電氣工程及其自動化工程教育教學模式探究

張建平 謝明 李海英

摘? ? 要：隨著社會的不斷進步與發(fā)展，工程教育的重要性逐步提高，同時工程教育畢業(yè)生理論與實踐相結合能力不足的問題也越來越凸顯。鑒于此，文章以電氣工程及其自動化學科為例，采用定位學科相關領域前沿工程、明確工程教育教學內(nèi)容以及建立“產(chǎn)學研”合作平臺來改進工程教育的教學模式，以此進一步提升學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：電氣工程及其自動化;工程教育;教學模式;前沿工程;產(chǎn)學研

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）06-0032-03

在推動電氣工程技術的發(fā)展與工程問題的解決上，由電氣工程及其自動化學科工程教育所培養(yǎng)的畢業(yè)生發(fā)揮了重要作用。電氣工程學科旨在培養(yǎng)能進行電氣技術方面綜合開發(fā)和應用的高素質應用型人才[1-4]。該學科是一門實踐性很強的學科[5-7]，為了解決電氣生產(chǎn)與運行當中存在的復雜問題，以及提高電氣工程學科學生的素質和水平，電氣工程及其自動化學科工程教育應運而生。

然而，隨著我國電力工程的不斷發(fā)展，在工程實際中，不僅電氣生產(chǎn)與運行當中產(chǎn)生的問題變得越來越復雜和難以解決[8-10]，而且電氣生產(chǎn)以及運行的技術門檻也在不斷提高，這就對電氣工程及自動化專業(yè)學生理論與實踐相結合的能力提出更高的要求。因此，如何使工程教育培養(yǎng)的學生具有較強的理論與實踐相結合的能力變得尤為關鍵[11-14]。

在電氣工程及其自動化工程教育培養(yǎng)的研究上，李昂等以課程為重點探討了持續(xù)改進的措施，為培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識作出了貢獻，但創(chuàng)新培養(yǎng)不是工程教育的主要目的。電氣工程及其自動化工程教育教學內(nèi)容逐步與前沿技術相脫軌[15-18]，因此，有必要在教學內(nèi)容上予以改進來提升工程教育培養(yǎng)質量。

“產(chǎn)學研”是一個很好的培養(yǎng)模式[19-25]，相較于單純在企實習以及在校學習，該模式能夠讓學生將在課堂上學習得到的理論知識更好地應用到企業(yè)生產(chǎn)實踐當中，這不但能夠提升學生對理論知識重要性的認識，而且能夠讓學生更好地接觸并了解到更為復雜的實際生產(chǎn)問題，更好地提高學生理論與實踐相結合的能力[26-30]。

因此，為培養(yǎng)出具有較強理論與實踐相結合能力的電氣工程及其自動化工程教育畢業(yè)生，本文首先對電氣工程領域的前沿工程進行了定位，并明確了教學內(nèi)容，其次引領學生參與高校科研項目，教授前沿工程領域的最新技術，最后結合“產(chǎn)學研”培養(yǎng)方法來改進教學模式。

一、定位前沿工程，明確教學內(nèi)容

風電是新能源發(fā)電領域的一個重要的方向。風電技術中應用了大量的電氣工程及其自動化學科相關專業(yè)知識。相比于陸上風能，海上風能儲量更大，分布更廣，風速也更加持久穩(wěn)定，風電場向深遠海域擴展成為必然。全球新增風電裝機容量逐年增長，然而，由于內(nèi)陸以及近海風場的開發(fā)逐步趨于飽和，因此，風力發(fā)電有著逐漸從陸地走向海洋，從淺海走向深海域的趨勢。

風資源評估是風電場建設的基礎性工作，其中風能資源的長期變化直接關系到風電開發(fā)的經(jīng)濟效益以及用電安全，而風能資源長期變化的本質是風速變化。因此，風速預測的精度不僅直接影響發(fā)電量的多少，而且影響國民生活和生產(chǎn)。可以預見，海上風電場能夠高效、經(jīng)濟且穩(wěn)定發(fā)電的關鍵就在于準確的風資源評估。

本文以深遠海域風資源評估前沿工程為例，將風速預測作為教學內(nèi)容來開展教學與實踐，以期為其他前沿工程的教學應用到電氣工程及其自動化學科工程教育模式上提供參考。

二、參與科研，扎實理論

風資源評估是風電技術中的重要組成部分。目前，陸上與近海風電場的風資源評估精度不高，而深遠海域風資源評估的偏差更大。這一方面是由電氣工程及其自動化學科在風速預測技術上的落后而引起，另一方面是因為沒有完全掌握哪種因素對風速預測影響較大而導致。

為此，在工程教育的教學模式上，筆者結合電氣工程及其自動化學科特點，通過讓學生參與到深遠海風資源評估的科研項目當中，使學生接觸并學習到最新的人工智能算法與理論知識，同時開展教學實例的學習，來鞏固學生的理論基礎。

