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  第40卷第6期2018年12月电气电子教学学报JOURNAL OFEEEV01.40 No.6Dec.2018电气类专业“复杂工程问题的理解与实践黄永红,蔡晓磊,刘国海,朱烧秋,王东宏(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)摘要:本文分析工程教育专业认证标准中关于“复杂工程问题”的特征和属性,以电气工程及其自动化专业为例,设计了具有“复杂工程问题”特征的综合训练项目,提出了合理的能力评◁☆●•○△价方法。通过“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”项目的综合训练,培养学生综合运用专业知识解决复杂工程问题的能力。实践表明,该项目设置合理,实施效果良好。关键词:复杂工程问题;电气工程...

  第40卷第6期2018年12月电气电子教学学报JOURNAL OFEEEV01.40 No.6Dec.2018电气类专业“复杂工程问题的理解与实践黄永红,蔡晓磊,刘国海,朱烧秋,王东宏(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)摘要:本文分析工程教育专业认证标准中关于“复杂工程问题”的特征和属性,以电气工程及其自动化专业为例,设计了具有“复杂工程问题”特征的综合训练项目,提出了合理的能力评价方法。通过“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”项目的综合训练,培养学生综合运用专业知识解决复杂工程问题的能力。实践表明,该项目设置合理,实施效果良好。关键词:复杂工程问题;电气工程及其自动化;综合训练中图分类号:TM301 文献标识码:A 文章编号:1008-0686(2018)06-0015-05Understanding and Practical ofComplex Engineering Problemin Specialty of Electrics,HUANGYong-hong,CAI Xiao-lei,LIU Guo-hal,ZHU H★▽…◇uang-qiu,WANG Dong-hong(School ofelectrical and information engineering,肋ngsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:The characteristics and attributes of“complex engineering problems”in the certification standard of en-gineering education is analyzed.Taking the electrical engineering and the automation specialty as an example,thecomprehensive training project with the characteristics of“complex engineering problem”is designed and puts for-ward a reasonable ability evaluation method.Training students7ability which to solve complex engineering problemsusing professional knowledge through the comprehensive training of the project which“design of dual pump remoteconstant pressure with double motor frequency control simulation water supply system”.Practice shows that theproject set reasonable and the implementation effect is good.Keywords:complex engineering problem;electrical engineering and the automation;comprehensive trainingO引言2016年6月,我国加入《华盛顿协议》,成为正式成员,表明我国工程教育认证体系得到了国际社会的认可,标志着工程教育迈上新的发展台阶。按照《华盛顿协议》要求,参加工程教育认证的专业不仅要深人理解和把握“复杂工程问题”,更要按照认证标准要求培养学生解决“复杂工程问题”的能力1~21。