電氣工程及其自動化專業(yè)基于數(shù)字仿真平臺的案例教學(xué)

唐曉玲

摘要：文章以電氣工程及其自動化專業(yè)的畢業(yè)要求和教學(xué)目標(biāo)為基本原則，提出了成果為導(dǎo)向的教學(xué)改革理念，以數(shù)字仿真平臺為工具的案例教學(xué)法的實施，符合工程教育認(rèn)證和卓越計劃的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；電自專業(yè)教學(xué)；成果導(dǎo)向

中圖分類號：G642.0；TM621 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0176-02

一、引言

大學(xué)教育活動中，教學(xué)內(nèi)容（教什么）和教學(xué)方法（如何教）的合理組合直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性以及教學(xué)的效率和質(zhì)量，也關(guān)系到教學(xué)目標(biāo)能否實現(xiàn)，教學(xué)任務(wù)能否完成。對于電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)課教學(xué)，專業(yè)性強，理論基礎(chǔ)和課程的承接性要求高，如果仍然采用傳統(tǒng)的“滿堂灌”講授模式[1]，雖然有利于教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮和教學(xué)目標(biāo)的完成，但學(xué)生一味被動接受，自主學(xué)習(xí)、自主探究的過程被忽視，學(xué)習(xí)效果較差。

二、電自專業(yè)教學(xué)改革理念

將電氣工程專業(yè)課程的教學(xué)模式改革為基于成果導(dǎo)向，教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果，并通過“成果是什么—為什么是這個成果—如何有效幫助學(xué)生取得成果—如何知道學(xué)生取得成果的效果”的教學(xué)設(shè)計，采用案例教學(xué)，利用既適應(yīng)工程實踐又滿足教學(xué)的數(shù)字仿真平臺（CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件），滿足本專業(yè)“能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復(fù)雜電氣工程問題”、“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜電氣工程問題，以獲得有效結(jié)論”、“能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜電氣工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論”、“能夠針對復(fù)雜電氣工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)姆抡婕夹g(shù)、設(shè)計工具、和信息技術(shù)工具，包括對復(fù)雜電氣工程問題的分析與模擬，并能夠理解其局限性”等畢業(yè)要求。

三、案例教學(xué)法及仿真平臺

案例教學(xué)是一種以案例為基礎(chǔ)和引導(dǎo)的教學(xué)方法，教師提出多個案例供學(xué)生分析，案例解決的答案并不唯一。教師于教學(xué)中扮演設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生積極參與討論。案例教學(xué)中的案例是真實存在的，具有很強的綜合性，這就要求學(xué)生不僅要具備基本的理論知識，還應(yīng)能審時度勢、決策果斷、權(quán)衡應(yīng)變。可以鼓勵學(xué)生獨立思考，綜合運用各種知識和靈活的技巧來處理并提出解決問題的方案。另外，案例重視雙向交流，從而取長補短。[2]

CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件能夠幫助電氣工程師進行便捷的電網(wǎng)方針、分析、規(guī)劃、設(shè)計和運行維護計算，是具有集成化、智能化和交互式的圖形化輔助計算工具，包括一次接線圖輔助設(shè)計環(huán)境、計算模塊、報表模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、工程數(shù)據(jù)庫、設(shè)備信息庫等部分。系統(tǒng)具有潮流計算分析、短路電流計算分析、配電網(wǎng)可靠性評估、理論線損計算分析、繼電保護協(xié)調(diào)、配網(wǎng)無功優(yōu)化計算、空間負荷預(yù)測及配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等專業(yè)計算分析功能。CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件教學(xué)版可以建立不超過30個節(jié)點的網(wǎng)架，模擬實際的縣級高壓配電網(wǎng)，使用繪圖編輯、參數(shù)選取、潮流計算、報表生成等功能，能夠滿足教學(xué)目標(biāo)中要求學(xué)生掌握基本的網(wǎng)架搭建、設(shè)備參數(shù)選擇與計算、潮流計算與分析、優(yōu)化潮流分布等要求。

四、基于仿真平臺的案例教學(xué)實施

在教學(xué)實踐中，教師將基于仿真平臺的案例教學(xué)實施分解為以下幾個主要部分：

1.任務(wù)引入：將學(xué)生進行隨機分組，提供給每組學(xué)生不同的縣級35kV及以上高壓配電網(wǎng)地理接線圖、網(wǎng)架和負荷運行參數(shù)等基礎(chǔ)資料，要求學(xué)生通過團隊合作的形式，利用CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件，搭建該地區(qū)高壓配網(wǎng)電氣接線圖并進行潮流計算，對計算結(jié)果進行分析并對該地區(qū)潮流的優(yōu)化提出解決辦法。

2.案例導(dǎo)讀：根據(jù)任務(wù)引入時提出的要求，教師引導(dǎo)學(xué)生按個人特點在組內(nèi)進行任務(wù)的分解，并要求學(xué)生首先梳理完成任務(wù)所需的相關(guān)教材內(nèi)容、關(guān)鍵知識點，明確案例需要達到的目的，并提出存在的疑問。

3.仿真平臺教學(xué)：教師根據(jù)學(xué)生已有的作圖和電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)，使用一個實例演示CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件作圖、搭建網(wǎng)架、選取元件參數(shù)、進行潮流計算，使學(xué)生在理解并掌握完成案例任務(wù)的方法和步驟后，舉一反三，再進入具體實施。

