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關(guān)鍵詞:電氣工程及其自動(dòng)化;CDIO;模塊化教學(xué)
作者簡(jiǎn)介:劉超(1985-),男,吉林省吉林市人,南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院電子電氣工程學(xué)院,助教;楊蕾(1986-),女,江蘇徐州人,南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院商學(xué)院,助教。(江蘇 泰州 225300)
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2013)02-0069-02
CDIO是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)提出的一種新的教育模式。CDIO包括構(gòu)思(conceive)設(shè)計(jì)(design)實(shí)現(xiàn)(implement)運(yùn)作(operate)四個(gè)方面。“構(gòu)思”是指明確客戶的需求,考慮技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和制度等因素,不斷改進(jìn)概念、技術(shù)和商業(yè)要求?!霸O(shè)計(jì)”指指定開發(fā)的產(chǎn)品系統(tǒng)所需的各種計(jì)劃、圖紙和算法;“實(shí)現(xiàn)”指把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程,包括硬件制造、軟件編程、測(cè)試、檢查和驗(yàn)證;“運(yùn)行”指對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的維護(hù)、優(yōu)化和淘汰等。CDIO教育思想的核心內(nèi)容是著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力,是將教學(xué)過程與工程實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合,通過理論學(xué)習(xí)解決工程實(shí)踐的問題,也通過工程實(shí)踐的問題強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)內(nèi)容。使學(xué)生在“學(xué)中做、做中學(xué)”達(dá)到工程實(shí)踐與理論教學(xué)相輔相成的效果。
電氣工程及其自動(dòng)化作為極具工程背景的專業(yè),最應(yīng)該以CDIO為基本思想進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱本校)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè),以培養(yǎng)“現(xiàn)場(chǎng)工程師”為教育目標(biāo),2010年被吸納為CDIO工程教育改革試點(diǎn)高校,成為江蘇省獨(dú)立學(xué)院中唯一一所CDIO工程教育改革試點(diǎn)成員校,教學(xué)效果在應(yīng)用型本科院校中處于前列。
一、以CDIO為理念的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)改革特點(diǎn)
1.以求職為導(dǎo)向的電氣工程及其自動(dòng)化的教學(xué)方法
培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、理論聯(lián)系實(shí)際以適應(yīng)將來求職之需的能力和素質(zhì)是所有專業(yè)教育的共性。CDIO理念說明本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案既不是一蹴而就的,也不是一成不變的。工程教育應(yīng)當(dāng)是動(dòng)態(tài)的,隨著新科技成果地不斷出現(xiàn),本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)必須通過市場(chǎng)調(diào)研,不斷進(jìn)行更新和調(diào)整。對(duì)于高校來說,人才培養(yǎng)方案地制訂和調(diào)整絕不僅僅是高校內(nèi)部的事情,高校在制訂和調(diào)整人才培養(yǎng)方案時(shí),應(yīng)當(dāng)把雇主對(duì)人才培養(yǎng)的需求作為重要依據(jù)。同時(shí),廣泛征求用人單位、學(xué)術(shù)界、政府以及學(xué)生群體的意見和建議,確保人才培養(yǎng)方案的科學(xué)性、全面性和可操作性。以CDIO為理念的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)應(yīng)從教學(xué)大綱、教材、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面與企業(yè)需求相結(jié)合,形成一切圍繞企業(yè)需求的教學(xué)方法。
2.以大工程為主的宏觀教學(xué)手段
寬口徑人才一直是各大高校所追求的目標(biāo)。CDIO模式從一個(gè)寬廣的視野來解讀工程,在這個(gè)視野中工程不再局限于技術(shù),工程與社會(huì)發(fā)展、市場(chǎng)規(guī)律、管理模式、歷史文化、價(jià)值觀念、心理、審美等緊密結(jié)合起來。CDIO模式根據(jù)這樣一個(gè)大工程的理念來建構(gòu)課程體系,CDIO模式培養(yǎng)的不僅僅是技術(shù)專家,而且是能在現(xiàn)代組織管理模式和市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制下從事產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)的工程師,更是以人類福祉為宗旨的具有社會(huì)責(zé)任感的工程人才與社會(huì)文明的締造者。
對(duì)于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)來說,要教育學(xué)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)整體的概念。不能將學(xué)生的視野局限于簡(jiǎn)單的一點(diǎn)、一門學(xué)科,而是要讓學(xué)生深刻理解所做工作在整個(gè)工程中的意義和地位,這樣才能實(shí)現(xiàn)寬口徑人才的目標(biāo)。以一種系統(tǒng)宏觀的視角來培養(yǎng)工程人才,無論是課程體系、教學(xué)模式還是培養(yǎng)目標(biāo),都應(yīng)該在這個(gè)教育理念下制訂。在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中,可以將一個(gè)大項(xiàng)目拆成幾個(gè)小的課題,讓學(xué)生組成一個(gè)完整的項(xiàng)目組,分?jǐn)傢?xiàng)目中的一個(gè)部分。比如說:將一個(gè)建筑電氣化的項(xiàng)目分成三個(gè)部分:建筑供配電、電梯控制、監(jiān)控系統(tǒng)。這三部分看似相互獨(dú)立,實(shí)際緊密相連。建筑供配電要給電梯控制;監(jiān)控系統(tǒng)提供電源,保證其穩(wěn)定運(yùn)行;電梯控制需要監(jiān)控系統(tǒng)的輔助,才能保證運(yùn)行的安全性,監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)于建筑供配電,實(shí)時(shí)監(jiān)控各部分的穩(wěn)定運(yùn)行。通過三部分的設(shè)計(jì),形成一套完整的解決方案。在這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,將大工程的理念貫穿其中,培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐中的大局觀使其更加真實(shí)地了解工程實(shí)踐的各個(gè)細(xì)節(jié)分工。