近年来,我校电气工程及其自动化专业认真学习和实践《华盛顿协议》以及《工程教育专业认证标准》,按照“实践、综合、创新”的工程属性改革人才培养模式,创新设置课程体系一“J。以培养学生解决“复杂工程问题”能力为主线,将所需的基础知识、专业知识等贯穿于整个教学环节,设置具体的综合训练项目,明确训练内容和要求,改革考核方式,为培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域“复杂工程问题”的能力提供新思路柚J。收稿13期:2017-10-06;修回日期:2017-12-05基金项目:江苏大学高等教育教改研究重点课题(2017JGZD005、2015JGZD004、2015JGZD005)第一作者:黄永红(1970-),女,博士,教授,主要▽•●◆从事电气控制与应用等方面的教学与研究工作,E-mail:.cn万方数据 16电气电子教学学报 第40卷对“复杂工程问题的理解2015版《工程教育专业认证标准》提出,专业必须有明确、公开的毕业要求,毕业要求能支撑培养目标的达成。在12条具体的毕业要求中,“复杂工程问题”一词就出现在其中8条中,认证标准对学生分析解决“复杂工程问题”的能力提出了很高的要求。中国工程教育专业认证协会根据国内高校实际情况,参照《华盛顿协议》要求,明确界定:“复杂工程问题”必须具备特征1,同时具备特征2一特征7的部分或全部.37。在深入分析“复杂工程问题”特征的基础上,我们总结其对应属性,如表I所示。表1 “复杂工程问题”的特征及对应属性序号 “复杂工程问题”的特征 属性必须运用深入的工程原理经需要知识的深度l(基于深入的原过分析才可能得到解决。理)需求涉及多方面的技术与工2程因素,并可能相互有一定冲冲突需要的范畴(需要协同攻关)突。需要通过建立合适的抽象模需要分析的深度3型才能解决,在建模过程中需(需要建模求解)要体现出创造性。不是仅靠常用方法就可以完问题的熟悉度(需4新方法和现代工全解决的。具)问题中涉及的因素可能没有适用准则的程度5完全包含在专业标准和规范 (不确定与创新思中。维)利益相关者参与问题相关各方利益不完全一 程度及冲突要求6致。的程度(利益冲突)具有较高的综合性,包含多个 相互依赖性(综合7相互关联的子问题。 性)2“复杂工程问题综合训练项目2.1综合训练项目的培养目的为了培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域“复杂工程问题”的能力,我们对电气类专业课程体系进行调整,设置了“电气工程综合训练”教学与实践训练项目,该项目安排在第7学期,4学分。要求以2-3人为一个小组,综合运用工程基础及先修专业课程知识,融会贯通地深人思考和学习,并通过实际的“复杂工程问题”案例,在规定时间内完成小组选定的综合训练任务。通过本项目的综合训练,学生将提高如下几个方面的能力:(1)综合运用所学到的理论知识独立完成一个设计项目,掌握电气控制系统的分析、设计与调试方法。(2)学会查阅相关专业手册及文献资料,编写技术说明书及绘制图纸,有很好的自学能力和获取资料的能力。(3)具有独立分析和解决实际问题的能力。(4)能正确评价复杂电气工程问题的实践对于环境、社会可持续发展的影响。(5)能够在解决电气工程问题的规划、设计和实施中应用工程管理和经济决策知识,了解工程预算情况。(6)能主动与同学共享信息,合作共事,胜任团队成员的角色与责任。(7)能撰写设计总结报告,用文字、图表等表达自己的设计思路、调试结果及心得体会。(8)能够就项目中涉及的问题与教师、同学进行有效沟通和交流。2.2综合训练项目的具体内容该综合训练项目,需要学生在学习了“数学”、“大学▪…□▷▷•物理”以及“电路原理”、“电子技术”、“自动控制原理”等数学和工程基础课程后,具备了将电气工程相关问题转化为数学问题进而数学建模的能力;其次,在“电机学”、“电力拖动自动控制系统”、“PLC原理及应用”等专业基础和专业课程学习的基础上,配合相关的实验和上机训练,具有一定的动手实践能力之后,随着理论知识和动手能力的增强,又逐步开展了较为复杂的课程设计,提高了学生解决复杂工程问题的能力。通过前期多个教学环节的学习,最后通过这一综合训练来考察并增强学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力。设置的“电气工程综合训练”项目结合典型工程实际,具有一定的系统性和综合性。通过对系统的分析、设计及控制,培养学生的创新意识,增强解决复杂工程问题的能力。选其中“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”综合训练项目为例进行介绍,完成该综合训练项目需要将多学科知识融会贯通,如图1所示。具体任务流程图如图2所示。要求:双电机控制双泵“一用一备”,实现“三地四级”控制,具有超压、欠压及故障报警功能,并且程控定时换泵,触摸屏能显示各泵运行时间等工况信息。