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[摘要]从工科实践教学的重要性、特点以及要求出发,论述了普通高等学校工科本科教育实践教学中课程设计的必要性。在此基础上结合电气工程与自动化专业电气传动课程设计的教学经验,对该课程设计采取“实验装置半成品”教学方式进行了探讨。
[关键词]实践教学实验装置课程设计电气传动
实践教学是高等教育工科专业教学中非常重要的一环。搞好实践教学对于学生巩固理解和运用理论知识、激发学习兴趣、锻炼实践动手能力以及对创新能力的培养都具有至关重要的意义。课程设计是专业课程的理论教学和实践教学的结合点,是培养学生专业知识综合应用能力和创新能力的重要手段。在实践教学中适当应用“实验装置半成品”教学,能够达到良好的教学效果。所谓的“实验装置半成品”教学是指在实践教学中向学生提供实验装置的半成品,某些情况下甚至是零散的元器件,让学生在分析图纸和查阅资料的基础上完成实验装置的制作与调试。这对学生灵活运用所学知识,亲自动手实践是一个考验,也是对其能力的锻炼。实践证明,这种实践教学方法能够收到良好的教学效果。
一、工科专业实践教学的特点和要求
工科知识是纯理论知识与实践技术的结晶,是理论与实践紧密结合的产物。工科专业的实践教学要使学生尽量多地接触与专业有关的仪器、设备和装置。使学生理解基本实验仪器的原理,能够熟练操作基本的实验仪器,并且能够灵活运用所学知识去创造性的解决一些专业问题。这就要求学生能够从整体框架上把握所学知识,能够将没有学到的知识定位于某一知识范围,通过查阅资料和自学解决问题。比如,某电子专业的学生毕业后从事电子产品的开发,如果在学校的实践教学中已经接触到了大量的电子元器件,对相关仪器仪表比较熟悉,有过设计组装电子产品的经历,他的工作自然就上手快,有更多的崭露头脚的机会。
二、“实验装置半成品”教学的优点
当前,市场上出售的用于教学的实验装置具有较高的集成化程度、华丽的包装、较多的实验功能。而实验课中用它所做的实验大都为验证性实验,某些实验装置自身自动化程度的提高也使学生的实际动手操作机会相对减少。这对学生综合能力的培养非常不利。
当然,这些装置的购置很多是必须的,许多验证性实验也是学生所必须要做的。但仅靠这些现成的“成品实验装置”来完成实践教学是不够的。因为:首先,实践教学中不仅仅要求学生做大量的基础性的实验,还要求做一部分综合性、设计性甚至创造性的实验。而“成品实验装置”往往针对一些基础性的实验,难以用它做综合性、设计性甚、创造性的实验。其次,“成品实验装置”包装精美,却难以让学生看到内部的结构,学生不能从零部件或者元器件的层次来把握整个实验。而“实验装置半成品”教学则既能让学生有充分的动手操作机会,发挥学生的主动性,又可以将本专业有关专业知识与技能系统化综合化的展现。比如,电子专业教学中可以在给学生图纸和相关元器件的基础上,让学生制作一部简易收音机。学生可以综合运用学过的知识,通过实际操作掌握焊接、调试电路板的有关技巧,同时又可以激发学生对本专业的学习兴趣。
三、开展“实验装置半成品”教学的方法探讨
“实验装置半成品”教学可以看作是对“成品实验装置”教学的补充,可应用于工科实践教学的专业课程设计教学中。
专业课程设计是工科专业实践教学中的重要组成部分,是学生综合运用专业知识提高实践能力的重要途径。对专业知识的合理整合以及综合、灵活运用是专业课程设计的主要教学特色,也是其与专业实验课的主要区别。大部分高校中的专业课程设计一般安排于本科专业第三学年的下学期或者第四学年的上学期。在这两个学期,学生已完成大部分专业课程的学习,能够综合所学的专业知识进行课程设计,同时,搞好课程设计,也为即将到来的毕业设计打下理论和实践基础,提高毕业设计质量。专业课程设计的内容和方式较为固定。即对所有学生采取同样的教学方式,针对同一个课程设计题目,应用范围大致相同的知识模块,采用相同或相近的技术路线,达到同一个目的。因此,如果采用“实验装置半成品”教学,提供给学生实验材料,包括能够用到的元器件、部分图纸、参考资料,让学生在规定的课程设计时间内完成从理论到实践的具体设计和操作,将会达到好的教学效果。课程设计中学生最终完成的课程设计“产品”可以多次拆装,使用多年。