本校將“工程導(dǎo)論”作為大一的必修課,請(qǐng)多年從事實(shí)踐工程的教授作為主講教師,以其豐富的工程經(jīng)驗(yàn)讓學(xué)生了解電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的發(fā)展方向。課程中全部以大工程為案例,讓學(xué)生主動(dòng)思考工程的每一個(gè)部分。使學(xué)生明確工程師的角色和職責(zé),并且進(jìn)行簡(jiǎn)單的問題解決和設(shè)計(jì)實(shí)踐,養(yǎng)成初步的個(gè)人能力、人際交往能力和構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行能力,為今后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ),并提高學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)進(jìn)行考核方式的改革,不通過筆試的方式給學(xué)生評(píng)定分?jǐn)?shù),而是讓學(xué)生通過PPT展示自己對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的理解,使學(xué)生積極參與到課程之中,獲得了良好的效果。
二、以企業(yè)項(xiàng)目需求為核心的模塊化教學(xué)改革
1.以企業(yè)項(xiàng)目需求為核心的模塊化教學(xué)特點(diǎn)
所謂模塊化教學(xué)模式是按照程序模塊化的構(gòu)想和原則來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的一整套教學(xué)體系,它是在既定的培養(yǎng)目標(biāo)指導(dǎo)下,將全部教學(xué)內(nèi)容按照一定標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)則進(jìn)行分解,使其成為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)模塊,且各教學(xué)模塊之間可以按照一定的規(guī)則有選擇性地重新組合。
以企業(yè)項(xiàng)目需求為核心的模塊化教學(xué)改革就是將企業(yè)需求放在第一位,學(xué)校的課程設(shè)置根據(jù)企業(yè)項(xiàng)目需求做一系列地調(diào)整,形成職業(yè)化的教學(xué)模塊,這些模塊既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。對(duì)于實(shí)現(xiàn)大學(xué)生的培養(yǎng)必須注重“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”的目標(biāo)有很重要的作用。以企業(yè)項(xiàng)目需求為核心的模塊化教育,是服務(wù)于企業(yè)項(xiàng)目的,將學(xué)生課程的理論學(xué)習(xí)與企業(yè)項(xiàng)目直接掛鉤,從專業(yè)課程的層面就開始讓學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容在項(xiàng)目中所處的位置,既符合以求職為導(dǎo)向的教育方法,又符合CDIO大工程的理念。
2.以企業(yè)項(xiàng)目需求為核心的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)模塊化教學(xué)分析
電氣工程一級(jí)學(xué)科目錄下有五個(gè)方向:電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電機(jī)與電器、電工理論與新技術(shù)、高壓電與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)。結(jié)合獨(dú)立院校的自身特點(diǎn),依據(jù)市場(chǎng)需求和企業(yè)需求可將電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)分為以下幾個(gè)模塊:
(1)電氣控制模塊。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生和自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生有很多知識(shí)的交叉,而且又兼顧了電氣、電機(jī)方面的知識(shí),所以在控制領(lǐng)域有很廣的就業(yè)前景。電氣控制模塊不僅直接與工業(yè)控制方面掛鉤,甚至涉及火力發(fā)電廠集控運(yùn)行等方面,應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,是應(yīng)用型本科院校學(xué)生就業(yè)的重點(diǎn),也是“現(xiàn)場(chǎng)工程師”所必須掌握的一個(gè)重要模塊。
其核心課程包括:“電器控制技術(shù)”、“PLC原理與應(yīng)用”、“變頻器原理與應(yīng)用”等。本校單獨(dú)開設(shè)了電氣控制實(shí)驗(yàn)室,以西門子S7-200系列PLC為例,引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)試。完成了“五層電梯PLC控制”、“郵件分檢系統(tǒng)PLC控制”等課程設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,還開設(shè)了組態(tài)軟件課程,將下位機(jī)與上位機(jī)連接起來,更加貼近真實(shí)項(xiàng)目,使枯燥的編程變得更加生動(dòng),也對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)地完成起到了拋磚引玉的作用。畢業(yè)設(shè)計(jì)中不僅完成了工業(yè)控制PLC下位機(jī)的編程和調(diào)試,還要將下位機(jī)控制的情況通過組態(tài)軟件真實(shí)地反應(yīng),畢業(yè)設(shè)計(jì)論文與工程實(shí)踐更加緊密貼合,具有較高的水平。
