基于项目的电气工程实验教学体系研究

刘 晋， 牛印锁， 韩民晓

(华北电力大学 电气与电子工程学院， 北京 102206)

0 引言

实践教学是教学过程中的重要环节，而实验教学又是实践教学的重要组成部分，是培养学生动手能力和科研创新能力的主要途径。实验教学手段和方法一直是教师不断研究和探讨的课题。

目前各个学校电气工程专业开设的实验课程门类较多，但实验教学体系缺乏整体系统设计，许多实验课程之间没有太多关联，使用的软件和硬件平台缺乏统一考量，存在着软件和硬件平台重复学习、使用效率低下、学生实验效果差等问题。

本文针对目前各校电气工程实验教学体系的现状，结合我院的实际情况和特点，提出了以工程项目实施为核心的实验教学体系建设思想，通过实际工程项目的实施对学生进行系统的工程实践能力培养；提出了应用于工程项目实验的“电气工程口袋实验室”平台建设，在该平台上开发设计了面向电力系统应用的电气工程实验项目(如液晶显示控制、电压电流信号采集与信号处理、交流电路功率测量与计算、PID控制算法实现、线路继电保护算法设计、太阳能发电、风力发电等实验)，较好地将电气工程专业与反映我院特色的电力系统应用相结合，为培养具有工程实践经验的电气工程师提供了新的思路。

本文提出的电气工程实验体系，体现了立足于实验教学与课堂教学相结合的观念立足于学生在整个大学四年学习期间的实验体系内容的研究，立足于电气工程专业与电力系统行业应用相结合的思路。

1 基于工程项目的实验教学体系

本实验教学体系基于工程项目实施，将接近实际的工程项目引入实验教学，每个工程项目又细分为多个子项目，每个子项目涉及一门或几门电气工程专业课程，这些课程分布于大学的1-4年级。学生在四年的时间里，结合各个学期学习的重要专业课程，在专门开发的“电气工程口袋实验室”平台上完成与专业课程学习相对应的工程项目。该实践教学体系中分布于各个年级的实验平台、相应的工程项目、训练目标和涉及的课程情况如表1所示。

该实验教学体系以工程项目实施为核心，选择了一种软件和硬件都开源的平台(基于Arduino的平台)做为基础进行实验平台建设，即后面将要介绍的“电气工程口袋实验室”平台。该平台使用的思路是：在大学一年级第二学期时，将该“电气工程口袋实验室”的最小系统发放给学生(对于有一定电路制作基础的学生可以发放电路板和元器件，辅导学生自己进行基本元器件的焊接和调试，完成最小系统的制作)。该平台使用C语言进行编程，实现各种控制功能。学生可以方便地在实验室、教室和宿舍使用该平台，力求使学生从一年级到四年级在这个统一的实验平台上完成各个阶段的工程项目任务，这样就避免了学生因更换实验平台而重复学习，提高了学习效率。

大学一年级的主要训练目标是在“口袋实验室”上进行C语言的实际应用。C语言是大学一年级学习的重要课程，是未来应用工程师的重要编程语言。以往，由于缺少相应的工程项目实验，学生仅仅会在计算机上进行简单编程，并不能真正理解和掌握C语言在控制硬件中能发挥的优势。因此，通过应用C语言完成多个LED灯的不同控制和液晶屏显示的工程项目，学生将逐步理解软件是如何与硬件结合起来的，如何应用软件去控制硬件，同时将逐步熟悉“电气工程口袋实验室”的各种应用，为以后完成各个年级的工程项目实验做好准备。

进入大学二年级，随着电路、模拟电路和数字电路的学习，对应的工程项目实验内容也由大一的C语言编程和熟悉平台的使用转换到如何实现实际电气量的测量和计算。这就要求学生根据所学的专业基础知识，进行信号采集电路的设计，通过元器件参数的计算，选取相应的芯片、电阻、电容和其他元器件，并完成电路的制作、调试和功能测试，再用C语言编程实现电气量检测结果的显示以及电功率计算结果的显示等。这样，学生通过自己的电路设计和实现，将手里的口袋实验室由大一的表1所示的基本系统1，升级为扩展了外围功能电路的扩展系统2，同时学习了如何将学到的算法通过C语言得以实现。