采用“实验装置半成品”的专业课程设计教学过程可以如下设计:首先,给学生布置课程设计的任务,让其明确该课程设计达到的目的,实现的功能;其次,让学生根据已经学过的知识独立查阅文献资料,提出大致的课程设计方案;再次,对学生提出的课程设计方案进行点评,指出其优点和不足,然后在这个基础上提出最终采用的设计方案,并提供给完成设计的电子器件及相关材料(可以是实验装置的半成品),指导学生查阅文献资料;最后,指导学生完成硬件、软件制作和调试,并最终完成课程设计报告。
四、“实验装置半成品”教学方式在电气传动课程设计中的应用
电气传动课程设计是电气工程类专业电气传动方向的一门综合性强的专业课程设计。该课程设计涉及的专业知识应包括电机与拖动、电力电子技术、电力拖动与运动控制、单片机原理与应用等专业课程。学生通过该课程设计,能够对上述课程的知识进行综合,训练查阅文献获取知识以及硬件设计和软件设计以及调试的能力。
为达到以上目的,我们给出的课程设计题目为:有一直流电动机,额定电枢电压为200V,额定转速1600r/min,额定电流1.2A,电枢绕组电阻Ra=0.1。设计一个直流电机转速闭环调速系统。该调速系统的调速方式为降压斩波调速,既在励磁不变的情况下,降低电枢电压调速。电机直流供电电源可用三相桥式不可控整流电路整流后经稳压滤波得到,通过全控型电力电子器件——IGBT对直流电源进行斩波调压。转速给定采用电位器给定,和键盘给定两种方式,系统控制单元采用单片机,PWM波产生采用单片机产生方式,转速检测用测速发电机。课程设计完成的任务:(1)完成2000字的课程设计报告,对课程设计解决的问题、采用的技术方案进行叙述。要求画出系统的整理设计框图、各部分的相关电路图并做说明;相关选择的器件的型号、参数要给出;画出系统的静态结构图、动态结构图;给出相关部分的程序流程图和部分程序编码。对该系统的性能进行分析;指出不足之处和进一步完善方法。(2)在给出的实验材料和元器件的基础上完成硬件制作,软件编程和调试,通过整机运行。
我们给参加课程设计的学生布置了任务后进行了分组。在学生提交了课程设计方案初稿后进行了集中指导,并公布了我们最终要采取的设计方案,并给出了可以采用的元器件和调速器半成品,最后指导学生在此基础上查阅资料进行软硬件制作和调试。
图1至图4是我们制作的该调速系统的硬件电路图。图1是调速系统电源部分的硬件照片,图2是调速器单片机及外围电路部分的照片,可以通过修改单片机的程序改变控制方式,图3是斩波主电路部分,图4是硬件电路的整体图。
致谢
本文的研究是在滨洲学院实验技术研究项目:电气自动化专业课程设计教学仪器——直流电机调速控制器的研制(编号BZXYSYXM20801)的支持下完成。
[参考文献]
[1]于永友.改革实验教学,强化创新能力培养[J].实验技术与管理,2006,22(7):12-14.
[2]李晓宁. 现代电气控制综合实验系统设计[J].实验技术与管理,2007,24(2):64-67.
[3]谢勇,于卫.电气信息类学科专业基础课开放实验教学探索[J].实验技术与管理,2005,22(11):111-114.
[4]高红.高水平实验创新平台建设的探索[J]. 实验技术与管理,2007,24(10):382-384.
