“电工学新技术实践”与学生综合能力的培养

2012-03-30张继红吴建强刘晓芳

电气电子教学学报 2012年1期

张继红，吴建强，刘晓芳

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

“电工学新技术实践”课程是于20001年新开设的一门实验课程。它是集自主型、设计型和综合型于一体的大型实践课，课程安排在“电工学”课之后，为32学时。开设这门课的目的是使学生了解和掌握电工学领域内的一些实用高新技术，提高学生掌握实用高新技术和综合用电的技能，增强他们的实践能力。

经过十几年的探索和实践，目前的“电工学新技术实践”课程体系更加完善，教学内容先进，教学方法和教学手段多样灵活，使学生的综合实践能力和创新能力得到了显著提高。2003年出版了配套的教材《电工学新技术实践》［1］，内容包括电工、电子电路的计算机仿真技术、EDA技术、可编程控制技术和变频调速技术。在后续的实践教学过程中，随着实验内容的不断充实，PLC及变频器等核心设备的更新及先进的仿真软件的采用，2009年出版了《电工学新技术实践》的第2版，深受师生的好评。

“电工学新技术实践”课程于2005年被评为哈尔滨工业大学优秀课程。同年“电工学实验教学新体系的研究与实践—电工学新技术实践课程的创建”获黑龙江省高等学校教学成果一等奖。

1 “电工学新技术实践”课程主要内容

“电工学新技术实践”课程内容融入了当代电子信息、电子工程、电气工程领域内的如下主要的高新技术内容。

(1)电工和电子电路的计算机仿真技术

电工和电子电路的计算机仿真技术实践目前使用的软件是“OrCAD15.7”电子电路仿真软件。它是EDA工具软件中最受欢迎的软件之一，它不仅可以进行模拟电路、逻辑电路的基本性能分析，还可以进行傅立叶、蒙特卡罗等特殊性能的分析。另外，它还在优化设计、印制电路板布线、复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计等方面显示出强劲优势。由于学时有限这部分的主要教学内容是电路原理图绘制(Capture)和PSpice电路仿真分析方法。使学生通过学习实践掌握使用OrCAD15.7软件仿真模拟电路和数字电路的方法，也为后续电子电路设计奠定了好的基础。

(2)电子电路设计专题

电子技术是一门实践性很强的课程。在学完单元的内容和实践后，进行综合设计实验，是对所学知识综合全面的运用，这对培养学生的综合开发能力，培养创新思维有十分重要的意义。

电子电路设计专题的实践内容是根据给定的设计任务和要求(一个模拟电子电路和一个数字电子电路)，运用所学的理论知识，查阅、收集有关资料，设计出满足设计要求的初步设计方案，经过仿真分析后再到实验室进行设计方案的验证。在实践过程中通过硬件的调试得到进一步的完善，并写出完整的设计报告(每次实验前需提交指导教师设计预习报告)。

(3)可编程逻辑器件及EDA技术

我们在EDA实践课中选用的是Altera公司的FLEX系列FPGA芯片，因此课堂中选用的是Altera公司提供的MAX+plus II 10.2逻辑仿真软件。使用MAX+plus II进行的设计包括原理图设计输入、设计处理、设计验证和器件编程。MAX+plus II的设计输入、处理和校验功能提供了全集成化的一套可编程逻辑开发工具，可加快动态调试，缩短开发周期。通过实践，使学生了解EDA(FPGA/CPLD)基本概念，初步学会使用MAX+plus II逻辑仿真软件，了解EDA2000实验仪和EDA2000软件的使用方法，学会进行器件写入。

(4)可编程控制器(PLC)技术

可编程控制器实践使用的是日本松下公司生产的小型PLC产品FP-XC30R。FPWIN GR是松下电工为其FP系列可编程控制器与个人计算机联机时所使用的编程支持工具软件。

可编程控制器实践中，要学生了解FPWIN-GR软件的基本功能，学会使用梯形图编辑模式编写PLC程序及运行程序的基本方法。能根据给定的控制要求设计和编辑PLC程序，对三相电动机等负载进行控制。

(5)变频调速器技术

在变频调速实践中使用的是松下VFOC小型变频器。要求学生了解变频调速器的工作原理，并熟悉其正确接线方法及各种控制功能;学会用操作板模式及外部设备操作模式控制三相异步电动机运转状态，并学会用PLC代替外部设备操作模式实现三相异步电动机的调速。

