多向融合探究式課堂教學改革

翁國慶 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改革方案，并在“電力系統自動化”課程中進行了實施。針對課程各章節核心知識點對應設置探究式課題，以實現多種教學方式、課堂內外、科研教學、關聯學科、評價機制的多向融合。實踐表明，所提教改方法可顯著提升專業學生多學科知識融合應用能力、創新實踐能力和復雜工程問題解決能力。

關鍵詞：多向融合;探究式;電力系統自動化

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，隨著教育部專業工程認證工作的推廣，以及以出口為導向（OBE）教學理念的普及，在專業核心課程的建設和教學過程中，專業教師愈加重視學生創新實踐能力培養，以及專業復雜工程問題解決能力的提升。

“電力系統自動化”課程的核心教學知識點包括電力系統中常用自動裝置的實現要求、原理、方法和應用，以及遠程監控與調度自動化的功能、組成、應用等。一方面，隨著智能電網、智慧能源、電力泛在物聯網等新概念的興起，電力系統自動化、信息化、智能化程度越來越高，其自動化實現所需涉及的知識領域、關聯技術不斷拓展，對專業人才的知識維度和能力需求也越來越高。另一方面，作為典型的多學科知識交叉課程，其涉及教學內容包括電力系統自動裝置、遠程監控與調度自動化相關的專業理論，也包括自動控制理論、計算機和通信技術、嵌入式智能裝置技術、決策策略和智能算法等，集理論分析、系統設計、軟硬件開發、建模仿真、算法研究等為一體，非常適合專業學生多學科知識融合應用能力、創新實踐能力和復雜工程問題解決能力的培養和提升。

本文提出多向融合探究式課堂教學改革思路，并詳細描述其在“電力系統自動化”課程的實施方案以及典型案例。針對本課程核心章節知識，分別精心設計對應的探究式課題。每個課題任務均按照專業復雜工程問題的理念進行設計，使其具有較好的知識深度和廣度，內容涉及原理分析、軟件設計、硬件設計、建模仿真、策略研究、算法研究等。課堂教改實施中，要求學生按照學習小組方式組團隊，各團隊可根據自身興趣和能力評估自由選擇至少其中兩個課題任務進行實施，并在學期后期進行集中性的答辯交流。課程團隊多年的教學實踐表明，多向融合探究式課堂教學法對于本課程的課堂教學效果具有非常顯著的提升，對于專業學生創新實踐能力和復雜工程問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法

多向融合探究式課堂教學法的本質，是在目標課程的課堂教學實施過程中，將“多向融合”教改思想和“探究式”教改模式進行有機結合。其核心目的在于：培養學生多學科知識融合應用能力、創新實踐能力，以及專業復雜工程問題解決能力。其實施關鍵在于：緊密結合目標課程各章節核心知識點，充分融合相關學科關聯知識和專業教師優勢科研資源，合理設置一系列具有專業復雜工程問題特征的探索式課題任務，充分協調課堂內外以小組形式實施探索任務，并配套合理、公正的過程性評價機制。

“電力系統自動化”課程是一門知識融合性很強、綜合能力要求很高的專業課程。一方面，課程內容與實際系統應用的強關聯特性決定學生需要具有較強的創新實踐和復雜工程問題解決能力;另一方面，課程內容涉及專業理論、裝置原理、系統開發、算法策略等，決定其需要與專業廣聯學科知識進行較深度的融合。因此，在本課程課堂教學中引入多向融合探究式課堂教學法，必然可以產生很好的教學效果。

結合“電力系統自動化”課程特征，多向融合的具體實施內容主要包括（在電力系統自動化課程教學中的內涵）：

1. 認識式教學與探究式教學方式的有機融合;

2. 優勢科研資源與課程教學資源的反哺融合;

3. “第一課堂”理論和“第二課堂”實踐的融合;

4. 課程核心知識與多學科關聯知識的融合應用;

5. 過程性評價和終結性評價的評價機制融合。

二、多向融合探究式課題設計

（一）發電機自動并列知識模塊

設計的探究式課題名稱為：“準同期并列裝置開發與應用”。課題任務主要包括：

1. 查閱文獻，綜述現有并列裝置實現方案;

2. 基于可視化軟件開發平臺（VB、VC、Java、Python等），設計開發準同期并列程序，要求實現內核算法，及可參數模擬調節、并列過程展示的界面（軟件方向）;

3. 基于嵌入式實驗模塊（單片機、DSP、ARM），或者PLC控制器，設計開發準同期并列裝置，要求可模擬準同期并列實施邏輯和過程（硬件方向）。

（二）電壓和無功功率調節知識模塊

設計的探究式課題名稱為：“勵磁系統穩定器仿真、分析與設計”。課題任務主要包括：

1. 基于MATLAB/Simulink仿真平臺，構建典型電力系統勵磁控制仿真模型，利用根軌跡法分析其穩定特性及缺陷;2. 基于Control System Toolbox，進行系統模型補償環節設計，零、極點配置和參數修正，利用根軌跡法分析其穩定性補償效果，獲得系統最優穩定補償方案。

（三）頻率和有功功率調節知識模塊

設計的探究式課題名稱為：“異常情況下電力系統頻率一體化調控裝置”。課題任務主要包括：

基于嵌入式實驗模塊（單片機、DSP、ARM），或者PLC控制器，設計開發電力系統一體化頻率自動控制裝置，要求可實現：1. 電力系統頻率實時檢測;2. 電力系統冷備用發電機組自啟動;3. 冷備用發電機組自啟動后的自動準同期并列;4. 系統低頻自動減載。