(作者单位:滨州学院 黄河三角洲高效生态经济发展研究院,自动控制研究中心,自动化系)
[关键词]实践教学实验装置课程设计电气传动
实践教学是高等教育工科专业教学中非常重要的一环。搞好实践教学对于学生巩固理解和运用理论知识、激发学习兴趣、锻炼实践动手能力以及对创新能力的培养都具有至关重要的意义。课程设计是专业课程的理论教学和实践教学的结合点,是培养学生专业知识综合应用能力和创新能力的重要手段。在实践教学中适当应用“实验装置半成品”教学,能够达到良好的教学效果。所谓的“实验装置半成品”教学是指在实践教学中向学生提供实验装置的半成品,某些情况下甚至是零散的元器件,让学生在分析图纸和查阅资料的基础上完成实验装置的制作与调试。这对学生灵活运用所学知识,亲自动手实践是一个考验,也是对其能力的锻炼。实践证明,这种实践教学方法能够收到良好的教学效果。
一、工科专业实践教学的特点和要求
工科知识是纯理论知识与实践技术的结晶,是理论与实践紧密结合的产物。工科专业的实践教学要使学生尽量多地接触与专业有关的仪器、设备和装置。使学生理解基本实验仪器的原理,能够熟练操作基本的实验仪器,并且能够灵活运用所学知识去创造性的解决一些专业问题。这就要求学生能够从整体框架上把握所学知识,能够将没有学到的知识定位于某一知识范围,通过查阅资料和自学解决问题。比如,某电子专业的学生毕业后从事电子产品的开发,如果在学校的实践教学中已经接触到了大量的电子元器件,对相关仪器仪表比较熟悉,有过设计组装电子产品的经历,他的工作自然就上手快,有更多的崭露头脚的机会。
二、“实验装置半成品”教学的优点
当前,市场上出售的用于教学的实验装置具有较高的集成化程度、华丽的包装、较多的实验功能。而实验课中用它所做的实验大都为验证性实验,某些实验装置自身自动化程度的提高也使学生的实际动手操作机会相对减少。这对学生综合能力的培养非常不利。
当然,这些装置的购置很多是必须的,许多验证性实验也是学生所必须要做的。但仅靠这些现成的“成品实验装置”来完成实践教学是不够的。因为:首先,实践教学中不仅仅要求学生做大量的基础性的实验,还要求做一部分综合性、设计性甚至创造性的实验。而“成品实验装置”往往针对一些基础性的实验,难以用它做综合性、设计性甚、创造性的实验。其次,“成品实验装置”包装精美,却难以让学生看到内部的结构,学生不能从零部件或者元器件的层次来把握整个实验。而“实验装置半成品”教学则既能让学生有充分的动手操作机会,发挥学生的主动性,又可以将本专业有关专业知识与技能系统化综合化的展现。比如,电子专业教学中可以在给学生图纸和相关元器件的基础上,让学生制作一部简易收音机。学生可以综合运用学过的知识,通过实际操作掌握焊接、调试电路板的有关技巧,同时又可以激发学生对本专业的学习兴趣。
三、开展“实验装置半成品”教学的方法探讨
“实验装置半成品”教学可以看作是对“成品实验装置”教学的补充,可应用于工科实践教学的专业课程设计教学中。
专业课程设计是工科专业实践教学中的重要组成部分,是学生综合运用专业知识提高实践能力的重要途径。对专业知识的合理整合以及综合、灵活运用是专业课程设计的主要教学特色,也是其与专业实验课的主要区别。大部分高校中的专业课程设计一般安排于本科专业第三学年的下学期或者第四学年的上学期。在这两个学期,学生已完成大部分专业课程的学习,能够综合所学的专业知识进行课程设计,同时,搞好课程设计,也为即将到来的毕业设计打下理论和实践基础,提高毕业设计质量。专业课程设计的内容和方式较为固定。即对所有学生采取同样的教学方式,针对同一个课程设计题目,应用范围大致相同的知识模块,采用相同或相近的技术路线,达到同一个目的。因此,如果采用“实验装置半成品”教学,提供给学生实验材料,包括能够用到的元器件、部分图纸、参考资料,让学生在规定的课程设计时间内完成从理论到实践的具体设计和操作,将会达到好的教学效果。课程设计中学生最终完成的课程设计“产品”可以多次拆装,使用多年。
