翁國(guó)慶 戚軍 梁盛輝 黃飛騰

摘? 要：提出一種多向融合探究式課堂教學(xué)改革方案，并在“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程中進(jìn)行了實(shí)施。針對(duì)課程各章節(jié)核心知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)置探究式課題，以實(shí)現(xiàn)多種教學(xué)方式、課堂內(nèi)外、科研教學(xué)、關(guān)聯(lián)學(xué)科、評(píng)價(jià)機(jī)制的多向融合。實(shí)踐表明，所提教改方法可顯著提升專(zhuān)業(yè)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)融合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力。

關(guān)鍵詞：多向融合;探究式;電力系統(tǒng)自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）05-0136-03

Abstract： The paper puts forward a classroom teaching reform scheme of research-style with multi-directional integration approach in the course of "Automation of Electric Power Systems". Inquiry topics are set for the core knowledge points of each chapter of the course to achieve a multi-directional integration of multiple teaching methods， inside and outside the classroom， scientific research teaching， related disciplines， and evaluation mechanisms. Practices show that the proposed reform scheme can significantly improve the students' abilities of integration and application of interdisciplinary knowledge， innovative practice and complex engineering problem solving.

Keywords： multi-directional integration; research-style; power system automation

近年來(lái)，隨著教育部專(zhuān)業(yè)工程認(rèn)證工作的推廣，以及以出口為導(dǎo)向（OBE）教學(xué)理念的普及，在專(zhuān)業(yè)核心課程的建設(shè)和教學(xué)過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)教師愈加重視學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，以及專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的提升。

“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程的核心教學(xué)知識(shí)點(diǎn)包括電力系統(tǒng)中常用自動(dòng)裝置的實(shí)現(xiàn)要求、原理、方法和應(yīng)用，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化的功能、組成、應(yīng)用等。一方面，隨著智能電網(wǎng)、智慧能源、電力泛在物聯(lián)網(wǎng)等新概念的興起，電力系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化、智能化程度越來(lái)越高，其自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)所需涉及的知識(shí)領(lǐng)域、關(guān)聯(lián)技術(shù)不斷拓展，對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的知識(shí)維度和能力需求也越來(lái)越高。另一方面，作為典型的多學(xué)科知識(shí)交叉課程，其涉及教學(xué)內(nèi)容包括電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化相關(guān)的專(zhuān)業(yè)理論，也包括自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)、嵌入式智能裝置技術(shù)、決策策略和智能算法等，集理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件開(kāi)發(fā)、建模仿真、算法研究等為一體，非常適合專(zhuān)業(yè)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)融合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)和提升。

本文提出多向融合探究式課堂教學(xué)改革思路，并詳細(xì)描述其在“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程的實(shí)施方案以及典型案例。針對(duì)本課程核心章節(jié)知識(shí)，分別精心設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的探究式課題。每個(gè)課題任務(wù)均按照專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有較好的知識(shí)深度和廣度，內(nèi)容涉及原理分析、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、建模仿真、策略研究、算法研究等。課堂教改實(shí)施中，要求學(xué)生按照學(xué)習(xí)小組方式組團(tuán)隊(duì)，各團(tuán)隊(duì)可根據(jù)自身興趣和能力評(píng)估自由選擇至少其中兩個(gè)課題任務(wù)進(jìn)行實(shí)施，并在學(xué)期后期進(jìn)行集中性的答辯交流。課程團(tuán)隊(duì)多年的教學(xué)實(shí)踐表明，多向融合探究式課堂教學(xué)法對(duì)于本課程的課堂教學(xué)效果具有非常顯著的提升，對(duì)于專(zhuān)業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的提升具有很大幫助。