表1 基于工程项目实施的实验教学体系

大三开始开设电气工程专业基础课程和部分专业课。学生的训练目标则集中在专业课学习中学到的各类算法的C语言实现上，主要包括：信号与系统中的信号变换方法、自动控制原理中的PID控制、电机控制中的V/F控制和电力电子技术中的SPWM控制等算法在扩展平台上的实现。

大学四年级开始，学生根据选择的不同专业方向，开展相应的课题设计和毕业设计。经过前面近两年半的口袋实验室工程项目的训练，学生已经在软件编程和硬件实现上达到了一定的水平。此时的核心训练目标是系统级设计与实现。学生将在已经熟悉的口袋实验室平台上，结合不同专业方向的工程项目实验，增加换流器、逆变器以及输电线路模型等电路，构建一个完整的系统，进行变流器控制、光伏发电系统、风力发电系统和继电保护相关的工程项目实验，实现最终的系统级的工程项目。

图 1为学生毕业设计完成的步进电机和直流电机通过口袋实验室的控制接线图。图 2为实际系统接线图，图 3为实际电机调速控制系统实验演示录像的截图。

图1 电机控制设计接线图

图2 电机控制实际系统接线图

图3 电机控制系统实验演示录像截屏

从上面对基于工程项目的电气工程实验教学体系的设计可以看出，该体系基于一个简单易用的“口袋实验室”平台，结合电气工程专业学生在大学各个阶段学习的主要课程，引进具有不同训练目标的工程项目于实验教学中，使得学生在熟悉了“口袋实验室”平台的使用方法后，将主要的时间和精力放在工程项目的设计和实现上，从而使学生对系统和工程应用有了更加深入的理解，完成了电气工程师的基本训练，具备了相应的能力和素养。

2 “电气工程口袋实验室”平台

基于工程项目的电气工程实验教学体系基于的“电气工程口袋实验室”平台是以Arduino平台为基础的。该平台是一种以单片机为核心，再辅以其他电子元件而构成的实验平台。它诞生于2005年的意大利，由两位工程师开发并将其设计资料公布于网站。他们的目的起初是为学生的课外实践活动提供一种简单易用的物理运算平台[1]。为此，Arduino平台从问世起就秉承了开源性、易用性、易交流性和资源广泛性等特点，各种基本电路如图 4所示[2]。

图4 Arduino电路系统

本文提出的在电气工程教学实践中应用Arduino平台作为“口袋实验室”的实验平台，其主要的教学思想和出发点是为学生提供一个通用、廉价、统一、简单易学和便于携带的口袋实验平台，并且将在大学四年始中终使用该平台完成相关工程项目实验。

学生从大学一年级开始，熟悉并开始使用该实验平台，完成相关专业课程的实验设计；随着学生年级的变化和专业课程的学习，可以在该平台上进行相关专业课程的实验设计，并完成相应的实验，从而实现从易到难，从简到繁的过度。这样可以让学生在统一的实验平台上进行各种难度的工程实验，避免了不同年级更换不同实验平台带来的重复学习，有利于学生更加高效的专注于工程实验的设计与实现。

学生在实验中应用Arduino平台进行实验设计，整个硬件电路的模块性很强，很容易理解，而且几乎所有实验的硬件连接都可以分成类似的几部分[3]。图 5为发放到学生手中的“电气工程口袋实验室”平台的基本系统1，包括一些基本实验元件。图 6为学生在宿舍进行的基本系统的实验接线图。

图7所示为增加的信号采集电路所组成的扩展系统2，图上分别显示了组装前后的系统。

图5 “电气工程口袋实验室”平台基本系统1

图6 基本系统简单实验实物图

图7 扩展系统2

3 结语

本文开展了基于工程项目的电气工程实验教学体系的研究，提出了基于统一的“电气工程口袋实验室”平台，根据学生在不同年级学习的课程，设计了相应的工程项目作为实验内容，通过不断提高项目的难度和广度，使得学生在完成工程项目的过程中，能够更加有效地将所学的专业知识应用到项目中去，提高了学生的动手能力和工程化训练程度，加强了其对工程实践的理解。

目前，我们已将数套基于Arduino的“电气工程口袋实验室”平台发放到不同年级的学生手中，包括创新班的学生；已经有10名学生应用该平台完成了本科毕业设计。