采用“实验装置半成品”的专业课程设计教学过程可以如下设计:首先,给学生布置课程设计的任务,让其明确该课程设计达到的目的,实现的功能;其次,让学生根据已经学过的知识独立查阅文献资料,提出大致的课程设计方案;再次,对学生提出的课程设计方案进行点评,指出其优点和不足,然后在这个基础上提出最终采用的设计方案,并提供给完成设计的电子器件及相关材料(可以是实验装置的半成品),指导学生查阅文献资料;最后,指导学生完成硬件、软件制作和调试,并最终完成课程设计报告。
四、“实验装置半成品”教学方式在电气传动课程设计中的应用
电气传动课程设计是电气工程类专业电气传动方向的一门综合性强的专业课程设计。该课程设计涉及的专业知识应包括电机与拖动、电力电子技术、电力拖动与运动控制、单片机原理与应用等专业课程。学生通过该课程设计,能够对上述课程的知识进行综合,训练查阅文献获取知识以及硬件设计和软件设计以及调试的能力。
为达到以上目的,我们给出的课程设计题目为:有一直流电动机,额定电枢电压为200V,额定转速1600r/min,额定电流1.2A,电枢绕组电阻Ra=0.1。设计一个直流电机转速闭环调速系统。该调速系统的调速方式为降压斩波调速,既在励磁不变的情况下,降低电枢电压调速。电机直流供电电源可用三相桥式不可控整流电路整流后经稳压滤波得到,通过全控型电力电子器件——IGBT对直流电源进行斩波调压。转速给定采用电位器给定,和键盘给定两种方式,系统控制单元采用单片机,PWM波产生采用单片机产生方式,转速检测用测速发电机。课程设计完成的任务:(1)完成2000字的课程设计报告,对课程设计解决的问题、采用的技术方案进行叙述。要求画出系统的整理设计框图、各部分的相关电路图并做说明;相关选择的器件的型号、参数要给出;画出系统的静态结构图、动态结构图;给出相关部分的程序流程图和部分程序编码。对该系统的性能进行分析;指出不足之处和进一步完善方法。(2)在给出的实验材料和元器件的基础上完成硬件制作,软件编程和调试,通过整机运行。
我们给参加课程设计的学生布置了任务后进行了分组。在学生提交了课程设计方案初稿后进行了集中指导,并公布了我们最终要采取的设计方案,并给出了可以采用的元器件和调速器半成品,最后指导学生在此基础上查阅资料进行软硬件制作和调试。
图1至图4是我们制作的该调速系统的硬件电路图。图1是调速系统电源部分的硬件照片,图2是调速器单片机及外围电路部分的照片,可以通过修改单片机的程序改变控制方式,图3是斩波主电路部分,图4是硬件电路的整体图。
致谢
本文的研究是在滨洲学院实验技术研究项目:电气自动化专业课程设计教学仪器——直流电机调速控制器的研制(编号BZXYSYXM20801)的支持下完成。
[参考文献]
[1]于永友.改革实验教学,强化创新能力培养[J].实验技术与管理,2006,22(7):12-14.
[2]李晓宁. 现代电气控制综合实验系统设计[J].实验技术与管理,2007,24(2):64-67.
[3]谢勇,于卫.电气信息类学科专业基础课开放实验教学探索[J].实验技术与管理,2005,22(11):111-114.
[4]高红.高水平实验创新平台建设的探索[J]. 实验技术与管理,2007,24(10):382-384.
(作者单位:滨州学院 黄河三角洲高效生态经济发展研究院,自动控制研究中心,自动化系)