一、多向融合探究式課堂教學(xué)法

多向融合探究式課堂教學(xué)法的本質(zhì)，是在目標(biāo)課程的課堂教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，將“多向融合”教改思想和“探究式”教改模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。其核心目的在于：培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)融合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力，以及專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力。其實(shí)施關(guān)鍵在于：緊密結(jié)合目標(biāo)課程各章節(jié)核心知識(shí)點(diǎn)，充分融合相關(guān)學(xué)科關(guān)聯(lián)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)教師優(yōu)勢(shì)科研資源，合理設(shè)置一系列具有專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題特征的探索式課題任務(wù)，充分協(xié)調(diào)課堂內(nèi)外以小組形式實(shí)施探索任務(wù)，并配套合理、公正的過(guò)程性評(píng)價(jià)機(jī)制。

“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程是一門(mén)知識(shí)融合性很強(qiáng)、綜合能力要求很高的專(zhuān)業(yè)課程。一方面，課程內(nèi)容與實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性決定學(xué)生需要具有較強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力;另一方面，課程內(nèi)容涉及專(zhuān)業(yè)理論、裝置原理、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、算法策略等，決定其需要與專(zhuān)業(yè)廣聯(lián)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行較深度的融合。因此，在本課程課堂教學(xué)中引入多向融合探究式課堂教學(xué)法，必然可以產(chǎn)生很好的教學(xué)效果。

結(jié)合“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程特征，多向融合的具體實(shí)施內(nèi)容主要包括（在電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程教學(xué)中的內(nèi)涵）：

1. 認(rèn)識(shí)式教學(xué)與探究式教學(xué)方式的有機(jī)融合;

2. 優(yōu)勢(shì)科研資源與課程教學(xué)資源的反哺融合;

3. “第一課堂”理論和“第二課堂”實(shí)踐的融合;

4. 課程核心知識(shí)與多學(xué)科關(guān)聯(lián)知識(shí)的融合應(yīng)用;

5. 過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)機(jī)制融合。

二、多向融合探究式課題設(shè)計(jì)

（一）發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列知識(shí)模塊

設(shè)計(jì)的探究式課題名稱(chēng)為：“準(zhǔn)同期并列裝置開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”。課題任務(wù)主要包括：

1. 查閱文獻(xiàn)，綜述現(xiàn)有并列裝置實(shí)現(xiàn)方案;

2. 基于可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（VB、VC、Java、Python等），設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)準(zhǔn)同期并列程序，要求實(shí)現(xiàn)內(nèi)核算法，及可參數(shù)模擬調(diào)節(jié)、并列過(guò)程展示的界面（軟件方向）;

3. 基于嵌入式實(shí)驗(yàn)?zāi)K（單片機(jī)、DSP、ARM），或者PLC控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)準(zhǔn)同期并列裝置，要求可模擬準(zhǔn)同期并列實(shí)施邏輯和過(guò)程（硬件方向）。

（二）電壓和無(wú)功功率調(diào)節(jié)知識(shí)模塊

設(shè)計(jì)的探究式課題名稱(chēng)為：“勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真、分析與設(shè)計(jì)”。課題任務(wù)主要包括：

1. 基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建典型電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制仿真模型，利用根軌跡法分析其穩(wěn)定特性及缺陷;2. 基于Control System Toolbox，進(jìn)行系統(tǒng)模型補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，零、極點(diǎn)配置和參數(shù)修正，利用根軌跡法分析其穩(wěn)定性補(bǔ)償效果，獲得系統(tǒng)最優(yōu)穩(wěn)定補(bǔ)償方案。

（三）頻率和有功功率調(diào)節(jié)知識(shí)模塊

設(shè)計(jì)的探究式課題名稱(chēng)為：“異常情況下電力系統(tǒng)頻率一體化調(diào)控裝置”。課題任務(wù)主要包括：

基于嵌入式實(shí)驗(yàn)?zāi)K（單片機(jī)、DSP、ARM），或者PLC控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電力系統(tǒng)一體化頻率自動(dòng)控制裝置，要求可實(shí)現(xiàn)：1. 電力系統(tǒng)頻率實(shí)時(shí)檢測(cè);2. 電力系統(tǒng)冷備用發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng);3. 冷備用發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng)后的自動(dòng)準(zhǔn)同期并列;4. 系統(tǒng)低頻自動(dòng)減載。