（一）風資源風能分布的實踐

風能分布是評價風資源的一種重要指標，風能分布的情況可用于指導風力機的選型、設計以及風電場風力機的排布。準確地分析風能分布有助于更加科學地設計風電場，可使風電場保持電能輸出，從而進一步提高受益，反之則會導致風電場效益下降與成本虧損的后果。

圖1為上海蘆潮港地區(qū)2005年風速與風能分布情況。在課堂教學與科研中，對風能分布的知識進行講授和讓學生親自使用相關軟件以及方法得到結果，不但能夠使學生深入了解并熟悉風速以及風能分布的理論知識，而且能夠了解風能分布如何應用及該理論如何指導生產(chǎn)實踐，同時又能讓學生學習到該領域研究所使用的軟件以及相關技能。這不僅能夠激發(fā)學生的學習熱情，還能讓理論知識不再枯燥無味。

（二）風速預測技術的實踐

風速預測是電氣工程及其自動化學科的一個重要研究領域。風速預測技術不僅可為風資源評估提供參考，而且可以為電網(wǎng)穩(wěn)定運行、風力機槳葉控制策略的制定提供支持，該技術的研究具有十分廣闊的應用前景。然而，風速預測技術是一項較為不成熟的技術，同時，在風速預測準確度上，無論是學術界還是企業(yè)界的成果都不甚理想。

近年來，隨著人工智能的興起，部分人工智能模型被應用于工程實踐當中。因此，電氣工程及其自動化學科的教學可圍繞如何利用人工智能算法來解決風速預測精度不足的問題。圖2為利用粒子群算法（ParticleSwarm Optimization，PSO）、布谷鳥算法（Cuckoo Search Algorithm，CSA）以及其改進的算法來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡后開展的風速預測曲線圖。通過該科研內(nèi)容與實例的教學，引起學生對風速預測技術的興趣，這不僅可以讓學生了解與熟悉專業(yè)領域內(nèi)的最新技術，也可深入地培養(yǎng)學生在算法改進方面的創(chuàng)新思維，如此可為培養(yǎng)優(yōu)秀的電氣工程及其自動化學科工程教育畢業(yè)生打下堅實的基礎。

三、“產(chǎn)學研”平臺提升理論與實踐結合能力

良好的理論是應用的基礎，而“產(chǎn)學研”則是理論應用于實踐的平臺。讓電氣工程及其自動化學科的學生深入企業(yè)去熟悉與了解生產(chǎn)一線環(huán)境，通過將豐富的實踐與良好的教學有機結合，去發(fā)現(xiàn)并解決存在的問題，這不僅可使企業(yè)不斷攻克工程難題，也可鍛煉學生理論與實踐相結合的能力。

在深遠海域風力發(fā)電技術研究方面，通過與企業(yè)開展“產(chǎn)學研”合作，目前已培養(yǎng)了本學科兩屆畢業(yè)生，獲得了用人單位的良好認可，培養(yǎng)期間發(fā)表多篇論文并申請專利2項，為企業(yè)解決了多項技術瓶頸問題。由此可見，學生理論與實踐相結合的能力在通過“產(chǎn)學研”平臺的鍛煉后得到了有力提升。

四、結語

本文以電氣工程及其自動化學科工程教育為例，通過“產(chǎn)學研”平臺使得學生的能力得到了鍛煉，主要結論如下。

1.在理論學習方面，將人工智能引入到解決工程問題當中，并借助風能分布與風速預測兩個內(nèi)容的講授與實例實踐，一方面提高了學生的學習興趣，另一方面鍛煉了學生在各方面的技能，筑牢了學生在風電技術領域的理論基礎。

2.通過在“產(chǎn)學研”平臺的鍛煉，電氣工程及其自動化學科的學生能夠認識與了解到風資源評估在生產(chǎn)實際中存在的問題，在為企業(yè)解決實際復雜工程問題的同時培養(yǎng)了學生的動手實踐能力。

3.本文的教學模式切實提升了本學科學生理論與實踐相結合的能力，不僅能為企業(yè)攻克技術難題提供一種合作途徑，而且與工程教育培養(yǎng)目標一致，這可為其他學科在工程教育教學模式上進行改進提供參考。

參考文獻：

[1]楊章勇，閆群民，馬永翔.電氣工程專業(yè)實踐教學改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2020（12）.

[2]李謙.卓越電氣工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的探索與實踐[J].高教學刊，2019（14）.

[3]古翠鳳，劉雅婷.行業(yè)協(xié)會參與校企深度合作育人模式建構[J].中國高校科技，2020（10）.

[4]李昂，馬永翔，閆群民.工程教育認證背景下電氣工程及其自動化專業(yè)建設探索與實踐[J].教育教學論壇， 2020（1）.