通过对这些教学内容的学习和实践，使学生既能加强对电工、电子和现代传动及其控制的基本理论、基本知识的理解和掌握，又能训练他们的高技术工程技能，完成了对学生的知识素质、创新精神和综合能力的全面培养。

2 课程体系不断更新和完善

自20001年新开设这门实验课程，无论是可编程控制器(PLC)和变频调速器等核心设备，还是实验内容和教学手段都进行了不断的更新和完善。

电子电路仿真软件现已由OrCAD9.2升级到OrCAD15.7。可编程控制器由起初的FP1C24更换成新型高功能的FP-XC30R，同时利用GT32触摸屏来代替所有的操作开关和输出继电器的状态显示。并通过USB接口方便地实现触摸屏、PLC及PC之间的通信。变频器也由原来的超小型VFO更换为带有网络控制功能的VFOC型。

随着实验设备和仿真软件的更新，实验内容也进行了相应的调整和补充，把当今一些实用高新技术充分融入到新的实验内容中，提高了学生掌握实用高新技术的技能。

为了适应发展的要求，基本保证每年提供给学生的模拟和数字部分的设计题目都有较大的改进。为此指导教师在这方面也付出了很多的时间和精力，在每次指导学生设计之前，指导教师都把精选的模拟和数字的10多个设计题目首先自己设计调试一遍，给学生提供更多的选择和设计空间，同时也为后期学生的设计提供了高水平的指导。

在实验教学设施方面，每个实验室都配置了较好的多媒体设备，在指导学生实践的过程中，指导教师可根据不同班级、不同学生的实验进展情况，灵活更改和增减设计要求，使优秀和普通学生的自身潜力都得到了充分的发挥，增强了学生解决新问题的勇气和信心。值得一提的是指导新技术实践课的老师都是每年承担教学任务的授课教师，其中不乏有教学名师，教授和科研骨干教师，他们为课程体系的不断更新完善，高水平的指导提供了可靠的保证，同时也为青年教师的成长提供了良好的平台，促进了青年教师教学水平的提高。

3 注重学生综合与创新能力的培养

新技术实践课设在电工学课程结束之后，这为学生全面综合运用所学的电工、电子电路知识以及实用高新技术，完成具有一定深度的综合设计题目奠定了良好的基础和条件。

实践课中的电子电路设计部分，为使学生有充足的准备时间，至少需提前两周将设计题目、设计要求和实验安排等发布到网上，学生可到网上阅读或下载相应的设计题目及要求。通过独立设计和仿真实验后，在进入实验室调试前需提前两天提交预习报告，遇到问题可及时与指导教师沟通。为了鼓励和引导学生的创新意识，着重强调设计方案的多样性，充分体现了电子电路设计专题的“不要求设计方案的统一，着重问题的解决”的指导思想。

学生从接到一个具体的课题开始，由电路仿真、到实际硬件电路的实现，再到后面运用现代化的EDA电子系统设计手段，设计出满足课题要求的集成芯片，这一系列的过程锻炼了学生的综合设计实践能力，也完成了对学生的科学研究素质及创新精神的全面培养。

实践课中的可编程控制器和变频调速技术部分，使学生的动手能力和创新能力得到了进一步的提升。在PLC控制应用实践环节，学生需按给出的一些控制要求设计和编译控制程序，并对三相电机、彩灯等负载进行控制。

学生从程序设计入手，到主控制电路接线，再到最后统一调试，每一个环节都需要认真仔细，积极思考。虽然控制的目标和结果相同，但实现的程序和方法各具不同。在实践的过程中学生的表现差别也较大，有的进展顺利些，有些可能会遇到这样或那样的问题，这时也需要指导教师给予及时的引导和启发，给优秀的学生提出更高的设计要求，充分发挥他们的创造潜力，充分体现了以学生为本的实验教学理念，为学生综合和创新能力的培养创造了良好的环境和条件，同时也为学生参加科技创新活动打下了良好的基础。

自2001年开始，学生通过新技术实践课程的学习和锻炼，在哈工大的历次“学生科技创新”竞赛中都取得了非常好的成绩。2004年机电学院学生参加的第一届“全国大学生机械创新设计大赛”决赛获2项一等奖(基于并联机床和分布式控制系统的多功能机器人;微定位仿生机器人);1项二等奖(螺旋传动管道机器人)。

“电工学新技术实践课程”我们主要面向的是机械设计制造及其自动化专业的学生，在教育部首批试点的工程教育专业认证中，哈工大机械设计制造及其自动化专业顺利通过专家的考评，在认证过程中专家对电工学实践课程的教学和建设给予了高度评价。