（四）變電站綜合自動(dòng)化知識(shí)模塊

設(shè)計(jì)的探究式課題名稱(chēng)為：“變電站VQC策略研究及軟件開(kāi)發(fā)”。課題任務(wù)主要包括：

1. 查閱文獻(xiàn)，綜述目前系統(tǒng)常用的VQC產(chǎn)品;2. 分析對(duì)比，深入研究一種先進(jìn)的VQC策略;3. 基于可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)變電站VQC程序，要求實(shí)現(xiàn)內(nèi)核算法，以及可參數(shù)模擬調(diào)節(jié)、綜合控制過(guò)程展示的界面（軟件方向）;4. 基于嵌入式實(shí)驗(yàn)?zāi)K，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)VQC裝置，要求可模擬VQC實(shí)施邏輯和過(guò)程（硬件方向）。

（五）電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)知識(shí)模塊

設(shè)計(jì)的探究式課題名稱(chēng)為：“電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)算法研究及軟件開(kāi)發(fā)”。課題任務(wù)主要包括：

1. 查閱文獻(xiàn)，綜述目前系統(tǒng)常用的負(fù)荷預(yù)測(cè)算法;2. 深入研究?jī)煞N較先進(jìn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)算法原理;3. 基于常用編程語(yǔ)言（MALTAB、C、C++、Python等），編程開(kāi)發(fā)上述兩種負(fù)荷預(yù)測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)程序;4. 基于同一組歷史數(shù)據(jù)，對(duì)比分析兩種算法的負(fù)荷預(yù)測(cè)效果。

（六）開(kāi)放性課題模塊

考慮到部分學(xué)生已經(jīng)在課外深度參與了專(zhuān)業(yè)教師們的科研項(xiàng)目課題組，對(duì)于該類(lèi)與本課程知識(shí)內(nèi)容密切相關(guān)，學(xué)生自身又比較熟悉的課題，允許學(xué)生開(kāi)放性自主選題，進(jìn)行交流匯報(bào)，以擴(kuò)大課堂知識(shí)維度和深度，進(jìn)一步開(kāi)拓學(xué)生視野。開(kāi)放性課題例如：

1. 配電網(wǎng)電壓暫降源智能診斷與自動(dòng)定位;2. 含太陽(yáng)能發(fā)電配電系統(tǒng)電能質(zhì)量仿真;3. 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法研究及編程實(shí)現(xiàn);4. GIS技術(shù)在配電管理系統(tǒng)中的應(yīng)用;5. 變電站備用電源自投裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā);6. 基于Lyapunov的電力系統(tǒng)在線(xiàn)調(diào)度優(yōu)化。

三、多向融合探究式教改案例

（一）案例一：準(zhǔn)同期并列模擬裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列知識(shí)模塊中設(shè)置的“準(zhǔn)同期并列模擬裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”探索性課題，其核心任務(wù)為：基于可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)或者嵌入式控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種全自動(dòng)化準(zhǔn)同期并列裝置原型。準(zhǔn)同期并列控制要求在發(fā)電機(jī)合閘前通過(guò)調(diào)整待并機(jī)組的電壓和轉(zhuǎn)速，使并列斷路器兩端的電壓幅值、頻率、相角基本一致，根據(jù)“恒定越前時(shí)間原理”，自動(dòng)選擇合適時(shí)機(jī)發(fā)出合閘命令，目的是使機(jī)組投入電力系統(tǒng)后能被迅速、小擾動(dòng)地進(jìn)入同步狀態(tài)?；谠撜n題，學(xué)生可更深刻理解發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列的原理和機(jī)理，并進(jìn)行基于軟件方案、硬件方案的實(shí)踐探索。

