陳 蓉， 楊 勇

（蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215131）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑。通常，理論課程配套實(shí)驗(yàn)以及綜合性課程設(shè)計(jì)構(gòu)成了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩種主要模式［1-2］。與附屬于理論課的配套實(shí)驗(yàn)課程相比，綜合性課程設(shè)計(jì)的課程特點(diǎn)表現(xiàn)為：①授課對(duì)象多為高年級(jí)學(xué)生，其已具備一定的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和基礎(chǔ)實(shí)踐能力；②授課學(xué)時(shí)較為充足，一般不少于18 學(xué)時(shí)；③授課內(nèi)容綜合性強(qiáng)，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、工程思維與創(chuàng)新實(shí)踐素養(yǎng)?；谏鲜鎏卣?，根據(jù)新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，教師在開展課程設(shè)計(jì)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中應(yīng)以典型工程案例為依托，分層設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)開發(fā)的完整流程和相關(guān)技術(shù)，進(jìn)而提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力［3-6］。

蘇州大學(xué)“信號(hào)與控制課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。基于該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題具體表現(xiàn)為：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)背景結(jié)合度低，缺乏新意，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性；②實(shí)驗(yàn)任務(wù)側(cè)重于對(duì)學(xué)生軟件編程能力的考核，硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力考查不足，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力；③課程內(nèi)容實(shí)施多年，在網(wǎng)絡(luò)和往屆學(xué)生中資源積累較多，導(dǎo)致實(shí)踐過程中學(xué)生“劃水”現(xiàn)象明顯，班級(jí)整體成績(jī)區(qū)分度較差。

本文以蘇州大學(xué)電氣工程與智能控制專業(yè)開設(shè)的“信號(hào)與控制課程設(shè)計(jì)”為例，從分析教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，立足專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，以“雙碳”目標(biāo)下新能源電力系統(tǒng)的高速發(fā)展為工程背景，深度引入電力諧波檢測(cè)領(lǐng)域科研成果，對(duì)課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)組織開展全新設(shè)計(jì)與實(shí)踐，進(jìn)而使其在背景上更加具備時(shí)代特色與社會(huì)效益；在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上更加均衡地考核學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力；在教學(xué)組織上更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.1 立足專業(yè)，選定工程背景

電氣工程與智能控制屬電氣類專業(yè)，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，“信號(hào)與控制課程設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可密切圍繞電力系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等方面開展設(shè)計(jì)選題［7］。

當(dāng)前，中國(guó)電力系統(tǒng)在“雙碳”目標(biāo)指引下，迎來了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出了新特征［8-10］，如圖1 所示。一方面，由于新能源微電網(wǎng)、分布式發(fā)電的爆發(fā)性增長(zhǎng)以及電力系統(tǒng)在源、網(wǎng)、荷各環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出的明顯的電力電子化特征給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重沖擊［11-12］；另一方面，隨著《中國(guó)制造2025》計(jì)劃的提出，高端制造業(yè)的發(fā)展過程中將出現(xiàn)大量電力電子設(shè)備和敏感負(fù)荷，它們對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量將提出更高的要求［13］。因此，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的有效監(jiān)測(cè)對(duì)確保電網(wǎng)安全運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)電能提供具有重要意義。電能質(zhì)量相關(guān)課題不失為一類適合于本課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選題。

圖1 新型電力電子化電力系統(tǒng)特征

1.2 科教融合，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

作為一門綜合性實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)具有較高的科學(xué)性與創(chuàng)新性。根據(jù)2019年教育部出臺(tái)的《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，高校應(yīng)強(qiáng)化科研育人功能，推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容［14-15］。由此，本文分兩步完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)：

