CDIO模式下综合实验平台的校内实习实训课程探讨

唐芸　李振兴　翁汉琍　李飞　赵平

[摘 要]随着教学方式的不断改进、高校学生的不断增多，传统的校外实习和实训的短板愈加明显。为了改善这个问题，课题组从创新理念、优化方案及创新教学三个层面进行研究，分析了基于CDIO教育模式的校内实训机制、基于实习实训平台的自主实训设计、遵从电力安全规范的独立自主实训实操以及基于C-PMBOK项目管理模式的实训过程管理體系等，旨在建设动模—数模联合仿真的电气工程专业校内实习实训平台，为提高学生的动手能力以及提升实习课程质量提供新思路。

[关键词]动模—数模联合仿真;CDIO教育模式;实习实训平台建设;教学改革

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）04-0054-04

近些年来，高校的传统实习实训模式出现了许多短板[1-2]，主要体现为：校外实习实训的代价很高，但是学生动手操作的机会非常少。校外实习实训具有很强的分散性，难以对学生进行集中有效管理;校外实习实训任务性质复杂，会有许多限制，学生之间难以系统地协调配合。为了改善这种现状，许多高校都提出了解决方法。例如将集中实习与分散实习相结合、校外实习与校内实习相结合、生产实习与综合设计相结合以及生产实习与毕业设计相结合的实习模式[3];由学生根据自身的就业需求、兴趣等情况自主联系实习单位，在规定时间内完成生产实习教学要求的生产实习模式[4]。但是这些实习方式也都具有一定的局限性，只能有限地增加学生的动手机会和培养学生的自主思考能力。

最近几年，CDIO工程教育模式是高等院校工科专业进行教育改革的方向。探索工程科技和管理人才的培养模式，已经成为当今工科教育的发展趋势[5]。三峡大学电气与新能源学院为了有效实施“卓越计划”，结合CDIO培养模式在校内建成了多个实验平台，可开展包含本专业主要核心课程和能力要求的项目，并将其完整地、前后衔接地贯穿于整个本科教学阶段。

一、校内实习实训平台的主体框架

CDIO理念的本质是以构思、设计、实施和运作产品、过程或系统作为工程教育的环境[6]，对学生的自我学习能力、工程能力、团队合作能力等进行培养，重视应用型、技能型高素质人才的培养。三峡大学“卓越计划”重在激发学生学习实践潜能与兴趣，加强学生工程意识的培养，提升学生的工程素养，培养学生工程实践能力、工程设计能力、工程管理能力和创新能力，同时尊重学生个性发展。因此，可以说“卓越计划”与CDIO理念的目标一致。基于此，三峡大学电气与新能源学院针对传统实习的弊端，展开了一种以创新性人才培养为目标的校内实习实训的教育模式研究。这种教育模式的基本框架如图1所示，具体的思路为：首先根据现行的实习实训模式进行系统分析与问题总结，然后根据问题导向将模式研究与过程管理进一步完善，最后用完善的新模式、新内容来改进校内实训平台。同样的，也可以利用更加完善的校内实训平台对模式研究和过程管理进行优化设计，进而达到解决问题的目的。

模式研究和过程管理中涉及模式创新、内容创新和管理创新这三种创新方式，这三者为循序渐进的关系，即在进行校内实习实训平台建设时，应该先进行模式创新，再考虑内容与管理层面的创新。

二、基于CDIO教育模式的校内实训机制

通过对比分析传统校外实习实训模式与基于CDIO理念的校内实训模式的区别，在现有大平台的基础上，建立校内实习实训平台，能够将基于“点”“面”的实训模式贯穿于人才培养方案中，形成基于CDIO教育模式的校内实训机制。图2为基于CDIO教育模式的校内实习实训整体构架框图，图中列出了几种具体的实习实训平台。

（一）在CDIO教育模式下建模，验证校内实习实训的可行性

大学生的实习实训既要面对专业工程实际，又要达到专业上岗前的综合技能培训要求。在CDIO教育模式下，从实训内容、操作流程、操作规范、操作对象、物理现象与状态监测等方面，对比分析校内实习实训的规模、难度与工程实际的差别，基于实训构思、内容设计、实操实现和平台运作等具体化指标，建立实习实训目标达成度模型，论证校内实习实训的可行性。

（二）利用现有平台，建立校内实习实训系统构架

传统的实验平台一般是在具体的实验方案指导下完成相关内容，注重理论性，缺乏工程实践操作，同时学生也缺乏自主创新能力，专业技能差。在CDIO教育模式下，利用现有的平台，建立能够满足校内实习实训的整体架构，可以灵活、便利、综合地反映电气工程专业人才培养体系理论知识和工程实际特点，具有可发展性，既有能够贯穿于专业课程理论验证的实训，又有能够满足专业技能系统化的实训。