案例實(shí)施中，一組學(xué)生采用了硬件設(shè)計(jì)方案：運(yùn)用TM4C1294型號(hào)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，編寫(xiě)的內(nèi)核程序可以很好實(shí)現(xiàn)并列的邏輯控制，編寫(xiě)的界面程序可以利用平臺(tái)點(diǎn)式電阻屏彩色顯示器直觀(guān)地模擬出準(zhǔn)同期并列過(guò)程，如圖1（a）所示。另一組學(xué)生采用了軟件設(shè)計(jì)方案：依據(jù)并列控制流程，基于VC++平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出程序界面，如圖1（b）所示，通過(guò)兩根不同顏色指針的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速變化來(lái)模擬系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)兩端的電壓差、頻率差以及相角差，快鍵菜單項(xiàng)可以用以并列條件模擬調(diào)整，界面文本和指針可以模擬并列控制過(guò)程。

（二）案例二：配電網(wǎng)電壓暫降源智能診斷與自動(dòng)定位

開(kāi)放性課題模塊中，以由于參加學(xué)院“優(yōu)才導(dǎo)師”項(xiàng)目，跟隨導(dǎo)師深度參與了題為“智能配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)源智能診斷”實(shí)際科研項(xiàng)目的一組學(xué)生為例，其主要任務(wù)為：搭建四種電壓暫降源引起的電壓暫降SIMULINK仿真模型，實(shí)現(xiàn)了基于小波分析算法的電壓暫降時(shí)間定位。

案例實(shí)施中，學(xué)生首先學(xué)習(xí)搭建了含分布式發(fā)電（DG）智能配電網(wǎng)的Simulink仿真模型，并在學(xué)習(xí)了解電網(wǎng)電壓暫降發(fā)生機(jī)理前提下，模擬仿真各種不同原因造成的暫降事件，并采集記錄三相電壓、電流暫降實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步學(xué)習(xí)小波變化法原理，并利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)暫降電壓、電流信號(hào)的多時(shí)間窗口擾動(dòng)信號(hào)特征值提取，如圖2所示?；诖?，可以非常清晰地自動(dòng)判斷監(jiān)測(cè)出目標(biāo)電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降擾動(dòng)的起止時(shí)間點(diǎn)（0.2s-0.3s）。

四、融合式評(píng)價(jià)機(jī)制實(shí)施

課程考核采用統(tǒng)籌考慮過(guò)程性評(píng)價(jià)成績(jī)和期末考核成績(jī)的綜合評(píng)價(jià)方法，并大大提升過(guò)程性評(píng)價(jià)的比重。過(guò)程評(píng)價(jià)成績(jī)主要由課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)情況、探究式課題表現(xiàn)等組成。

在實(shí)施探究式課題任務(wù)的過(guò)程性評(píng)價(jià)中，如何保證其公平性是難點(diǎn)，需兼顧各小組團(tuán)隊(duì)的綜合表現(xiàn)，以及團(tuán)隊(duì)中的個(gè)人表現(xiàn)。實(shí)施中，團(tuán)隊(duì)綜合表現(xiàn)可從任務(wù)難度、完成情況、答辯效果、報(bào)告質(zhì)量等多個(gè)方面進(jìn)行考核;個(gè)人表現(xiàn)可由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)，根據(jù)小組內(nèi)各成員貢獻(xiàn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)分的二次分配。

五、結(jié)束語(yǔ)

著眼于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，以及專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的提升，本文提出一種多向融合探究式課堂教學(xué)改革方法，并以“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程為例進(jìn)行實(shí)施。在對(duì)多向融合探究式教學(xué)法的本質(zhì)、目的、關(guān)鍵點(diǎn)和五點(diǎn)內(nèi)涵進(jìn)行論述分析的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)于本課程各章節(jié)核心知識(shí)點(diǎn)分別精心設(shè)計(jì)了探究式課題，詳細(xì)描述了各課題對(duì)應(yīng)的任務(wù)、方案路線(xiàn)等，并選擇其中3個(gè)具有代表性的課題案例，進(jìn)行了學(xué)生實(shí)施結(jié)果的展現(xiàn)。課題組多年的教學(xué)實(shí)踐表明：該教改方法對(duì)于專(zhuān)業(yè)學(xué)生的多學(xué)科知識(shí)融合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力具有顯著的提升。

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