(2)電子電路設(shè)計(jì)模塊。根據(jù)江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn),電子產(chǎn)業(yè)有著廣闊的就業(yè)前景。單片機(jī)以及電路方面的知識(shí)是學(xué)生就業(yè)擇業(yè)的一大重點(diǎn)。各種電子產(chǎn)品的生產(chǎn)與開發(fā),都離不開軟件或者硬件工程師。
其核心課程包括:“數(shù)字邏輯電路”、“模擬電子技術(shù)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“電力電子技術(shù)”等。作為上述課程的補(bǔ)充,本校還開設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”等現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的專業(yè)課,以及大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室為完全開放的實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生自己動(dòng)手,操作開發(fā)板、調(diào)試電源器件。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室鍛煉過的學(xué)生進(jìn)步很快,就業(yè)選擇優(yōu)勢(shì)明顯。
(3)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行模塊。能源問題一直是工業(yè)社會(huì)發(fā)展的熱點(diǎn)問題,電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一個(gè)極為重要的就業(yè)方向就是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行。發(fā)電廠、供電公司需要大量的“現(xiàn)場(chǎng)工程師”來保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行;建筑行業(yè)需要大量的設(shè)計(jì)施工人員進(jìn)行供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試,該模塊有廣闊的就業(yè)前景。
其核心課程包括:“電力系統(tǒng)分析”、“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”、“發(fā)電廠電氣部分”等。對(duì)于應(yīng)用型本科院校,上述課程要以“輕理論,重實(shí)踐”為指導(dǎo)思想,通過課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等手段,讓學(xué)生從整個(gè)電力系統(tǒng)“大網(wǎng)”運(yùn)行為入手點(diǎn),掌握電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理。
三、結(jié)語
對(duì)于應(yīng)用型本科院校來說,CDIO工程教育模式是極具借鑒意義的教育改革理念。本校作為江蘇省獨(dú)立學(xué)院唯一一所CDIO工程教育改革試點(diǎn)成員校,在“現(xiàn)場(chǎng)工程師”的培養(yǎng)道路上不斷摸索,積極總結(jié),取得了顯著效果。本文總結(jié)了以CDIO為理念的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)改革,提出一種以企業(yè)項(xiàng)目需求為目標(biāo)的分模塊的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)改革。這將對(duì)以CDIO工程教育為理念的高校教學(xué)改革提供參考。
參考文獻(xiàn):
[1]查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008,(3).
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制技術(shù);寬口徑;教學(xué)改革
作者簡(jiǎn)介:孫堅(jiān)(1978-),女,山西運(yùn)城人,三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,副教授;王強(qiáng)(1974-),男,江西撫州人,三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,副教授。(湖北 宜昌 443002)
基金項(xiàng)目:本文系三峽大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):J2011057和1143)的研究成果。
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2013)28-0130-02
當(dāng)前科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)出多學(xué)科、多領(lǐng)域相互交叉發(fā)展的現(xiàn)象,加上人才市場(chǎng)體制的建立,按行業(yè)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的格局,已越來越難以適應(yīng)人才市場(chǎng)化需求。而當(dāng)前大學(xué)生就業(yè)已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),直接關(guān)系到家庭、社會(huì)與高校的和諧及可持續(xù)發(fā)展。[1]因此,從培養(yǎng)行業(yè)專業(yè)人才轉(zhuǎn)變?yōu)橹鼗A(chǔ)、寬口徑、可適應(yīng)不同行業(yè)需求的高素質(zhì)、復(fù)合創(chuàng)新型人才是保證高校畢業(yè)生就業(yè)的有力基礎(chǔ)。建立與實(shí)施大類培養(yǎng),優(yōu)化課程結(jié)構(gòu),加強(qiáng)學(xué)科課程和教學(xué)教改建設(shè),緊跟技術(shù)進(jìn)步,主動(dòng)適應(yīng)人才市場(chǎng)需求是高校教學(xué)改革不斷深入的基本原則和方向?!坝?jì)算機(jī)控制技術(shù)”是工科類電氣相關(guān)專業(yè)主干課程之一,了解和掌握典型控制器件性能,學(xué)會(huì)以其為核心構(gòu)建物理控制系統(tǒng)和基本應(yīng)用技術(shù),是該課程培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在,使其學(xué)會(huì)并掌握使用基于典型控制器進(jìn)行工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和參數(shù)整定等一般方法和過程以促進(jìn)畢業(yè)生就業(yè)質(zhì)量,增強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)力。
一、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”寬口徑平臺(tái)構(gòu)建