（三）将校内实习实训与人才培养相关联

工科院校的工程教育是培养大学生行业适应能力和社会竞争能力的活动。人才培养方案应当关注工程实践能力的锻炼[7]。校内实习实训改变了传统实训模式，因此在制订人才培养方案时，必须改变传统实训要求。这时可以建立“点”“面”实训模式：课题研究在面向专业理论学习过程和技能成长时，构建“点”实训模式及要求;在面向专业系统化理论指导和综合技能考核时，构建“面”实训模式及要求。

三、基于实习实训平台的自主实习实训设计

在自主设计实习实训流程前，首先要通过电机学、电力系统分析、电气主接线、电力系统继电保护、电力系统自动化、毕业设计等不同课程构建实习实训依据，并基于CDIO教育模式，让学生自主分组与设计实训内容。自主实习实训设计的侧重点应放在实习实训平台上。在选定实习实训任务后，首先要进行实习实训设计和理论分析，并分配人员任务，然后进一步预设事故，分析安全与紧急控制方案，搭建仿真分析平台，验证实习实训方案的可行性，最终提交实训方案予以审核。教师要对学生设计的实习实训方案提出建议，针对难点开展分析讨论，审核设计实习实训方案，并引导学生创新。具体流程如图3所示。

（一）自主设计不同培养阶段的实习实训内容

校内实习实训可以不局限在毕业设计阶段，可按照学生的培养阶段以及基础水平的不同，将学生分为不同的小组，每一组设计不同的实习实训目标和内容。这种方法可以充分发挥学生的主观能动性，做到因材施教，提高学生的自主创新能力，使学生充分了解实习实训平台，并根据课程实践任务或者毕业实习實训任务设计实习实训内容。负责实习实训的教师不需要进行过多的理论知识的讲解，其工作重点应转移到实际难点问题解决和引导创新等方面。学生在实习实训理论与实践相互印证的过程中，可以增强与队友的沟通合作能力、个人项目管理能力和团队协调能力等综合能力。

（二）验证自主设计实习实训内容的可行性

实训设计最终需要通过平台的实际操作来验证，在开展实操前，首先要借助掌握的理论知识开展系统分析与理论计算，并能够借助MATLAB、PSASP、PSCAD等仿真软件进行仿真验证。不同课程和培养阶段的实习实训内容不同，因此理论分析的要求、过程和结果均应适应发展，例如电机学应验证发电机/变压器的参数与运行，电力系统分析需要验证系统潮流、静态稳定性和动态稳定性。不同实习实训内容需要验证不同的参数来判定自主设计的实习实训是否可行。如果理论分析与仿真结果一致，可以初步判定实习实训设计可行;否则，需要进一步分析实习实训中存在的问题，然后进行修正，直到达到一致。

（三）预设实习实训问题，提出安全与紧急控制方案

电力系统是一个动态的系统，在实际的操作过程中，可能会发生与方案不一致的运行方式，或者存在系统故障。在此情形下，为了避免系统运行崩溃或设备损坏，必须采取紧急控制方式。紧急控制方式即针对实习实训设计的内容，假设系统初始设定的参数导致系统出现潮流逆送或存在短路点、发电机脱网、断路器失灵、二次设备故障、通信网路中断等特别情况而提出安全与紧急控制方案。基于此，当系统运行出现不正常或者故障状态，紧急控制方式能够使系统快速得到控制与保护，使设备不损坏、系统稳定运行，最终达到实习实训目标。

四、遵从电力安全规范的独立自主实训实操

电气工程及其自动化专业包含很多二级专业，随着现代电力系统的发展，实际电力工程又开发出许多课程教学没有涵盖的设备。学生通过实际操作和练习，可以巩固所学的知识、获得更多的知识，并反过来用这些知识指导理论学习。这种实操设计—实操练习—理论分析与仿真验证—优化实操设计的闭环模式，亦可大大提高实操的锻炼效果。在电力安全规范的约束下，自主设计实训实操的流程如图4所示。

（一）结合实际电力工程安全要求，设计实训实操流程

电力工程的建设过程中，安全问题贯穿始终，若工程中存在质量问题或安全问题，将会对电力行业的发展产生非常大的影响[8]，因此在设计实训实操流程时，需要结合实际电力工程安全的要求。在设计实训实操方案时，在实习实训平台上，应首先设计符合方案的实操拓扑。然后回顾理论知识与操作要求，并且对比分析电力工程实际运行维护与理论学习的区别，以此引导学生创新性思考与设计规划，加深对理论知识的掌握。最后，结合实际电力工程运行与安全规范，在实习实训平台构建的拓扑上设计实训实操流程。

（二）建立多人实训的协同工作机制

一个完整的实训实操的工程量非常大，单凭一个人的力量是很难完成的，一般需要多人协同配合才能完成。教师应根据实操实训工作，模拟各个电力部门的职能，将项目进行任务分工，然后根据小组同学的特点分配任务。在分析实际运行与操作流程的基础上，要建立多人实训的协同工作分配与运行机制：将参加实训的人员分成若干小组，不同小组在实操实训过程与管理中共同参与、相互协调、相互配合，共同完成实操的协同管理。