要求中的双泵万方数据 第6期黄永红.蔡晓磊,刘国海,朱烷秋,王东宏:电气类专业“复杂工程问◆●△▼●题”的理解与实践17u=u㈡?毒;渗拳科细狈壕食盘用/ / \\l鲰;,穆簿蘑冀k冁嚆辩糠铀 嘲麝、电予技术 H露■穗及肭l水泵挺水 电机控制、蹙颇调 I乜踏设计、硬件接 I】Ic拄制.趣信l恒腿供水 j2I【、雌t机拖动水利 线、佑吁处坪 “他理论知U{图1 多学科知识综合应用解决“复杂工程问题”“一用一备”是为了保证一台故障时,另一台也能进行供水。“三地四级”控制是实际工程应用时的四种控制方案:①就地控制,用输出旋钮就地对电机直接调速;②远程控制,利用触摸屏手动输入要求达到的频率以及控制电机的启停,通过触摸屏还可以显示电机的基本运行工况;③远程键控,利用上位机Wincc组态软件控制电机的启停,并能实时采集并赋值频率控制电机的转速;④自动程控,利用PID控制算法变频调速自动控制恒压供水闭环系统。黼图2供水系统设计流程综合训练具体内容是:①对控制系统整体方案进行设计,包括硬件组态、主电路和控制电路;②选择主要元器件,完成变频器参数设置;③完成相应的上位机Wincc组态程序设计;④完成恒压供水控制系统的模拟操作与▼▼▽●▽●调试,根据调试结果进行分析与改进;⑤完成相关图纸、设计报告和小组总结并参加答辩。该综合训练项目要求学生做到理论与实践相结合,锻炼和培养学生综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题的能力。3综合训练项目的六大特征“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”综合训练项目的设置满足工程教育认证标准提出的复杂工程问题的六个特征,具体分析如下。1)须运用深入的工程原理分析该综合训练项目首先要了解流体力学、水泵运行基本原理,由电机拖动水泵负载,对供水管道恒压控制;其次,需要具有电机学、变频调速原理知识,通过所学的变频调速方法对电机进行调速控制;另外还须掌握恒压供水的特性,才能设计出合理的双电机控制方案;还要掌握西门子$7-300、S7-200PLC的编程方法、通信方法,并熟练使用STEP7编程软件、Wi▲★-●ncc组态软件。在此基础上,绘制电路图、流程图、设计控制系统程序并模拟调试,最终以总结报告的形式,通过文字、图表来表达自己的设计思路和调试结果,参加答辩,综合运用所学到的理论知识去独立完成综合训练项目。2)涉及多方面的、有冲突的技术与工程因素从该项目实施流程及关◆■系图可见,该项目涉及电机学、流体力学、传感器技术、自动控制原理、电力拖动自动控制系统以及PLC控制等学科基本原理,需要多学科知识的综合。系统的稳定性和控制的复杂性是相互冲突的因素,控制的精度与速度也是相互制约的因素。另外,通过深入了解课题的工程应用背景,能正确理解变频恒压供水所涉及的经济、环境、法律、安全等制约因素,若系统不完善将产生的负面影响、对社会可持续发展的影响等等。对电机、变频器、水泵等设备的选型,需要掌握工程管理的预算情况和经济决策知●识,最终将体现在规划、设计和实施中。3)需要建立合适的抽象模型设计恒压供水闭环控制系统,需要建立正确的PID控制系统模型,进行系统控制参数的☆△◆▲■选择与优化,对调试中出现的错误和警告分析以及排除等方面都需要进行设计和思考,建模过程需要有一定的创新。4)需要采用非常用方法三相异步电动机的变频调速是恒压供水的核心环节,单台电机调速控制可以通过常用变频调速方法完成,但双电机控制双水泵运行,不仅要实现两台电机配合运行,还需要对电机运行时间进行管理,根据程控时间进行切换,尽可能使两台电机运行时间接近,这需要提出新的控制策略。5)涉及多方面矛盾复杂工程问题涉及多个方面,既要考虑性能又万方数据 18电气电子教学学报 第40卷要考虑成本,一定是在多方矛盾中找到最优解决方案。电机调速的精度与速度有矛盾,系统的稳定性与复杂性也有矛盾,为了调速精度更高可能需要电机、变频器和水泵具有★△◁◁▽▼更好的性能,这需要投入成本更高,又是矛盾。6)具有较高的综合性该项目综合了流体机械、电气控制等多学科的知识,水泵◆▼恒压供水,变频器的运行与参数设置、双电机协调运行,供水管道压力传感器信号反馈、PLC上下位机通信等都是该项目的子问题,这些子课题相互关联,颇具综合性。同时查阅文献资料的能力、工程绘图和撰写设计报告的能力都会在此项目实施中得到体现。4多元化考核方式的实践与成效在考核评价学生解决复杂工程问题能力的培养效果时,需要采取最能够表现能力要素的方式来准确考核评价学习效果。为此,在综合训练项目考核上,我们改革考核方式,采用评分指标法,将考核内容细化为多个评分指标,评价学生训练后所掌握的知识以及具备的能力,具体评价内容△▪▲□△如表2所•●示。在细分的五个评分指标上,从资料获取、问题分析、系统方案展示、系统开发过程、调试过程、设计报告、项目答辩等多元化地细化考核,客观准确地了解教学目标的实现情况。