4.學(xué)生實踐：學(xué)生做好案例基礎(chǔ)資料分析、相關(guān)知識準(zhǔn)備后，開始利用CEES供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件的繪圖編輯面板，進行電氣接線單線圖的繪制，并通過軟件設(shè)備信息庫中的架空線路數(shù)據(jù)、電纜數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)等設(shè)定接線圖中包含的所有元件參數(shù)。單線圖及網(wǎng)架信息完善后，軟件支持多種潮流計算方法（快速分解法、前推回推法、牛頓法等）并實現(xiàn)最優(yōu)算法的自動選擇，可以實現(xiàn)母線、支路潮流，電壓、有功無功損耗，無功補償?shù)鹊挠嬎惴治觥８鶕?jù)潮流計算的初步結(jié)果，再適當(dāng)選擇改變網(wǎng)絡(luò)運行方式、變壓器分接頭、調(diào)節(jié)無功補償?shù)绒k法，確保網(wǎng)絡(luò)運行的設(shè)備傳輸功率不越限、線路和母線電壓水平合格、網(wǎng)絡(luò)損耗降低。

5.教師指導(dǎo)：教師在學(xué)生實踐過程中，需要對學(xué)生進行引導(dǎo)和啟發(fā)，對實踐過程中反映出來的共性的相關(guān)理論問題和實際問題要進行重點分析和講解，并作出理論總結(jié)歸納和升華。對于個性化問題和非原則性問題，鼓勵學(xué)生積極動手和創(chuàng)新，打破桎梏。

6.成果評價：案例教學(xué)最終需按組提交優(yōu)化后的潮流計算結(jié)果的電氣接線圖一張，潮流計算和分析說明書一份。成果的考核評價的導(dǎo)向應(yīng)該符合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)人才的培養(yǎng)方向；評價的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該與教學(xué)目標(biāo)及畢業(yè)要求指標(biāo)點標(biāo)準(zhǔn)保持一致；評價過程應(yīng)客觀科學(xué)；評價方式與教學(xué)過程應(yīng)該相適應(yīng)；評價形式應(yīng)該簡單易行；評價方式和評價內(nèi)容需持續(xù)改進。小組成果由教師給每個小組進行統(tǒng)一評分的同時，小組成員自行根據(jù)承擔(dān)任務(wù)量和完成質(zhì)量確定組內(nèi)成員的貢獻系數(shù)，綜合教師分?jǐn)?shù)和個人貢獻系數(shù)得到個人成績。教師根據(jù)成果提交時間（按時、遲交或未交）、完成態(tài)度（認(rèn)真或敷衍）、完成質(zhì)量（達到基本要求、有個人思考、有獨到見解、有較高創(chuàng)新性）、提交報告及圖紙的規(guī)范性（符合國家規(guī)范、較規(guī)范、不規(guī)范）等多個維度對每組成果進行評判。

五、實施效果評價

在電氣工程及其自動化的專業(yè)教學(xué)中利用仿真平臺實施案例教學(xué)，增強了教學(xué)的趣味性和實踐性，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被充分調(diào)動。案例教學(xué)的應(yīng)用拉近了課堂教學(xué)與系統(tǒng)實際情境的距離，有助于按照卓越工程師教育培養(yǎng)計劃進行人才培養(yǎng)，學(xué)生逐步學(xué)會通過動手摸索和主動思考來分析和解決問題，不再一味等待教師講解灌輸。團隊合作的任務(wù)安排，組內(nèi)和組間的交流討論充分讓學(xué)生體會取長補短的共贏合作模式以及良性的競爭氛圍。教師和學(xué)生能夠共同感覺到，案例教學(xué)法和仿真平臺的使用有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動性、提高學(xué)生解決問題的能力、增加學(xué)生之間的溝通合作、促使學(xué)生開拓視野、活躍思維。[3]這些優(yōu)勢與以成果為導(dǎo)向的專業(yè)課程目標(biāo)、畢業(yè)要求、卓越工程師和工程教育專業(yè)認(rèn)證的培養(yǎng)理念均十分契合。

六、結(jié)論

研究明確了電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)要求和教學(xué)目標(biāo)，并以此為依據(jù)確定了教學(xué)改革的基本原則和理念，以利用仿真平臺的案例教學(xué)法作為教學(xué)改革的實際操作手段進行了研究和實踐，取得了較好的實踐效果。但在具體實施過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問題。其中最為突出的，是案例導(dǎo)向的教學(xué)方法給任課教師提出了新的挑戰(zhàn)。教師不僅必須具有專業(yè)知識和豐富的交叉學(xué)科的相關(guān)知識，還必須具備豐富的教學(xué)經(jīng)驗、輔助平臺使用經(jīng)驗、工程實際實踐經(jīng)驗，要具有強大的提出問題和分析解決問題的能力以及良好的組織管理能力。另外，在互聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)達的今天，學(xué)生獲取知識的渠道早就不限于課堂，甚至獲取新知識的方法和能力還超過了教師，這就要求教師需要在課前花費更大的精力備課，才能在課堂上幫助學(xué)生在海量的互聯(lián)網(wǎng)資源中進行篩選和甄別?；跀?shù)字仿真平臺的案例教學(xué)在電氣工程及其自動化專業(yè)的教學(xué)中探索剛剛開始，教學(xué)方法、評價體系的完善還需進一步探索，學(xué)科組教師將在工作中不斷充實、完善，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]饒俊峰.對分課堂在電氣工程專業(yè)課程的應(yīng)用[J].課程教育研究，2016，（1）.

[2]李振興，等.以案例為導(dǎo)向的電氣工程課程研究方案[J].教育教學(xué)論壇，2017，（4）.

[3]米偉哲.案例教學(xué)法在工程實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2010，（3）.