（三）开展结果分析与理论验证，并据此优化实训

在实操结束，完成实操报告的过程中，应首先结合实操结果，开展理论分析，验证实操结果：进一步在仿真模型上结合实际参数进行仿真验证，并通过验证分析，发现实操中存在的问题;通过仿真平台，复现实操中存在的问题，并进行理论分析，进一步论证实操设计中存在的问题。如此反复进行理论分析和仿真验证，找出实操中存在的错误，并据此优化实训内容与实操设计，在允许的条件下开展二次实操验证。

五、基于C-PMBOK项目管理模式的实训过程管理

在培养学生的实验能力，促进我国科研领域的发展等方面，实训室提供着重要保障，而为了实现其健康稳定发展，则需要对管理工作做进一步强化[9]。C-PMBOK指的是中国项目管理知识体系指南，C-PMBOK的特点为：在与国际接轨的同时突出了中国特色;以项目生命周期为主线，采用模块化结构，系统地介绍了项目管理学科的框架、项目管理知识以及常用方法和工具，并把项目上升为一种面向对象的管理方法论[10]。在校内实训实操的管理过程中，项目组采用了基于C-PMBOK的项目管理模式，如图5所示。从实训准备开始，就算进入了实训环节，也就算进入了考核状态，即进行动态的实验室管理、动态的实训评估。学生一旦考核不合格，则可以选择重新实训或者重新选题。

（一）合理分解实训项目，提出相应的管理目标

高校实训室的管理是一个系统工程，是一个项目整体，同时又具有多目标、多层次的系统结构。实操设计本身采用协同工作机制，因此需要把一个实训项目合理划分为多个子项目。每个子项目都可以进行进一步的任务细化分配，并且每个任务都有量化标准。实训任务是按逻辑顺序逐层实施的，这样便于实训组织中的成员确定自己的任务、实训承诺和工作责任，从而为项目控制和成绩考评形成评估基准。参与实训的每一位学生都要提交最小交付成果，所有人的成果汇总后可以作为总的实训结果。

（二）建立开放性实训动态过程管理机制

开放性实验室管理是指实训室在完成日常教学任务后，利用空余时间向学生开放。开放的时间、开放的设备、开放的内容、开放的指导、开放的管理、开放的培养给学生提供了一个开放包容的实习空间，更加有利于学生独立自主意识的培养。在提前预约的情况下，学生可以根据自己的学习状况，到实训室完成课内实验、实训项目或者课程的延伸项目，也可以完成自主设计的实验。

（三）建立适用于实训的新型考核与评估机制

在C-PMBOK项目管理模式下，实训体系应包括有效的考核与评估机制，实训考核应牢牢抓住C-PMBOK项目管理的核心——模块化的可交付成果，这样才能真正有效地控制和管理实训项目。校内实训教学的评估机制主要考查学生的五项关键能力：解决问题能力、沟通协作能力、职业素质和态度、专业知识基础、个人技能与经验。根据培养目标规定每项能力的比重，并通过学生实训环节中的关键活动表现来对关键能力进行量化。通过考试、考核以及互评等评估方式，再乘以不同的权重，就可以得到每名学生的总成绩。

六、結语

对于电气工程及其自动化专业来说，传统的校外实习和实训所能获得的知识与实践经验非常有限。为了解决这个问题，三峡大学研究了一系列解决办法：建设基于CDIO的教育模式和动模—数模联合仿真实习实训平台，总结出一套创新的校内实习实训模式，建立配套的校内实训实操平台。在这种新的实习实训模式下，学生可以培养独立自主的意识，增加动手操作的机会，提升协同合作的能力，可以在实习中真正有所收获，这符合高素质人才培养的需要。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张宏.电气自动化实训的任务及意义[J].职业，2007（15）：89.

[2] 薛冬梅.浅谈高校实习实训基地建设[J].当代教育实践与教学研究，2019（22）：166-167.

[3] 卜飞飞，王世山，黄文新.专业认证背景下电气工程专业实习改革[J].电气电子教学学报，2015（6）：80-83.

[4] 黄学良，张炎平，吴在军.电气工程专业生产实习模式的探索与实践[J].电气电子教学学报，2011（S1）：54-58.

[5] 金涛，高德勇.基于CDIO工程教育创新型人才培养模式的研究[J].成功（教育），2013（2）：140.

[6] 张熠，曹林.基于CDIO理念的电子信息类实践项目设计[J].实验室科学，2015（3）：155-157，160.

[7] 郝尚富，徐婷.工科院校大学生校内实习质量保障的实践[J].智库时代，2020（7）：222-223.

[8] 古满红.电力工程安全管理的重要性及有效对策[J].中外企业家，2020（17）：59.

[9] 司徒荣锋.探析高校实训室建设现状与管理模式[J].建材与装饰，2020（19）：172，174.

[10] 中国“双法”项目管理研究委员会.中国项目管理知识体系（C-PMBOK2006）[M].北京：电子工业出版社，2006.

[责任编辑：钟 岚]