由教育部1998年7月頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》,把504種專業(yè)調(diào)整到249種,這為高校拓寬專業(yè)口徑,改善就業(yè),積極探索新型素質(zhì)教育,培養(yǎng)復(fù)合型人才提供了指導(dǎo)依據(jù)。要實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)復(fù)合型人才培養(yǎng),就有必要淡化小專業(yè)意識(shí),樹立起大專業(yè)思想。打破工科類電氣相關(guān)專業(yè)近似課程的差異壁壘,,充分挖掘?qū)I(yè)課程的內(nèi)在聯(lián)系,對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)綜合類課程及實(shí)踐類課程進(jìn)行整合,甚至重新設(shè)計(jì)制訂,著力構(gòu)建完善的“一綱、兩體、三化”教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、課堂教育與課外自學(xué)的相互融合及補(bǔ)充。
“一綱”,即一門課程一份教學(xué)計(jì)劃大綱。它對(duì)理論課程教學(xué)目的、深度及知識(shí)體系、教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)法進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定。以2011教學(xué)大綱為例,熱能與動(dòng)力工程、機(jī)械工程及其自動(dòng)化、電氣工程及自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)都開設(shè)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程。原教學(xué)大綱分專業(yè)設(shè)置,教材、教學(xué)時(shí)數(shù)略有差異,現(xiàn)學(xué)大綱和教學(xué)要求。采取就高不就低的原則,教材和教學(xué)內(nèi)容以自動(dòng)化專業(yè)為標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一調(diào)整為32學(xué)時(shí),并整合教師資源成立課程教研組,負(fù)責(zé)課程的建設(shè)與教學(xué)實(shí)施。
“兩體”,即實(shí)踐環(huán)節(jié)主體和理論教學(xué)主體。專業(yè)導(dǎo)師通常在“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”理論課程接近尾聲時(shí),根據(jù)專業(yè)設(shè)置情況開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課,介紹各專業(yè)最新前沿發(fā)展動(dòng)態(tài),以幫助學(xué)生更好地了解各專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容及研究方向,使其結(jié)合自身興趣愛好和能力,合理選擇后期實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容。
“三化”,即教學(xué)過程的全程化、全員化和個(gè)性化。全程化,指的是不論在理論教學(xué)環(huán)節(jié),還是在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),每個(gè)工作日都安排老師進(jìn)行答疑。全員化即“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教研組成員人人參與,建立面向全體學(xué)生服務(wù)意識(shí)和健全答疑制度。個(gè)性化指導(dǎo),主要以提高學(xué)生專業(yè)技能和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo),對(duì)每一專業(yè)、每一個(gè)實(shí)踐小組進(jìn)行“綜合設(shè)計(jì)一對(duì)一,指導(dǎo)服務(wù)一對(duì)一”的培養(yǎng)模式。
二、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”理論教學(xué)模式改革
1.教改原則
在以往的計(jì)算機(jī)控制教學(xué)實(shí)踐中,大多采用條塊分割,按章逐節(jié)進(jìn)行講解。本次教改過程中,把計(jì)算機(jī)控制課程視為一個(gè)完整的系統(tǒng)(如圖1所示),通過引導(dǎo)學(xué)生用系統(tǒng)的觀念去認(rèn)識(shí)和把握該門課程。[2]即系統(tǒng)建模是理論分析基礎(chǔ);典型控制器件和電路或附件組成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu);依據(jù)工控對(duì)象特性及數(shù)量,選擇適宜的控制策略和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次。在實(shí)際教學(xué)中,以某一工程實(shí)例為背景,教學(xué)結(jié)合工程實(shí)例,遵循從上到下的原則,按照?qǐng)D1每個(gè)模塊的層次依次展開。但由于在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中,由于工控機(jī)的高度模塊化和插板結(jié)構(gòu),在“數(shù)據(jù)通信技術(shù)”模塊的教學(xué)中,對(duì)通信原理無需作為重點(diǎn),學(xué)生學(xué)會(huì)如何組建“PC+Fieldbus、DCS、PC+PLC、PC+SLC”四種典型控制系統(tǒng)即可;同樣,在計(jì)算機(jī)接口電路方面,如輸入/出通道、通信接口等,教學(xué)內(nèi)容以標(biāo)準(zhǔn)主流板級(jí)產(chǎn)品為主,把主流產(chǎn)品的工作原理、技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用方法進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
2.理論教學(xué)案例
講授完“系統(tǒng)數(shù)學(xué)建?;A(chǔ)”后,將以“電爐溫控系統(tǒng)”為工程實(shí)例。教師首先講解工作原理圖和系統(tǒng)的工作過程及重要相關(guān)概念,對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行說明后,再將系統(tǒng)按功能模塊給予分割,如:硬件結(jié)構(gòu)包括典型控制器(計(jì)算機(jī))、接口電路、檢測(cè)電路、調(diào)理電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等,軟件部分可使用匯編語言或高級(jí)語言進(jìn)行編程;帶學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室演示已設(shè)計(jì)好的系統(tǒng),同時(shí)明確指出每個(gè)功能模塊所對(duì)應(yīng)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn),將理論知識(shí)與實(shí)物對(duì)應(yīng)起來,化抽象為具體,把課本上枯燥的文字?jǐn)⑹鲛D(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的物理系統(tǒng)。這樣,就很容易調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望和動(dòng)手實(shí)踐的激情。不過,值得注意的是,在課程講授初時(shí),不宜過多使用專業(yè)術(shù)語,盡可能采用通俗易懂的教學(xué)語言。
