電氣工程及其自動化專業(yè)課程實踐教學(xué)改革

方勝利 侯貿(mào)軍 馬春艷 劉 杰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

電氣工程及其自動化專業(yè)涉及的專業(yè)知識煩瑣，而且內(nèi)容相對抽象，不易理解及掌握。為使學(xué)生系統(tǒng)掌握專業(yè)知識、深刻理解專業(yè)應(yīng)用、切實提高電力工程實踐能力，需將電氣專業(yè)理論與電力工程應(yīng)用結(jié)合起來，以達到學(xué)以致用的目的[1]。目前大多數(shù)高校的電氣工程專業(yè)均以專業(yè)課程為主線，將實踐環(huán)節(jié)穿插至各課程中，每門課程都開設(shè)有針對課程知識點的實驗，企圖通過簡單疊加的方式構(gòu)建完整的專業(yè)實踐體系。而由于電氣工程專業(yè)的系統(tǒng)性，學(xué)生很難通過各課程實驗環(huán)節(jié)構(gòu)建完整而系統(tǒng)的專業(yè)體系。此外，由于本專業(yè)涉及高電壓、大電流的強電領(lǐng)域，實體實驗存在較大的危險性，導(dǎo)致學(xué)生實際動手操作有限，實驗均以實驗測試、數(shù)據(jù)分析為主，無法理解其深層次的實驗核心要素，導(dǎo)致實驗效果較差[2]。

基于此，目前開設(shè)有電氣工程及其自動化專業(yè)的各大高校開始探索具有一定針對性的實踐教學(xué)改革，包含實踐的教學(xué)理念、教學(xué)方案、教學(xué)方法、教學(xué)環(huán)境、指導(dǎo)方法、結(jié)果評價等方面[3-5]，這些改革措施或方法雖然能在一定程度上克服當(dāng)前電氣工程專業(yè)實驗教學(xué)存在的弊端，但由于著眼點較低、關(guān)注面較窄，并沒有根本解決實踐教學(xué)體系方面的問題，因此改革效果有待進一步提升。

本文從提高電氣工程及其自動化專業(yè)實踐效果、培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)綜合應(yīng)用能力角度出發(fā)，摒棄傳統(tǒng)分離化的課程實驗教學(xué)方式，在梳理并整合本專業(yè)關(guān)鍵知識點的基礎(chǔ)上，在適當(dāng)?shù)姆抡孳浖脚_上搭建包含各專業(yè)課程關(guān)鍵知識點的綜合性電力工程實驗仿真模型，使學(xué)生在了解電力工程背景的基礎(chǔ)上采用虛擬仿真手段開展在不同的專業(yè)學(xué)習(xí)階段針對不同的知識點開展虛擬仿真實驗，最終完成系統(tǒng)性電力工程實驗。

1 梳理并整合專業(yè)核心知識點

針對電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標和各課程的畢業(yè)要求指標點，梳理相關(guān)專業(yè)課程的核心知識點，主要包括：

學(xué)科基礎(chǔ)課：大學(xué)物理、電路、自動控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等。此類課程主要為后期專業(yè)課程提供基本的分析原理及分析對象特性，主要講授電/磁/光特性、基本電路原理、控制原理、電子器件特性及應(yīng)用等，核心知識點有電磁感應(yīng)原理、電路直流/交流分析方法、控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性判定/動態(tài)參數(shù)分析方法、分離無源器件及集成電路的特性及應(yīng)用等。

專業(yè)基礎(chǔ)課：電氣工程專業(yè)導(dǎo)論、電氣工程基礎(chǔ)、電機學(xué)等，此類課程主要為核心專業(yè)課提供基本的理論知識，主要講授電力系統(tǒng)組成、電氣工程核心技術(shù)及設(shè)備、電能的運行機理及特性等，核心知識點有電力系統(tǒng)構(gòu)架、電網(wǎng)一/二次設(shè)備及作用、電力系統(tǒng)運行及調(diào)節(jié)機理、機電能量轉(zhuǎn)換機理、電能變換機理、電磁感應(yīng)原理、電力系統(tǒng)中各類電機工作特性及應(yīng)用等。