（四）變電站綜合自動化知識模塊

設計的探究式課題名稱為：“變電站VQC策略研究及軟件開發”。課題任務主要包括：

1. 查閱文獻，綜述目前系統常用的VQC產品;2. 分析對比，深入研究一種先進的VQC策略;3. 基于可視化軟件開發平臺，設計開發變電站VQC程序，要求實現內核算法，以及可參數模擬調節、綜合控制過程展示的界面（軟件方向）;4. 基于嵌入式實驗模塊，設計開發VQC裝置，要求可模擬VQC實施邏輯和過程（硬件方向）。

（五）電力調度自動化系統知識模塊

設計的探究式課題名稱為：“電力系統負荷預測算法研究及軟件開發”。課題任務主要包括：

1. 查閱文獻，綜述目前系統常用的負荷預測算法;2. 深入研究兩種較先進的負荷預測算法原理;3. 基于常用編程語言（MALTAB、C、C++、Python等），編程開發上述兩種負荷預測算法的實現程序;4. 基于同一組歷史數據，對比分析兩種算法的負荷預測效果。

（六）開放性課題模塊

考慮到部分學生已經在課外深度參與了專業教師們的科研項目課題組，對于該類與本課程知識內容密切相關，學生自身又比較熟悉的課題，允許學生開放性自主選題，進行交流匯報，以擴大課堂知識維度和深度，進一步開拓學生視野。開放性課題例如：

1. 配電網電壓暫降源智能診斷與自動定位;2. 含太陽能發電配電系統電能質量仿真;3. 電力系統狀態估計算法研究及編程實現;4. GIS技術在配電管理系統中的應用;5. 變電站備用電源自投裝置設計開發;6. 基于Lyapunov的電力系統在線調度優化。

三、多向融合探究式教改案例

（一）案例一：準同期并列模擬裝置設計與開發

發電機自動并列知識模塊中設置的“準同期并列模擬裝置設計與開發”探索性課題，其核心任務為：基于可視化軟件開發平臺或者嵌入式控制器，設計開發一種全自動化準同期并列裝置原型。準同期并列控制要求在發電機合閘前通過調整待并機組的電壓和轉速，使并列斷路器兩端的電壓幅值、頻率、相角基本一致，根據“恒定越前時間原理”，自動選擇合適時機發出合閘命令，目的是使機組投入電力系統后能被迅速、小擾動地進入同步狀態。基于該課題，學生可更深刻理解發電機準同期并列的原理和機理，并進行基于軟件方案、硬件方案的實踐探索。

案例實施中，一組學生采用了硬件設計方案：運用TM4C1294型號單片機實驗平臺，編寫的內核程序可以很好實現并列的邏輯控制，編寫的界面程序可以利用平臺點式電阻屏彩色顯示器直觀地模擬出準同期并列過程，如圖1（a）所示。另一組學生采用了軟件設計方案：依據并列控制流程，基于VC++平臺設計開發出程序界面，如圖1（b）所示，通過兩根不同顏色指針的長度和轉速變化來模擬系統電壓和發電機兩端的電壓差、頻率差以及相角差，快鍵菜單項可以用以并列條件模擬調整，界面文本和指針可以模擬并列控制過程。

（二）案例二：配電網電壓暫降源智能診斷與自動定位

開放性課題模塊中，以由于參加學院“優才導師”項目，跟隨導師深度參與了題為“智能配電網電能質量擾動源智能診斷”實際科研項目的一組學生為例，其主要任務為：搭建四種電壓暫降源引起的電壓暫降SIMULINK仿真模型，實現了基于小波分析算法的電壓暫降時間定位。

案例實施中，學生首先學習搭建了含分布式發電（DG）智能配電網的Simulink仿真模型，并在學習了解電網電壓暫降發生機理前提下，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、電流暫降實時數據。進一步學習小波變化法原理，并利用MATLAB編程實現暫降電壓、電流信號的多時間窗口擾動信號特征值提取，如圖2所示。基于此，可以非常清晰地自動判斷監測出目標電網發生電壓暫降擾動的起止時間點（0.2s-0.3s）。

四、融合式評價機制實施

課程考核采用統籌考慮過程性評價成績和期末考核成績的綜合評價方法，并大大提升過程性評價的比重。過程評價成績主要由課堂表現、平時作業、實驗情況、探究式課題表現等組成。

在實施探究式課題任務的過程性評價中，如何保證其公平性是難點，需兼顧各小組團隊的綜合表現，以及團隊中的個人表現。實施中，團隊綜合表現可從任務難度、完成情況、答辯效果、報告質量等多個方面進行考核;個人表現可由組長負責，根據小組內各成員貢獻度進行評價分的二次分配。

五、結束語

著眼于學生創新實踐能力培養，以及專業復雜工程問題解決能力的提升，本文提出一種多向融合探究式課堂教學改革方法，并以“電力系統自動化”課程為例進行實施。在對多向融合探究式教學法的本質、目的、關鍵點和五點內涵進行論述分析的基礎上，對應于本課程各章節核心知識點分別精心設計了探究式課題，詳細描述了各課題對應的任務、方案路線等，并選擇其中3個具有代表性的課題案例，進行了學生實施結果的展現。課題組多年的教學實踐表明：該教改方法對于專業學生的多學科知識融合應用能力、創新實踐能力和復雜工程問題解決能力具有顯著的提升。

參考文獻：

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[4]翁國慶，黃飛騰，南余榮，等.新興特色專業科研反哺教學多向融合機制探析[J].電氣電子教學學報，2017，39（6）：23-26.