[5]鄭龍章.研究生導師評價標準優(yōu)化設定的思考——基于立德樹人”的考量[J].中國高校科技，2020（10）.

[6]李晶，陳思，于微波，等.“新工科”背景下教學模式的探討與構建——以電氣工程及其自動化專業(yè)為例[J].工業(yè)和信息化教育，2019（9）.

[7]趙紅，牛小兵，朱景偉.“以學生為中心”的電氣工程及其自動化專業(yè)課程教學模式設計與實踐[J].教育教學論壇，2019（33）.

[8]魯敏，王洪坤，岑紅蕾.應用型電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學模式探索[J].中國教育技術裝備，2013（27）.

[9]謝衛(wèi)才，黃紹平，李靖，等.應用型電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學模式探索[J].電氣電子教學學報，2008（S1）.

[10]陳麗平，羅明星.論美國大學教學體系中的志愿服務課程[J].現(xiàn)代大學教育，2016（2）.

[11]徐林菊，趙欣，嚴立甫.新工科背景下高校專業(yè)課程現(xiàn)場教學模式探討——以電氣工程及其自動化專業(yè)“供配電技術”課程為例[J].科教導刊（下旬刊），2020（10）.

[12]杜曉燕，張坤平，曹浩.電氣工程及其自動化實踐教學模式探究[J].科技資訊，2020（13）.

[13]原琳，蔡敏夫.電氣工程及其自動化專業(yè)教學模式改革探析[J].課程教育研究，2017（27）.

[14]宋起超，楊春光，喬爽，等.應用型本科院校電氣工程及其自動化專業(yè)多元化實踐教學模式的構建[J].中國冶金教育，2010（2）.

[15]孫云山，張立毅，耿艷香，等.工科專業(yè)課思政教育“一線二紅四維”創(chuàng)新教學模式探索[J].大學教育，2020（8）.

[16]楊風開，李紅斌，尹仕.工科專業(yè)教育融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學模式[J].高教學刊，2019（13）.

[17]李寶平，王妍.基于OBE理念的工科課程反轉教學模式探究——以“隨機信號分析”課程為例[J].教育現(xiàn)代化，2019（96）.

[18]鄭應友.國外工程教育模式對我國新工科教育教學模式改革的啟示[J].鄭州航空工業(yè)管理學院學報（社會科學版），2018（6）.

[19]劉紀達，安實，王健.高校國防科技智庫的建設現(xiàn)狀與路徑選擇[J].中國高校科技，2020（10）.

[20]邵麗君.現(xiàn)代遠程教育工科實踐教學模式探索[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015（2）.

[21]冀杰，唐超，彭和.論工科創(chuàng)業(yè)教育中的研究性POPBL教學模式[J].教育與教學研究，2014（7）.

[22]侯彥東，周毅，張勇.高校工科教育理論實踐一體化教學模式研究——嵌入式專業(yè)教學改革的探索與實踐[J].電子制作，2014（8）.

[23]曹周紅，劉曉平，鄒開明，等.高等工科教育研究型課程教學模式的研究[J].中國電力教育，2010（6）.

[24]朱飛，黃英杰，孟嬌.基于五個維度的大學國際化發(fā)展探析[J].黑龍江高教研究，2019（2）.

[25]劉文麗，程杉，李世春，等.基于工程教育理念的電氣工程專業(yè)課教學模式探索[J].新課程研究（中旬刊），2018（7）.

[26]蔣琦瑋.“雙一流”建設高校研究生教育國際化探究[J].現(xiàn)代大學教育，2019（4）.

[27]梁有勇.基于創(chuàng)新型教學理念的電氣工程教育質量保證體系研究[J].冶金管理，2020（21）.

[28]孫金根，付麗君，吳東升.電力電子技術課程工程化教學模式探索和實踐[J].大學教育，2017（4）.

[29]李文才，彭程，賈新立，等.基于工程教育專業(yè)認證的實踐教學體系設計——以電氣工程及其自動化專業(yè)為例[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（19）.

[30]陳雷，強成文.工程教育認證視域下應用型本科院校畢業(yè)生跟蹤反饋機制探析[J].大學教育，2017（12）.

[責任編輯? 姜? ? 雯]

收稿日期：2021-11-04

作者簡介：張建平（1972—），男，江蘇南京人，上海理工大學機械工程學院教授，博士，主要從事新能源發(fā)電及智能電網(wǎng)研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目“多電場靜電除塵器中PM2.5磁約束脫除機理及智能預測研究”（12172228）;國家自然科學基金資助項目“磁場環(huán)境下靜電除塵器中PM2.5捕集的多場耦合機理與PIV實驗研究”（11572187）;上海市科學技術委員會資助項目“基于人工智能模型的深遠海域風資源評估系統(tǒng)的研究”（18DZ1202105）