專業(yè)核心課：電力系統(tǒng)分析、繼電保護原理、發(fā)電廠電氣部分、電力系統(tǒng)自動裝置、電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動化、高電壓技術(shù)、電能質(zhì)量與控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、工業(yè)電氣與控制技術(shù)等。此類課程主要采用學(xué)科基礎(chǔ)課及專業(yè)基礎(chǔ)課的相關(guān)理論對電力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備進行調(diào)節(jié)和控制，并結(jié)合相關(guān)的電力技術(shù)對電力系統(tǒng)進行設(shè)計、分析和驗證。核心知識點有電力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的辨識和控制、繼電保護設(shè)備的參數(shù)整定、電力設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制、電力監(jiān)控與調(diào)度、電力變流原理及應(yīng)用、電網(wǎng)一、二次系統(tǒng)設(shè)計等。

根據(jù)以上專業(yè)核心知識點的屬性進行有機整合，即以各知識點在電氣工程中的作用點為標準進行分類，為后期仿真模型中各知識點的融入和各知識點實驗的開展打下基礎(chǔ)。

2 選擇適當(dāng)仿真軟件

由于電氣專業(yè)涉及高電壓、大電流等強電領(lǐng)域，實體實踐操作具有較高的危險性，且電力系統(tǒng)組成所涉及的電力設(shè)備較多，建設(shè)實體實踐平臺的投資較大，故目前主要通過在構(gòu)建電力仿真環(huán)境的基礎(chǔ)上進行虛擬仿真的方式進行專業(yè)實踐。

目前應(yīng)用于電氣工程專業(yè)領(lǐng)域的仿真軟件較多，如MATLAB、PSASP、PPS/E、PSD-BPA、EMTP/ATP、DIgSILENT/PowerFactory、PSCAD在綜合考慮后期仿真實驗的操作便利性、仿真精度、過程可觀性等因素的基礎(chǔ)上，選用PSCAD進行電力系統(tǒng)仿真，其采用時域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程（包括電磁和機電兩個系統(tǒng)），仿真結(jié)果精確度高，同時PSCAD允許用戶在圖形環(huán)境下靈活地搭建具有完整調(diào)節(jié)參數(shù)的電力系統(tǒng)模型，具有較高的人機交互性。此外，其支持在線式參數(shù)調(diào)整，提高仿真實時性，且內(nèi)部集成有豐富的圖形控件，方便用戶搭建所需的仿真模型，以提高仿真效率。

3 搭建系統(tǒng)性實驗仿真模型

完成本專業(yè)關(guān)鍵知識點的梳理和整合后，在選用的仿真軟件中搭建包含各關(guān)鍵知識點的綜合性電氣工程實驗仿真模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合性電氣工程實驗仿真模型結(jié)構(gòu)圖

該仿真模型以完整電氣工程為背景，集成了發(fā)電、變電、輸電、配電及用電等各環(huán)節(jié)，并將本專業(yè)各核心知識點有針對性的融入各環(huán)節(jié)中，既保證了實驗環(huán)境的完整性，又體現(xiàn)了電氣工程專業(yè)知識的系統(tǒng)性，同時該模型將具體的電力工程與專業(yè)知識緊密結(jié)合，從而凸顯了實踐環(huán)節(jié)的工程屬性，有利于學(xué)生系統(tǒng)性把握本專業(yè)知識體系，深刻認識各專業(yè)知識點在實際電力工程中的具體應(yīng)用，切實提高學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識解決實際電力工程問題的能力，完成了從知識到能力的升華，為提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)提供實踐平臺。