學(xué)生建立起計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的“系統(tǒng)”概念后,教師在“教”的過程中有意識(shí)地“以面談點(diǎn),逐個(gè)突破”,即:從“電爐溫控系統(tǒng)”再次回歸到圖1對(duì)應(yīng)的“理論模塊”。在講解每一功能模塊時(shí),都結(jié)合“系統(tǒng)”展開,明確概念,強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和說清難點(diǎn)。在學(xué)生掌握了基于PID控制算法后,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容改變被控對(duì)象和數(shù)量,引申出其它知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。如此這般,通過“系統(tǒng)-理論教學(xué)模塊-系統(tǒng)”螺旋式循環(huán)過程,不僅有助于學(xué)生對(duì)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”這門課程核心思想的深刻理解,還有利于學(xué)生切身感受從性能指標(biāo)出發(fā)到方案構(gòu)想、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程,無形中加強(qiáng)了分析問題、解決問題能力的鍛煉。
三、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)體系
1.實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建思想
在大專業(yè)教改原則下的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)中,構(gòu)建一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的實(shí)踐體系是保證課程連續(xù)性和區(qū)別性,以滿足不同專業(yè)特點(diǎn)的內(nèi)在需求。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)際操作中,把握“一個(gè)基本點(diǎn),兩條途徑,三種層次”的從下到上教學(xué)思想。[2]即一個(gè)基本點(diǎn)是指以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力為中心;學(xué)生從物理實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)兩條途徑獲取互補(bǔ)學(xué)習(xí)的方法;三種層次是指實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包含有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的遞進(jìn)。
2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例
第一層次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)學(xué)生所學(xué)的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”相關(guān)知識(shí)進(jìn)行,這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又分為限選項(xiàng)目和自選項(xiàng)目。限選項(xiàng)目主要有“數(shù)字量輸入輸出通道”、“模擬量輸入輸出通道”、幾類“經(jīng)典控制算法”等,主要定位為通識(shí)教育。學(xué)生可通過物理性和仿真性實(shí)驗(yàn),達(dá)到幫助理解課堂所學(xué)知識(shí),對(duì)課程重點(diǎn)加深認(rèn)識(shí)和把握。而對(duì)于復(fù)雜控制系統(tǒng),如“PC+Fieldbus、DCS、PC+PLC、PC+SLC”四種典型控制系統(tǒng)的組建、復(fù)雜控制算法歸為自選項(xiàng)目,這部分內(nèi)容主要由學(xué)生自主在開放實(shí)驗(yàn)室仿真平臺(tái)上完成。
第二層次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要有“交流電動(dòng)機(jī)速度控制”、“水塔水位控制”、“彩燈控制系統(tǒng)”等。學(xué)生可根據(jù)自身愛好和能力,進(jìn)行自主選題和難易取舍,初步要求學(xué)生能查閱相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)和方法,發(fā)揮自己的思考和想象,自行編制控制算法程序來實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)。如某學(xué)生選擇精確型“交流電動(dòng)機(jī)速度控制”,在進(jìn)行輔導(dǎo)時(shí),指出交流電動(dòng)機(jī)是一非線性、多變量、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象,其數(shù)學(xué)模型較難精確建立,為克服常規(guī)模糊控制器隸屬函數(shù)不變的缺陷,可考慮設(shè)計(jì)一種具有自學(xué)習(xí)功能的控制器,[3]更為詳細(xì)內(nèi)容可通過查找相關(guān)文獻(xiàn)途徑獲取。