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)教師從事的電能質(zhì)量相關(guān)科研項(xiàng)目，如“三相并網(wǎng)逆變器輸出電流偶數(shù)次諧波含量超限問題的研究”“電力電子化電力系統(tǒng)寬帶多頻信號(hào)的測(cè)量方法研究”等，提煉轉(zhuǎn)化出適合學(xué)生知識(shí)能力水平的任務(wù)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)任務(wù)的綜合性、科學(xué)性和創(chuàng)新性，進(jìn)而推動(dòng)科研反哺教學(xué)，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣［16-17］。

（2）組織優(yōu)秀學(xué)生就相關(guān)內(nèi)容申請(qǐng)校級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行研究驗(yàn)證。在小范圍試水成功后，根據(jù)學(xué)生完成訓(xùn)練項(xiàng)目過程中的表現(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)以及難易程度的區(qū)分，而后推廣至全專業(yè)學(xué)生開展。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

設(shè)計(jì)制作一款電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，具體功能要求如下。

（1）基礎(chǔ)功能。要求能夠測(cè)量并顯示電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的基礎(chǔ)參數(shù)，包括：基波電壓有效值、基波電流有效值、基波頻率、有功功率及功率因數(shù)，系統(tǒng)測(cè)量響應(yīng)時(shí)間≤2 s。各參數(shù)測(cè)量誤差要求如下：基波電壓有效值≤1%，基波電流有效值≤1%，基波頻率≤±1Hz，有功功率≤5%，功率因數(shù)≤5%。

（2）擴(kuò)展功能。①測(cè)量并計(jì)算光伏并網(wǎng)逆變器以及常用電器工作時(shí)，電網(wǎng)中20 次以內(nèi)諧波的幅值及電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率，各次諧波幅值測(cè)量誤差不大于5%。②采取有效方法，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

任務(wù)完成過程中，硬件方面涉及的考核要點(diǎn)是信號(hào)采集電路和信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與制作，要求學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)市電到單片機(jī)可處理信號(hào)的轉(zhuǎn)換。軟件方面則主要涉及AD采樣、參數(shù)測(cè)量、人機(jī)交互三部分內(nèi)容的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量與校正。此外，在擴(kuò)展功能中設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)的任務(wù)要求，進(jìn)而使學(xué)生切實(shí)體會(huì)新型電力系統(tǒng)特征。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)要求

（1）知識(shí)準(zhǔn)備。根據(jù)任務(wù)書查閱文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)電子技術(shù)、電能質(zhì)量、數(shù)字信號(hào)處理、檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)理論知識(shí)；熟悉電壓互感器、電流互感器、運(yùn)算放大器、電壓基準(zhǔn)芯片等的工作原理和使用方法；熟練運(yùn)用單片機(jī)。

（2）需求分析。明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求，分解實(shí)驗(yàn)任務(wù)，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，完成方案論證和器件選型。

（3）電路設(shè)計(jì)。分模塊完成信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試，要求電路功能正確，布局合理，測(cè)試方便。

（4）軟件設(shè)計(jì)。基于選型所用微處理器（MCU）對(duì)電信號(hào)進(jìn)行正確采樣和緩存；運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量與顯示。

（5）系統(tǒng)測(cè)試。設(shè)計(jì)測(cè)試方案，正確使用儀器儀表，測(cè)試并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（6）設(shè)計(jì)總結(jié)。完成設(shè)計(jì)報(bào)告，分組演示和答辯。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件

完成本課程設(shè)計(jì)需要使用的主要儀器設(shè)備為直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、電能質(zhì)量分析儀；需要使用的軟件工具為Altium Designer、Keil和Matlab；涉及的主要電子元器件有電阻、電容、運(yùn)算放大器、電壓互感器、電流互感器、電壓基準(zhǔn)芯片、單片機(jī)等。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)流程