此外，根據(jù)學(xué)生對本專業(yè)知識的學(xué)習(xí)進度，該模型可通過仿真后臺進行有效管理：在大學(xué)一至三年級的各專業(yè)課程學(xué)習(xí)階段，可通過開關(guān)控制將部分電力環(huán)節(jié)透明化，而保留核心知識點相關(guān)的實驗?zāi)Ｐ筒糠郑苑朗艿侥Ｐ椭衅渌h(huán)節(jié)的影響或干擾，便于學(xué)生針對各分離知識點進行深刻理解和掌握；在大四學(xué)年，則將本實驗?zāi)Ｐ偷乃协h(huán)節(jié)開放，學(xué)生對整個電力工程進行仿真實驗，從而綜合應(yīng)用本專業(yè)所有的核心知識點對實驗現(xiàn)象進行分析、研究及總結(jié)，以加強學(xué)生對電力工程的系統(tǒng)性思維訓(xùn)練，提高學(xué)生系統(tǒng)性解決電力工程問題的能力，最終提高學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力。

4 開展實踐教學(xué)

為保證實踐環(huán)節(jié)與課程理論知識學(xué)習(xí)的同步，實驗教師需及時與專業(yè)理論授課教師溝通，并根據(jù)學(xué)生專業(yè)知識的學(xué)習(xí)進度，通過實驗?zāi)Ｐ凸芾砥脚_，對相關(guān)環(huán)節(jié)的仿真模型進行適當(dāng)?shù)钠帘位蜷_放處理，以構(gòu)建不同復(fù)雜程度、包含不同實驗核心要素的仿真模型，滿足學(xué)生基礎(chǔ)實驗需要。

在學(xué)生完成本專業(yè)所有知識的學(xué)習(xí)后，實驗教師通過管理后臺開放實驗?zāi)Ｐ偷乃协h(huán)節(jié)，并將各環(huán)節(jié)聯(lián)網(wǎng)組成完成的電力系統(tǒng)，開設(shè)綜合性、系統(tǒng)性的專業(yè)實驗，學(xué)生需綜合應(yīng)用本專業(yè)所有核心知識分析并解決復(fù)雜電力工程問題，以此培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)。

同時，為全面、合理評價實踐教學(xué)的有效性，在實踐的整個過程中需設(shè)置科學(xué)的考核方法。實驗教師根據(jù)各實驗?zāi)Ｐ偷膹?fù)雜度和實驗難易程度對實驗結(jié)果進行綜合評價，并通過設(shè)置不同的權(quán)重系數(shù)，最終給出科學(xué)而合理的考核結(jié)果。

此外，為不斷提高實踐內(nèi)容的完整性、實踐過程的科學(xué)性及實踐方法的合理性，需進行持續(xù)改進及優(yōu)化，形成實踐教學(xué)→實踐產(chǎn)出→實踐改革→實踐教學(xué)……的閉環(huán)。因此，一方面，需結(jié)合當(dāng)前電力技術(shù)的不斷發(fā)展，積極在實踐教學(xué)中豐富實驗素材，優(yōu)化實驗內(nèi)容，更新實驗項目，以體現(xiàn)專業(yè)知識的前沿性。另一方面，需要依據(jù)學(xué)生的實踐效果及反饋，不斷優(yōu)化實驗環(huán)境，并按照學(xué)生的認知規(guī)律，提高實驗過程的科學(xué)性，使學(xué)生在實際工程背景下完成專業(yè)知識的認知、理解、掌握及應(yīng)用，最終幫助學(xué)生構(gòu)建完整的專業(yè)體系。

5 結(jié)語

本文針對電氣工程及其自動化專業(yè)特點，在綜合分析、總結(jié)了當(dāng)前專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從提高學(xué)生專業(yè)實踐效果、培養(yǎng)學(xué)生實際電力工程能力的角度出發(fā)，設(shè)計了一套以實際電力工程為背景、以虛擬仿真為實驗手段的專業(yè)課程實踐模式，并闡述了該模式的各個環(huán)節(jié)，包括專業(yè)知識點的梳理與整合、仿真軟件的選取、仿真模型的建立、仿真實驗的實施等，旨在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性電力工程思維和綜合性專業(yè)應(yīng)用能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。