特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為第三層次,一般在完成第一層次和相關(guān)理論課程教學(xué)后,以興趣愛好或?qū)n}形式進(jìn)行。經(jīng)過學(xué)生報(bào)名和教師篩選,讓一部分有能力、有潛力的本科同學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和研究。在這一過程中,教給他們科學(xué)的工作方法,使他們學(xué)會(huì)利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源查閱資料,提出解決方案并進(jìn)行論證。[4]每個(gè)特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目均以工程實(shí)際需求為背景,如:綜合設(shè)計(jì)性題目“程控型高穩(wěn)定輸出交流電壓源研制”,教師組織興趣組學(xué)生對(duì)方案的總體設(shè)想和技術(shù)路線進(jìn)行引導(dǎo);在系統(tǒng)裝置控制策略的把握上,提醒同學(xué)使用輸出電壓瞬時(shí)值反饋可提高輸出的穩(wěn)態(tài)精度滿足性能指標(biāo)要求,但這可能帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定,用并聯(lián)微分校正——引入濾波電容器電流反饋可達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。[5]這種啟發(fā)式、互動(dòng)式的教學(xué)方式,有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的工作方法和縝密的研究習(xí)慣,達(dá)到高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目的。
四、結(jié)束語
本文從寬口徑“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”人才培養(yǎng)需求出發(fā),對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革。從系統(tǒng)層面上有效認(rèn)識(shí)和把握各模塊間的內(nèi)在聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識(shí)層面從孤立到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)變,有助于學(xué)生的融會(huì)貫通。實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置,既保持了課程的統(tǒng)一性,又體現(xiàn)了不同專業(yè)的對(duì)立性。而通過特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),將對(duì)立與統(tǒng)一進(jìn)行了很好的融合。
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從“離網(wǎng)”向“并網(wǎng)”的跨越
光伏并網(wǎng)發(fā)電是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的主要發(fā)展方向,是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電階段,成為電力工業(yè)組成部分之一的重大技術(shù)步驟。許多統(tǒng)計(jì)資料表明,近幾年來世界光伏并網(wǎng)發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展迅速,光伏并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量從1 996年的7MWp上升到2000年的140MWp,光伏并網(wǎng)發(fā)電在光伏行業(yè)中的市場(chǎng)比例也從1 996年的10%上升到2000年的50%,2007年光伏并網(wǎng)發(fā)電的市場(chǎng)比例已達(dá)到80%。而在中國(guó),光伏發(fā)電也將在未來的電力供應(yīng)中扮演重要的角色,其累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)計(jì)至201 0年將達(dá)600MWp,2020年將達(dá)到30GWp,2050年將達(dá)到100GWp。根據(jù)電力科學(xué)院預(yù)測(cè),到2050年,中國(guó)可再生能源發(fā)電將占到全國(guó)總電力裝機(jī)的25%,其中光伏發(fā)電則占到5%。顯而易見,光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)是大規(guī)模光伏發(fā)電的主要趨勢(shì)。
早在上世紀(jì)80年代,合肥工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開展起太陽能光伏與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究,張興就是在那個(gè)時(shí)候走入合肥工業(yè)大學(xué)校門的。在這所留下他半生印記的學(xué)校里,不僅走過了從學(xué)士到博士的求學(xué)之路,而且也撇下了攻關(guān),探索的辛勤汗水。他對(duì)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究,源于1 997年新疆新能源研究所原所長(zhǎng)王國(guó)華研究員在合肥工業(yè)大學(xué)的一次講學(xué)。在那次講學(xué)中,張興對(duì)歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家正在興起的光伏并網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣,當(dāng)時(shí),我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)還是針對(duì)技術(shù)相對(duì)落后的光伏離網(wǎng)系統(tǒng),很少有人關(guān)注技術(shù)新穎且有一定難度的光伏并網(wǎng)技術(shù)。盡管深知其中的挑戰(zhàn),張興卻從未想過低頭,他抓住光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器這一核心技術(shù),開始了潛心的研究。經(jīng)過一年多的努力,他終于成功研制了500W光伏并網(wǎng)樣機(jī)。在1 998年的全國(guó)光伏年會(huì)上,該樣機(jī)一經(jīng)展出即引起了同行的高度關(guān)注。在此基礎(chǔ)上,1999年,張興教授又與新疆新能源研究所開展了技術(shù)合作,共同承擔(dān)起自治區(qū)的科技攻關(guān)項(xiàng)目。當(dāng)時(shí),逆變電源專家曹仁賢創(chuàng)辦的合肥陽光電源有限公司起步不久,雖然主打產(chǎn)品主要是離網(wǎng)型光伏逆變器,但他還是給予了這一項(xiàng)目充分的肯定和支持。在共同的努力下,該項(xiàng)目組于2000年成功開發(fā)出3kW工程化樣機(jī),并在新疆鄯善縣成功地進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試,取得了預(yù)期性能。隨之,在經(jīng)過一年多的試運(yùn)行之后,2001年,該項(xiàng)目順利通過了新疆維吾爾自治區(qū)組織的專家鑒定,得到了一致的好評(píng)。
