課程設計在電氣主干課教學中的橋梁作用

陳 權，楊喜軍，李國麗，鄭常寶

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥230601;2.上海交通大學電氣工程系，上海200240)

0 引言

“電子技術(模擬電子技術、數字電子技術)”、“電力電子技術”和“運動控制系統”是電氣工程及其自動化專業的三門主干課程。學生需要在兩學年內依次學完這三門課:培養計劃這樣安排課程次序有一定的科學性，是沿著由簡易至繁難、由理論至應用、由低級至高級的順序安排。但如此安排課程存在一個問題:盡管學生順利地通過這些課程的考試(考查)，并取得好的成績，但是到了畢業設計階段，由于學生缺乏系統級的思考能力，從而很難將過去所學知識聯系起來設計一個系統[1]。針對這一問題，很多學校采取了有益的教改方案，如因材施教、分類培養和拔尖人才培養等，目的是挖掘學生的潛力[2，3]。然而，大學教師不應僅僅做到傳授每門課程的知識，還應教會學生靈活運用所學知識及知曉所學知識的關聯性、系統性。

本文所介紹的教學方法，受網絡電子地圖搜索啟發:在搜索窗口輸入某個地址，電子地圖將精確地提供位置，衛星地圖功能甚至可以看清楚街景。但如果要迅速明確目的地在地圖中的位置。則必須調整地圖比例，使該目的地“縮小”為一個小點，如果根據“放大”方式搜索街景，將無法明確知道如何到達此地。這三門課的傳統教學，就如同地圖搜索的“放大”方式，學生只了解或掌握了各門課程的具體內容，等到畢業時仍不能知曉如何綜合應用所學知識設計出一個功能系統，因為學生沒有將所學知識“縮小”，來宏觀把握所學知識間的聯系。

根據國家教育部培養高層次人才要求，現階段的本科生培養方案均重視了實踐教育環節，對于工科專業，課程設計是重要的實踐教育方式之一[4]。我們可以借助典型的課程設計，采用上述教學方法，使學生將所學知識融會貫通。

1 課程間的關系

圖1給出了“電子技術”、“電力電子技術”和“運動控制系統”三門課程之間的關系。作為系統級的課程，“運動控制系統”涉及電機理論、自動控制理論、機械系統模型、傳感與檢測、電氣傳動理論及電力電子技術等。作為第2層級的“電力電子技術”課程也基于一些知識，例如電路原理、固態物理、信號處理、電磁場和電子技術?！半娮蛹夹g”課程是很多后續課程的基礎，其中包括“電力電子技術”。這三門課程有一個清晰的上下層次關系。在本科生培養計劃制定及教學過程中，盡管不能完全顛倒這些課程的次序和內容，但如果能夠從開始就向學生介紹這些課程之間的關系，通過課程設計就能真正認識到所學知識的作用及聯系，那么無論對學生學習、教師教學還是專業培養目的實現都將有事半功倍的效果。因此，對于不同課程安排具有代表性的課程設計是實現目標的第一步。

圖1 課程之間的相互關系

1)電子技術

在我?！半娮蛹夹g”課程教學中，有一個課程設計項目“基于晶閘管的調光器”，其內容涉及晶閘管驅動電路和以電力電子器件為主電路的變換器電路。該課程設計的系統示意圖如圖2所示。

圖2 基于晶閘管調光器的系統圖

圖中，斬波器(電力電子變換器)處理功率流，而SCR驅動電路(電子電路)主要作用是產生驅動信號，該調光器所包括的系統模塊如圖3所示。

圖3 基于晶閘管調光器的系統模塊

電力電子變換器電路包括半導體開關(此例中為晶閘管)、交流電源和負載(此例中為燈泡)。晶閘管觸發電路一般由7個功能模塊組成，它們分別是鎖相/過零檢測電路、緩沖器、觸發角控制單元、振蕩器、數字邏輯電路、放大器和隔離電路。以上各功能模塊正常工作需提供±5V直流電源。實際應用中盡管可以用數字或IC電路來實現驅動功能，但是為了學生實踐在“電子技術”課程中所學大部分的知識，要求學生通過基本邏輯電路實現。在進行該課程設計時，具體要求如下:

(1)學生3人—組，在3周內完成并提交如下的(2)～(5)材料;

(2)帶有系統框圖的設計方案，各部分完成的時間表及小組成員分工;

(3)詳細的設計文檔及仿真驗證;

(4)最終設計的電路及測試結果;

(5)最終的項目報告和演示。

學生根據從“電子技術”所學的主要知識完成以下工作:

(1)應用二極管整流器和LM7805電壓調節器實現DC電源;

(2)采用史密斯觸發器實現過零檢測/鎖相;

(3)采用電壓跟隨器實現緩沖器;

(4)采用74LS123及電容的充放電特性實現觸發角控制;

(5)采用555定時器來實現振蕩器;

(6)采用7408 TTL與門實現邏輯電路;

(7)采用BJT實現電流放大器;

(8)采用脈沖變壓器實現電子電路與功率電路的隔離。

圖4給出了30°觸發角下在面膜板上搭建上述平臺的測試結果。

圖4 基于晶閘管調光電路及實驗結果

2)電力電子技術

“電力電子技術”課程主要傳授電能變換的技術，不同類型的變換器是這門課程的重點，也是電能變換的基礎，它包括 DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC等。這門課程假定學生已具備驅動電路、傳感器、電磁場和控制電路等知識，因此在教材涉及知識時往往僅用箭頭或方框表示，甚至在分析變換器工作原理時不再提及與其他學科相關的知識。然而，這些基礎知識實際上是經常起作用的。例如，學生已具有“電子技術”課程設計“基于晶閘管調光器”的基礎。不過，在“電子技術”課程設計時，學生僅僅能夠看到晶閘管的外部接線端口，其內部電路只是一個黑箱，里面內容并不清楚。在“電力電子技術”課程設計時，教師會講解:若晶閘管實現電能變換的功能，需要門極控制其開通，而且觸發角大小需可調;其中晶閘管的開通時刻由輸入達林頓接法的雙NPN晶體管的信號控制，該控制信號由鋸齒波與觸發角控制信號經過邏輯電路產生。這與“電子技術”課程設計“基于晶閘管調光器”控制方式一致，而且觸發控制信號控制角的產生方式也一致，均主要由電位器與電容實現;為了實現與輸入交流電源同步，亦采用了類似過零檢測的方式。與“電子技術”課程設計不同的是:一方面，這里的晶閘管具有雙脈沖或寬脈沖觸發;另一方面，這里的所有功能模塊均采用集成電路實現。當學生得知這個黑箱的主體部分與“電子技術”中的課程設計幾乎一樣時，便會知曉所學知識之間的聯系，非常自信且順暢地進行新課程的學習。

為了與更具綜合性的課程適當地建立聯系，在“電力電子技術”課堂教學中涉及有關電力電子技術應用的內容，引入一些運動控制的概念。一般地，與電力電子技術相關的運動控制系統框圖如圖5所示?？梢?，在一個綜合性的功能系統中，一個復雜的電力電子系統可以用一個簡單的I/O模塊來表示。從而在課程教學中采用“縮小”方式，使學生深刻認識到所學知識的關聯性。

圖5 運動控制系統框圖

3)運動控制系統

圖5所示的包含電機的通用運動控制系統，包括了功率變換單元、電機檢測、負載和實現控制策略的控制器。在我校電氣工程及其自動化專業“運動控制系統”這門課程的實驗教學過程中，實驗平臺主要基于DDSZ-1型電機及電氣技術實驗裝置(基礎實驗)和DJDK-1型電力電子技術及電機控制實驗裝置，從教學效果來看，這樣的實踐教育方式并不好?；趯W生已進行上述“電子技術”課程設計及相關“電力電子技術”實驗，我校電氣工程專業實驗室在授課教師的配合下，于第7學期后4周設置了一個和這門課程相關的課程設計，該課程設計所涉及主要部件如下:

(1)DDSZ-1型電機及電氣技術實驗平臺;

(2)負載(異步電動機-直流電動機對拖系統);

(3)傳感器(測速電機);

(4)基于MOSFET的三相主電路、驅動板、采樣電路;

(5)基于DSP的控制器及PC機。

基于DSP的控制器控制程序已由碩士研究生預先編制并調試，存于PC機中，學生只要按要求下載至DSP控制板運行即可?！斑\動控制系統”課程設計平臺框圖如圖6所示。這里僅說明“電力電子技術”課程與“運動控制系統”課程的結合。

圖6 “運動控制系統”課程設計平臺框圖

“運動控制系統”課程學習的內容是電氣工程及其自動化主要課程的系統集成。這門課程是在學生具有電子技術、電力電子技術、傳感與驅動、控制等知識的基礎上，主要傳授不同傳動系統的設計、運行與控制。由于在“電力電子技術”課程中的介紹，學生很容易想象出圖5的功率變換單元實際上就是一套三相開關模式的變換器。盡管一些細節被忽略，但通過“縮小”模式，學生有了整體的概念。當需要了解各部分細節時，學生可以在框圖中“放大”一個子系統進一步了解。對電力電子技術的理解，有助于學生設計與實現如圖6所示的功能模塊。圖7為課程設計進行過程中測量異步電機側的線電壓和電流波形。

圖7 運動控制系統課程設計線電壓、電流波形

2 考核與評價

我校2010級約有120名電氣工程及其自動化學生進行運動控制系統的課程設計，我們選擇了其中20名學生(每組4人，5組，)進行該課程設計，對這20名學生和部分沒有進行該課程設計的學生進行了調查和比較，結論是:參與“運動控制系統”課程設計的學生對知識把握的系統性相對更強。從畢業論文答辯所回答問題的過程中也有相同的體現。

同時，20名進行該課程設計的學生也提出一些建議，為下屆“運動控制系統”課程教學改進方向提供了很好的意見。歸納如下:

(1)課程設計說明材料進一步規范、完善;

(2)每組人數2～3人;

(3)專人負責并協調課程設計，儲備常用元器件;

(4)有關實踐經驗在課程設計前集中輔導;

(5)在提交的報告中增加仿真與實際測量結果的比較。

3 結語

為加強電氣工程及其自動化專業學生對本科階段所學知識的掌握，認識“電子技術”、“電力電子技術”和“運動控制系統”等三門專業主干課程的關聯性，本文提出了三個相互關聯的課程設計和實驗項目。顯然，這三門課程有一個自上而下的聯系，“運動控制系統”位于頂層(系統級)，“電力電子技術”

位于中層(專業核心)，“電子技術”位于底層(專業基礎)。實踐證明這三門課程不是相互分離的，位于高層的課程或概念在低層課程中體現并介紹，認清這種關系，學生對知識系統便有一個宏觀的認識和把握。這種教學方式使學生能知道學習每門課程的目的，從而不迷失在繁雜的知識點之中。

[1]Juan J.Rodriguez-Andina，Luís Gomes，and Seta Bogosyan.Current Trends in Industrial Electronics Education[J].IEEE Trans.On.Industrial Electronics.Vol.57，No.10，Oct.2010，pp 3245-3252.

[2]韓力，肖冬萍，熊蘭，楊岳.電氣工程本科人才分類培養[J].南京:電氣電子教學學報，2013，5:13-15.

[3]康重慶董嘉佳董鴻孫勁松.電氣工程學科本科拔尖創新人才培養的探索[J].武漢:高等工程教育研究，2010，5:132-137.

[4]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年).2010年7月29日頒布