為保證實(shí)驗(yàn)課程的順利開展，實(shí)驗(yàn)教師分別從課前、課中及課后3 個(gè)階段對(duì)教與學(xué)的雙邊活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，教師在課前從學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力、認(rèn)知特點(diǎn)以及本專業(yè)的課程體系，本課程的定位和教學(xué)目標(biāo)等方面開展細(xì)致充分的學(xué)情分析；課后，分別從教師的教學(xué)過程和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程兩方面進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì)；課后，學(xué)生從本課程的設(shè)計(jì)成果以及教師的教學(xué)效果兩方面開展教學(xué)評(píng)價(jià)；教師依據(jù)學(xué)生的教學(xué)評(píng)價(jià)和效果對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法做出改進(jìn)和完善。教學(xué)設(shè)計(jì)具體流程如圖2 所示。

圖2 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)具體流程

2.2 教學(xué)活動(dòng)的組織與實(shí)施

在教學(xué)活動(dòng)的組織與實(shí)施上，采用線上線下、課內(nèi)課外相結(jié)合的方式。教師在線上建立課程群，用于發(fā)布資料和及時(shí)解答學(xué)生問題，并針對(duì)任務(wù)節(jié)點(diǎn)通過“群接龍”等方式，有效把控學(xué)生的制作進(jìn)度。線下除了正常的課堂教學(xué)和指導(dǎo)外，還組織學(xué)生建立學(xué)習(xí)小組，鼓勵(lì)互幫互助，人人爭(zhēng)做小老師，進(jìn)而解決學(xué)生多，教師少，實(shí)操指導(dǎo)時(shí)教師“應(yīng)接不暇”的問題，最終確保學(xué)生在課程時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。此外，除了課內(nèi)時(shí)間，學(xué)生可根據(jù)自身需求利用學(xué)子卡申請(qǐng)開通實(shí)驗(yàn)室門禁，利用課余時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

教學(xué)過程中，教師采用多樣化手段幫助教學(xué)重點(diǎn)的有效實(shí)施。

（1）工程導(dǎo)入。借助多媒體課件、小視頻等方式引導(dǎo)學(xué)生了解中國(guó)電力發(fā)展從“用足電”到“用好電”的用電需求轉(zhuǎn)變，了解電力科學(xué)家和電力工作者的高尚情懷和精神，幫助學(xué)生涵養(yǎng)科技報(bào)國(guó)情懷、厚植工匠精神。重點(diǎn)講解“雙碳”目標(biāo)下新能源微電網(wǎng)和電力電子化的分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，結(jié)合工程實(shí)際幫助學(xué)生掌握電能質(zhì)量相關(guān)定義及內(nèi)涵。

（2）任務(wù)解析。利用思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生厘清任務(wù)要求和設(shè)計(jì)思路，講解電能質(zhì)量測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的基本原理，分析涉及的相關(guān)基礎(chǔ)課程和知識(shí)點(diǎn)，如運(yùn)算放大電路、傅里葉變換、采樣定理等，幫助學(xué)生課后通過文獻(xiàn)查閱，完成方案設(shè)計(jì)，并給出電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（見圖3）。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（3）電路設(shè)計(jì)。重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生在理解單元電路原理的基礎(chǔ)上，正確計(jì)算信號(hào)采集電路和調(diào)理電路中電壓、電流互感器兩側(cè)以及運(yùn)放輸入、輸出端元器件的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)市電到單片機(jī)可處理信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖4給出了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置中電壓前端采集電路、電流前端采集電路以及信號(hào)調(diào)理電路的硬件電路原理圖。

圖4 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置硬件電路原理圖

（4）程序設(shè)計(jì)。首先，借助“老板—員工—倉(cāng)庫(kù)管理員”的比喻幫助學(xué)生理解CPU、ADC和DMA之間的關(guān)系；引導(dǎo)學(xué)生正確實(shí)現(xiàn)雙通道同步采樣和DMA雙緩存結(jié)構(gòu)（見圖5），確保電壓信號(hào)和電流信號(hào)相角差的準(zhǔn)確計(jì)算；同時(shí)也保證采樣數(shù)據(jù)在時(shí)域上的連續(xù)性，減少CPU負(fù)荷。