而正是這個(gè)項(xiàng)目的成功,拉開了張興教授與合肥陽光電源有限公司產(chǎn)學(xué)研合作的帷幕。此后,國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“并網(wǎng)光伏發(fā)電用系列逆變器的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”、科技部新能源行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目等諸多科技攻關(guān)項(xiàng)目在他們的攜手并進(jìn)下,得以產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐,同時(shí)建造了多個(gè)并網(wǎng)光伏示范電站,其中,科技部新能源行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“60kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究”項(xiàng)目獲得新疆維吾爾自治區(qū)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
與“陽光”同行
“陽光”,一個(gè)聽起來倍感明媚的詞語。而在電源領(lǐng)域,這一個(gè)詞語則讓人聯(lián)想起我國(guó)知名的新能源發(fā)電電源專業(yè)制造商――合肥陽光電源有限公司(以下簡(jiǎn)稱“陽光電源”)。
自1 997年成立以來,陽光電源專注于可再生能源發(fā)電產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn),囊括了光伏發(fā)電電源、風(fēng)力發(fā)電電源、回饋式節(jié)能負(fù)載、電力系統(tǒng)電源等系列產(chǎn)品,曾成功參與北京奧運(yùn)鳥巢、上海世博會(huì)、三峽工程,全球環(huán)境基金可再生能源項(xiàng)目、西班牙MaIaga 5MW大型光伏電站,英國(guó)和法國(guó)小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目、青藏鐵路等重大工程,獲得了國(guó)內(nèi)外業(yè)界的一致好評(píng)。多年來,陽光電源先后獲得“安徽省優(yōu)秀民營(yíng)科技企業(yè)”、“安徽名牌產(chǎn)品”、“優(yōu)秀創(chuàng)新企業(yè)”,“安徽省‘115’產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”、國(guó)家發(fā)改委REDP項(xiàng)目“技術(shù)進(jìn)步優(yōu)秀項(xiàng)目獎(jiǎng)”,“太陽能光伏產(chǎn)品金太陽認(rèn)證”等榮譽(yù),是安徽省可再生資源電源工程技術(shù)研究中心依托單位、安徽省研究生產(chǎn)學(xué)研示范基地。
同樣,經(jīng)過二十余年的努力,合肥工業(yè)大學(xué)在太陽能光伏與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等可再生能源發(fā)電技術(shù)方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,如今,不僅擁有電力電子與電力傳動(dòng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科、教育部光伏工程研究中心,還進(jìn)入了國(guó)家培育優(yōu)勢(shì)重點(diǎn)學(xué)科的“111計(jì)劃”,成為“可再生能源并網(wǎng)發(fā)電國(guó)家級(jí)創(chuàng)新引智基地”。而在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的科學(xué)研究中,張興教授與陽光電源的產(chǎn)學(xué)研合作尤其值得稱道。
從1 999年共同開展新疆維吾爾自治區(qū)的科技攻關(guān)項(xiàng)目開始,他們的產(chǎn)學(xué)研合作已經(jīng)整整十年。十年間,他們聯(lián)手創(chuàng)造了不少成績(jī),近年來更是成果選出。
“上海電力局奉賢10kW光伏屋頂示范工程項(xiàng)目”屬于上海電力局新能源發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目,工程于2003年3月建成并投入運(yùn)行,2004年7月通過專家鑒定,是上海首個(gè)全部采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的光伏屋頂并網(wǎng)示范系統(tǒng),該系統(tǒng)所用的1臺(tái)10kW三相并網(wǎng)逆變器即由張興課題組與陽光電源聯(lián)合研制。
他們合作的“并網(wǎng)光伏發(fā)電用系列逆變器的產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目是國(guó)家科技部“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目,該項(xiàng)目于2005年2月通過科技部的專家鑒定。其成功研發(fā)解決了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵部件逆變器的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn),推進(jìn)了我國(guó)并網(wǎng)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,如今,該項(xiàng)目系列產(chǎn)品已在陽光電源實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,并定型了多種規(guī)格的并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品。
隨即,在國(guó)家科技部新能源行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“新疆烏魯木齊大型光伏并網(wǎng)工程”研發(fā)中,張興課題組承擔(dān)起72臺(tái)60kW并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)及控制設(shè)計(jì)任務(wù),而陽光電源則對(duì)逆變系統(tǒng)的制造,現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試工作進(jìn)行了全權(quán)負(fù)責(zé)。2004年12月,該工程完滿建成并投入運(yùn)行,2006年3月,通過科技部驗(yàn)收及專家鑒定。經(jīng)鑒定,該項(xiàng)目采用可調(diào)度型并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu),并具有并網(wǎng)發(fā)電、蓄電池充放電和獨(dú)立逆變?nèi)剡\(yùn)行功能,省略了常規(guī)的充電控制器,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大大提高了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的性價(jià)比,是當(dāng)時(shí)新疆地區(qū)最大且功能最為先進(jìn)的光伏并網(wǎng)示范工程,其成果被授予新疆維吾爾自治區(qū)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
