基于卓越電氣工程師培養(yǎng)的電力系統(tǒng)分析課程改革

徐德明+遲正剛

[摘 要]電氣工程及其自a動化專業(yè)以卓越工程師實(shí)驗(yàn)班模式，探索“三創(chuàng)型”專業(yè)人才培養(yǎng)的可行方式，著力加強(qiáng)學(xué)生對工程實(shí)踐的了解、專業(yè)知識與應(yīng)用的結(jié)合，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力、優(yōu)秀的學(xué)習(xí)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在電力系統(tǒng)分析課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于卓越電氣工程師培養(yǎng)目標(biāo)，貫穿問題教學(xué)法的理念，對該課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，并對課程進(jìn)行拓展，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。學(xué)生通過這種方式學(xué)習(xí)后，對課程的理解以及對電力方面知識的興趣都有了很大提高。

[關(guān)鍵詞]卓越電氣工程師;電力系統(tǒng)分析;問題教學(xué)法;課程拓展

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）11-0161-02

創(chuàng)新高校人才培養(yǎng)機(jī)制是十八屆三中全會提出的明確要求。為貫徹中央提出的走中國特色新型工業(yè)化道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家、建設(shè)人力資源強(qiáng)國等戰(zhàn)略部署，落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》，教育部啟動實(shí)施了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃。[1]惠州學(xué)院為配合國家教育戰(zhàn)略，促進(jìn)學(xué)院學(xué)科建設(shè)，在學(xué)校內(nèi)開展了卓越工程師培養(yǎng)系列活動，其中電子科學(xué)系的電氣工程及其自動化專業(yè)成為首批試點(diǎn)專業(yè)之一。

電氣工程及其自動化專業(yè)以卓越工程師實(shí)驗(yàn)班模式，探索“三創(chuàng)型”專業(yè)人才培養(yǎng)的可行方式，著力加強(qiáng)學(xué)生對工程實(shí)踐的了解、專業(yè)知識與應(yīng)用的結(jié)合，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力、優(yōu)秀的學(xué)習(xí)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。這對教師的教學(xué)工作提出了更高的要求。本學(xué)科非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課——電力系統(tǒng)分析是一門理論分析嚴(yán)謹(jǐn)、涉及內(nèi)容廣泛的課程，包括電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析兩大部分。它既是后續(xù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣部分等相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)，又是學(xué)生專業(yè)素質(zhì)形成的關(guān)鍵課程之一，對學(xué)好本學(xué)科起著非常重要的作用。

一、電力系統(tǒng)分析課程現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)分析課程內(nèi)容與電力系統(tǒng)運(yùn)行過程密切相關(guān)，同時又有大量的計算，學(xué)生普遍反映學(xué)起來難度較大。隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)與新能源技術(shù)的結(jié)合，本課程的教學(xué)內(nèi)容日益豐富，教學(xué)要求也不斷提高。近年來，與本專業(yè)相關(guān)的一些新技術(shù)發(fā)展很快，特別是美國提出進(jìn)行新能源革命從而帶動美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的發(fā)展戰(zhàn)略后，全球掀起了新能源開發(fā)及應(yīng)用和智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)的熱潮。[2] [3]可見，對電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等實(shí)踐創(chuàng)新方面的改革勢在必行。

二、問題教學(xué)法在理論教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

問題教學(xué)法是教育理論中一種互動式教學(xué)方法。[4]筆者采用問題教學(xué)法來講授電力系統(tǒng)分析課程，將課程的主體結(jié)構(gòu)通過提問的方式引出，并要求學(xué)生在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后完成以下4個任務(wù)：1.電力系統(tǒng)建模，以穩(wěn)態(tài)模型為主，兼顧暫態(tài)模型;2.計算電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下的功率、電壓的分布（即潮流分析）;3.計算電力系統(tǒng)發(fā)生各類故障時的電壓、電流分布（即故障分析）;4.計算電力系統(tǒng)在各種擾動下能否維持穩(wěn)定運(yùn)行（即穩(wěn)定分析）。

簡略地說，就是掌握復(fù)雜電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，并能夠進(jìn)行潮流、故障、穩(wěn)定3大計算。課程的主體結(jié)構(gòu)由以上對應(yīng)的4部分組成，每個部分包含若干章節(jié)內(nèi)容。為提升學(xué)生對課程的認(rèn)知，筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，精心挑選下列一組問題作為教學(xué)的主線。