在考核过程中,着重评价学生在能力素质形成过程中的投人情况和能力素质的提升程度,不是仅通过报告或答辩的单项考核评价就主观判断学生解决复杂工程问题的能力。实施结果表明:多元化评价方式能够有效激励学生在整个实践过程的投入,也能够更加客观地评价学生能力素质的培养效果。同时,对指导教师如何根据课程目标调整设计考核指标提出了更高的要求。表2考核方式及评分依据评分指标号 评分指标内容及分值通过查阅手册和文献资料,学会查阅相关专业手册及资料、编写设备技术说明书及绘制图纸,具备分析和解决实际问题的能评分指标1力,并能主动与其它团队成员共享信息。(非常满意20一16分,满意15一】O分,不满意10-6分,非常不满意5-1分)能够综合运用专业相关理论知识,系统建模与并对复杂工程问题进行分析,包括可行性分析方案、对环境、安全等制约因素和评分指标2可持□◁续发展的▼▲影响等。(非常满意20一16分,满意1510分,不满意10-6分,非常不满意5-1分)熟练使用PLC、触摸屏产品;熟悉工业控制网络,掌握被控对象如变频器、电动机的信号采集与水压的控制过程。掌握电气控制评分指标3系统的设计、调试方法。(非常满意30-26分,满意25-20分,不满意1914分,非常不满意13-1分)能够用简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想、最终方▲●…△案,陈述设计思路和评分指标4 设计调试过程,总结设计过程的心得体会。(非常满意20-16分,满意15-10分,不满意10.-6分,非常不满意5-△▪▲□△1分)根据实训项目的要求设计的系统最终方案的展示、团队角色的表现。评分指标5(非常满意10-8分,满意7_6分,不满意6-5分,非常不满意4.1分)5结语通过工程教育专业认证标准中“复杂工程问题”的特征分析,我校在电气工程及其自动化专业设置“电气工程综合训练项目”实践环节,通过诸如“双电机变频调速模拟双泵远程恒压供水系统设计”具体教学训练项目,培养学生综合运用工程专业知识,分析和解决具有特定特征的复杂工程问题能力。在实施综合训练过程中还采用了多元化的评价考核方式。通过对我校电气工程及其自动化专业2012级和2013级学生的实践训练,考核结果表明:学生掌握了PLC控制及上下位机通信方法,并能深刻理解PLC在工业控制中的作用;掌握了电动机的信号采集、数据处理及变频器的使用;学会了使用触摸屏以及Wince组态软件等。该训练项目还能使学生掌握解决实际工程问题所需的方案论证步骤,控制系统软硬件调试、分析与改进等全过程。(下接第22页)万方数据 22电气电子教学学报 第40卷拨尖人才的脱颖拓展了一个自主眭和个性化的学习空间,经过实践能力提高班的培训,进一步彰显优秀学生其个性和特长,促进实践能力和创新能力的提高。目前,电子设计创新实践能力提高班的学生已经在广东省大学生电子设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛以及全国挑战杯•□▼◁▼竞赛中中取得了优异成绩,还成功申请了多项校级、省级和国家级大学生创新创业训练项目以及正式发表论文多篇。这一切充分说明了电子设计创新实践能力提高班创新人才的培养模式是成功的。今后,我们将进一步探索与完善电子设计创新实践能力提高班的培养模式,使之能更符合高素质创新应用型人才的培养需求,更符合教育规律,为拨尖人才脱颖而出创造更加完善的实践环境和氛围。参考文献:[1] 张馄,纪秋颖,董超俊.组建实验班创立“双主体”协同培养模式[J].北京,中国高等教育,2014(12):29-32.[2] 祝爱民,于丽娟,蒋文杨.管理类跨专业综合实验体系构建与实施[J].上海,实验室研究与探索,2014(2):186189.[3] 黄朝志,刘宏,王祖麟,等.以实践创新能力培养为导向的电子创新中心建设[J].北京,实验技术与管理,2010(12):148-150.[4] 郑春龙,邵红艳.以创新实践能力培养为目标的高校实践教学体系的构建与实施[J].北京,中国高教研究,2007(4):85.86.[5] 罗嗣海,周立功,王祖麟,等.就业与招聘“两难”困境中实施“3+1”模式的探讨[J].北京,中国电力教育,2009(2):l_2.[6] 吴新开,王海华.项目驱动的创新实验体系构建[J].上海,实验室研究与探索,2013(12):137140.[7] 袁焱,陈颖琪,诸勤敏,等.两类导向、三线并举的电子类实验课程改革[J].上海,实验室研究与探索,2013(10):185187,203.[8] 曾庆波,崔晓红.高职院校多专业协作开发实训项目的探索[J].哈尔滨,信息技◇…=▲术,2014(1):50-51,55.[9] 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