此外,在“上海生態(tài)示范園光伏屋頂工程”、安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目“合肥陽光電源30kW光伏屋頂示范工程項(xiàng)目”以及
科技部科技攻關(guān)推廣項(xiàng)目“上海崇明30kW光伏屋頂示范工程”研發(fā)中,他們的表現(xiàn)也不負(fù)眾望。
“非?!弊非?/p>
電力電子與新能源應(yīng)用技術(shù)的多年研發(fā)、與陽光電源十年的產(chǎn)學(xué)研合作,點(diǎn)點(diǎn)滴滴的付出,張興教授用自己的智慧和汗水寫出了一個(gè)不一般的科研生涯。
在風(fēng)力發(fā)電研究方面,其MW級(jí)變流器作為核心技術(shù)一直被外國(guó)壟斷,其國(guó)產(chǎn)化的路途極其艱辛和富有挑戰(zhàn)性,2004年,張興教授與陽光電源再度聯(lián)手進(jìn)行科技攻關(guān),他們首先完成了安徽省“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“風(fēng)力發(fā)電用交直交并網(wǎng)變流器”,并獲得安徽省2006年度科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。接著,作為課題負(fù)責(zé)人之一,張興教授與陽光電源聯(lián)合申報(bào)并獲得了“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”的兩個(gè)重大項(xiàng)目的資助――“1 5MW以上直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器的研制與產(chǎn)業(yè)化”與“1,5MW以上雙饋式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器的研制與產(chǎn)業(yè)化”。經(jīng)過大家不懈的努力,目前,MW級(jí)雙饋型與直驅(qū)型風(fēng)機(jī)變流器基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,部分機(jī)型已經(jīng)批量向整機(jī)廠商供貨。
在柔性直流輸電變流與控制研究方面,張興教授著眼于柔性直流輸電技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合,對(duì)安徽省自然基金項(xiàng)目“電網(wǎng)異常條件下風(fēng)場(chǎng)柔性直流輸電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究”進(jìn)行了攻關(guān)研究。與此同時(shí),在合肥工業(yè)大學(xué)本科評(píng)建項(xiàng)目的支持下,他自主研發(fā)成功了一套1 5kW柔性直流輸電變流及控制系統(tǒng)研究平臺(tái)。
在PWM整流器技術(shù)研究方面,張興教授完成了包括HT--7u超導(dǎo)托卡馬克等離子移快控電源、蓄電池雙向饋電電源、背靠背雙向變流器等多項(xiàng)研究成果,并在其博士學(xué)位論文基礎(chǔ)上,由“電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書”編委會(huì)資助并由機(jī)械工業(yè)出版社出版了《PWM整流器及控制》學(xué)術(shù)專著,該學(xué)術(shù)專著在新能源并網(wǎng)發(fā)電的逆變器研究與應(yīng)用領(lǐng)域得到了學(xué)術(shù)界專家學(xué)者的肯定并被廣泛引用。
在積極進(jìn)行科研攻關(guān)的同時(shí),張興教授還將大量精力投入到特色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中。2006年,他主持完成了“合肥工業(yè)大學(xué)風(fēng)力發(fā)電變流器及其控制實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè),其主要包括“250kW中低壓雙饋、交流異步全功率風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)”、“永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)”,以及分布式發(fā)電系統(tǒng)中的“風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)”,“柔性直流輸電變流及控制系統(tǒng)研究平臺(tái)”等。而他與陽光電源合作,還為該公司建成了“2MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器試驗(yàn)平臺(tái)”、“2MW同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流器試驗(yàn)平臺(tái)”。這些實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)基本上涵蓋了張興教授及其團(tuán)隊(duì)近年來的大部分成果,在這些成果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過深入地自主研制,這些平臺(tái)已經(jīng)開始發(fā)揮各自的功用,不僅大大促進(jìn)了合肥工業(yè)大學(xué)新能源應(yīng)用及其電力電子研究技術(shù)的發(fā)展,使其成為全國(guó)高校風(fēng)力發(fā)電變流器研究條件一流的單位,也為國(guó)家支撐項(xiàng)目的取得與完成提供了良好的研究條件與基礎(chǔ)。
經(jīng)過多年的拼搏,張興教授不僅在風(fēng)力、太陽能并網(wǎng)發(fā)電的變流器技術(shù)的研究和工程應(yīng)用方面取得眾多的成果,積累了大量研究與工程經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也為陽光電源以及電力電子行業(yè)輸送了一批高素質(zhì)人才。從當(dāng)年初次涉足光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù),到如今的MW級(jí)風(fēng)電變流器的研制成功,在太陽能光伏并網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電變流控制與驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的多年研究,使他和團(tuán)隊(duì)得到了錘煉和成長(zhǎng),逐漸發(fā)展為一支擁有2名教授、2名副教授、3名博士畢業(yè)的青年科研骨干教師以及近30名博士、碩士研究生的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì),在一起,他們總是能形成一股強(qiáng)大的科研力量。而與陽光電源長(zhǎng)期的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)合作,其科研水平經(jīng)受了考驗(yàn),更是得到了升華。