、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、調(diào)試等多方面的知識，通過指導(dǎo)學(xué)生親手設(shè)計實(shí)驗裝置并投入實(shí)驗室應(yīng)用的方式開展弱電綜合實(shí)踐教學(xué)，鍛煉綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。

考慮到學(xué)生是第一次進(jìn)行PCB板設(shè)計，學(xué)生雖然具有較強(qiáng)的自學(xué)DXP軟件的能力，但是畢竟是新手，因此采用的教學(xué)模式是首先帶學(xué)生到實(shí)驗室，拆開原來的實(shí)驗裝置，觀摩一下裝置內(nèi)部的PCB板，并講解電氣元件的一般布置方法，讓學(xué)生獲得一些感性認(rèn)識，然后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計，最后對自主設(shè)計的電路進(jìn)行檢查、講評。過程中鼓勵學(xué)生拋棄畏難情緒，積極改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗裝置的設(shè)計方案。

對于項目1，指導(dǎo)教師側(cè)重于對單片機(jī)應(yīng)用知識和光電編碼器應(yīng)用知識的輔導(dǎo)。

對于項目2，指導(dǎo)教師側(cè)重于對電力電子驅(qū)動電路設(shè)計方法和電力電子全控器件選型方法的輔導(dǎo)。

對2個項目，在教學(xué)中都注意強(qiáng)化工程設(shè)計意識。要求學(xué)生充分利用現(xiàn)有設(shè)備，能用的電氣元件盡量保留，注重設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及實(shí)驗設(shè)備設(shè)計特別要強(qiáng)調(diào)的操作的安全性、方便性。

2.3 課程設(shè)計項目完成的PCB板效果

電氣工程專業(yè)學(xué)生設(shè)計完成的項目1PCB電路板如圖1所示。

圖1 測速裝置PCB電路板

圖1所示PCB板可以安裝于原導(dǎo)軌的安裝盒中，和原裝置中的部分電氣元件如變壓器、光電編碼器等配合，能有效地實(shí)現(xiàn)測速功能。

項目2所完成的PCB電路如圖2所示。

圖2 直流斬波電路PCB板

圖2所示PCB板可以安裝于原直流斬波掛件掛箱中，和原裝置中的部分電氣元件如變壓器等配合，能有效地實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)中的直流斬波功能。

3 結(jié)語

實(shí)踐表明，弱電綜合課程設(shè)計教學(xué)模式的改革工作體現(xiàn)了較強(qiáng)的工程性，教學(xué)中按現(xiàn)場工程師素養(yǎng)的要求開展課程設(shè)計，力求讓學(xué)生做到學(xué)用充分結(jié)合，改變了以往相對簡單的知識運(yùn)用模式。

通過2個設(shè)計項目的實(shí)施，使強(qiáng)電專業(yè)學(xué)生得到更充分的弱電應(yīng)用工程能力的訓(xùn)練，掌握了單片機(jī)在實(shí)驗室設(shè)備開發(fā)上的應(yīng)用技巧、PCB電路板設(shè)計知識等，較好地解決了電氣工程專業(yè)學(xué)生弱電實(shí)踐能力相對薄弱的問題。同時也解決了電力電子與電機(jī)拖動實(shí)驗裝置中測速部分程序跑飛、直流斬波實(shí)驗掛件無法實(shí)現(xiàn)斬波、故障得不到有效修復(fù)的問題。設(shè)計出的實(shí)驗室用調(diào)速裝置和直流斬波電路掛件裝置，成功用于實(shí)驗室電機(jī)測速和直流斬波電路，滿足了電力電子與電機(jī)拖動實(shí)驗室實(shí)驗教學(xué)的需要。

這種與實(shí)驗設(shè)備設(shè)計開發(fā)相結(jié)合的課程設(shè)計方案不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力，學(xué)以致用，有效地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，而且能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗室部分設(shè)備自主開發(fā)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。下一步擬繼續(xù)進(jìn)行電力電子掛件、單三相智能功率表掛件、220伏高壓直流可調(diào)電源等設(shè)備的自主開發(fā)設(shè)計，微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗裝置的改進(jìn)設(shè)計等工作。以期通過更充分挖掘電氣實(shí)驗室潛能和現(xiàn)有設(shè)備的效用，培養(yǎng)具有卓越工程師素養(yǎng)的電氣專業(yè)人才。

高校實(shí)踐教學(xué)工作是一項需要不斷創(chuàng)新的工作。因此，高質(zhì)量的實(shí)踐教學(xué)模式的探索和研究將永無止境[4,5]。