圖5 AD采樣工作模塊示意圖

其次，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生掌握基于快速傅里葉變換的電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算方法，啟發(fā)學(xué)生思考如何根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)置正確的采樣頻率、采樣周期等；引導(dǎo)學(xué)生借助Matlab理解頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)及窗函數(shù)作用，分析發(fā)現(xiàn)非整周期采樣對(duì)參數(shù)估計(jì)精度帶來的影響，并找出解決方法，程序?qū)崿F(xiàn)頻譜校正算法，如比值法、相位差法、能量重心法等，完成電能質(zhì)量參數(shù)的高精度測(cè)量。

（5）作品調(diào)試。引導(dǎo)學(xué)生正確使用儀器儀表，分模塊逐級(jí)調(diào)試，掌握電路故障排除方法和調(diào)試技能。

（6）作品測(cè)試。重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)諧波性能的測(cè)試，圖6 所示為光伏逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此外，除現(xiàn)場(chǎng)檢查系統(tǒng)功能及測(cè)試數(shù)據(jù)外，教師將針對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行提問，檢驗(yàn)學(xué)生的自主完成程度。

圖6 光伏逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（7）報(bào)告撰寫。重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行誤差計(jì)算，分析誤差來源，并給出改善措施。

2.3 鼓勵(lì)創(chuàng)新的考核方式制定

實(shí)驗(yàn)成績(jī)從設(shè)計(jì)制作、報(bào)告撰寫、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)3 方面進(jìn)行考核，占比分別為60%、30%和10%。具體要求如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)考核要求與評(píng)分

鑒于裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案不唯一，為了鼓勵(lì)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性，設(shè)置設(shè)計(jì)方案多樣性的加分項(xiàng)。首先，定義“方案相似度”指標(biāo)：班級(jí)內(nèi)相同設(shè)計(jì)方案的人數(shù)占班級(jí)總?cè)藬?shù)的比例。其次，制定加分規(guī)則：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。總成績(jī)滿分為100 分，加滿為止。

3 課程改革實(shí)施效果

“信號(hào)與控制課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革2年多來，在產(chǎn)學(xué)研各方面均取得了喜人的成果。首先，課程任務(wù)的完成需要學(xué)生運(yùn)用多門課程知識(shí)點(diǎn)，工程背景強(qiáng)，較好地培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。電氣工程與智能控制專業(yè)學(xué)生在近三屆的全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得國(guó)家一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)，省一等獎(jiǎng)4 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)9 項(xiàng)。其次，課程任務(wù)的設(shè)計(jì)與科研項(xiàng)目緊密結(jié)合，努力做到科教融合，優(yōu)化教學(xué)資源。任課教師就相關(guān)內(nèi)容積極開展校企合作與應(yīng)用推廣，獲得2021年度中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。最后，根據(jù)課程任務(wù)改革成果完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例在2022年第九屆全國(guó)高校電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競(jìng)賽（鼎陽杯）中獲得了華東賽區(qū)一等獎(jiǎng)。

4 結(jié)語

根據(jù)新工科和工程教育認(rèn)證要求，從實(shí)際教學(xué)問題出發(fā)，對(duì)“信號(hào)與控制課程設(shè)計(jì)”綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)改革與探索。改革過程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)緊扣時(shí)代脈搏，以“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)為工程背景，將相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，科教融合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而為提升工程教育質(zhì)量提供了有力保障。此外，針對(duì)創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分層設(shè)計(jì)任務(wù)要求，制定加分規(guī)則，鼓勵(lì)多樣化設(shè)計(jì)，為激發(fā)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情注入活力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革將依據(jù)實(shí)際教學(xué)效果和反饋持續(xù)改進(jìn)，以致力于提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。

·名人名言·

把簡(jiǎn)單的事情考慮得很復(fù)雜，可以發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域；把復(fù)雜的現(xiàn)象看得很簡(jiǎn)單，可以發(fā)現(xiàn)新定律。

——牛頓