1.直流電力系統(tǒng)與交流電力系統(tǒng)的特點(diǎn)各是什么？現(xiàn)代電力系統(tǒng)采用的是那種模式？具有什么特點(diǎn)？2.參照電機(jī)學(xué)，如何建立發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和電力負(fù)荷等元件的數(shù)學(xué)模型，對于多電壓等級的電網(wǎng)，如何對各元件參數(shù)進(jìn)行電壓等級的歸算，進(jìn)而構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。有名制、標(biāo)幺制，精確法、近似法在進(jìn)行電壓等級歸算時有什么異同之處？3.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析中提出了潮流分析這一概念，給出對“潮流”這一詞的理解。電力系統(tǒng)就是一個大的電路網(wǎng)絡(luò)，那么“潮流計算”與一般的“電路穩(wěn)態(tài)計算”有什么異同之處？4.在復(fù)雜電力系統(tǒng)潮流的計算機(jī)算法中，節(jié)點(diǎn)被分為幾種類型，已知數(shù)和未知數(shù)各是什么？這與實(shí)際電力系統(tǒng)中的哪些設(shè)備（廠站）相對應(yīng)？5.為什么要用對稱分量法求解電力系統(tǒng)不對稱短路故障時的故障電流？這一方法的數(shù)學(xué)原理是什么？有沒有其他的方法可以計算不對稱故障的短路電流？6.電力系統(tǒng)中各元件的序阻抗的是如何定義的？其物理含義各是什么？系統(tǒng)分析與設(shè)計中所取的電抗值又是如何得到的？7.系統(tǒng)的穩(wěn)定性是如何定義的？電力系統(tǒng)穩(wěn)定性主要涉及哪些電氣量？

通過問題的設(shè)置，逐步引出課程相關(guān)內(nèi)容。筆者在教學(xué)過程中體會到，用問題來引導(dǎo)學(xué)生可以提高學(xué)習(xí)的導(dǎo)向性，把學(xué)生興趣吸引到問題上來。在關(guān)注解決問題的具體方法時，要讓學(xué)生理解每個方法、步驟的意義，以免因?yàn)閮?nèi)容龐雜而失去對問題全貌的了解。[5]

三、實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新

筆者在實(shí)踐過程中積極探索，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，提升課程的實(shí)踐性和創(chuàng)新性，取得了較好的效果。

（一）開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)室，由3臺“WDT-IIIC電力系統(tǒng)綜合自動化試驗(yàn)臺”和1臺“PS-7G型電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控試驗(yàn)臺”及相關(guān)設(shè)備組成，是一個自動化程度很高的動態(tài)電力系統(tǒng)物理模型，能夠反映現(xiàn)代化電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和使用的全過程，體現(xiàn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)高度自動化、信息化、數(shù)字化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的檢測、控制、監(jiān)視、保護(hù)、調(diào)度的自動化，并使教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理現(xiàn)代化。對于卓越電氣工程師班的學(xué)生來說，除了按要求完成課程基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之外，還要在課余時間對實(shí)驗(yàn)平臺能完成的其他內(nèi)容作試探性研究和拓展。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)平臺開放的接口做課程設(shè)計和研究，拓寬了視野，加深了對理論知識的理解。

（二）自主研發(fā)、修復(fù)實(shí)驗(yàn)裝置模塊

綜合設(shè)計實(shí)踐教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)“卓越電氣工程師”專業(yè)教學(xué)計劃中的重要部分。本課程鼓勵學(xué)生在實(shí)踐過程中自己動手設(shè)計裝置，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或者對舊實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行維修，恢復(fù)裝置功能。學(xué)生通過這種實(shí)踐，對實(shí)驗(yàn)過程和內(nèi)容有了更深刻的理解，提高了動手能力。

四、課程拓展及創(chuàng)新能力培養(yǎng)

筆者在教學(xué)過程中，一直強(qiáng)調(diào)學(xué)生要注重本課程具體章節(jié)內(nèi)容之間的聯(lián)系，逐步掌握單個知識點(diǎn)，理解課程體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而理解專業(yè)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，熟悉本課程在整個教學(xué)體系中的地位和作用。通過把問題法融入教學(xué)中，能避免學(xué)生片面的學(xué)習(xí)單個知識點(diǎn)而忽略對全局的了解，能提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

同時，筆者在教學(xué)過程中注重緊跟前沿技術(shù)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。本課程內(nèi)容講授到一半時，學(xué)生對課程內(nèi)容已有了一定的認(rèn)識，筆者要求每位學(xué)生都要去查找文獻(xiàn)，了解電力方向的最新技術(shù)和發(fā)展方向，然后上交一篇報告，對涉及的新技術(shù)進(jìn)行描述并寫心得。為了提高效率避免雷同，筆者規(guī)定，報告提交時按照時間先后順序，若該技術(shù)在先前提交的報告中已使用，則后而提交的報告中就不能再涉及，這樣越往后報告提交難度越大，所以學(xué)生基本都以最快的速度去查找資料寫報告。報告審核工作由筆者獨(dú)立完成，對粗制濫造、敷衍了事的報告筆者一律退回要求學(xué)生重寫，直到通過為止。等學(xué)期末課程快結(jié)束時專門有新技術(shù)討論課，這時筆者要求學(xué)生對自己報告中的新技術(shù)進(jìn)行脫稿描述，以檢查學(xué)生對新技術(shù)的理解程度，并對整個過程進(jìn)行打分，計入期末考核。

學(xué)生通過查找技術(shù)資料寫報告，對專業(yè)的前沿技術(shù)有了一定的了解，對自己未來的發(fā)展方向也有了較清楚的認(rèn)識。比如，新能源開發(fā)及應(yīng)用和智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)目前在全球進(jìn)行得如火如荼，新一代的大學(xué)生也要緊跟時代潮流，但學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件有限，怎么辦？有學(xué)生就發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)技術(shù)就是一個很好的切入點(diǎn)。微電網(wǎng)（Micro-Grid）也譯為微網(wǎng)，它是將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合，形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能和熱能。微電網(wǎng)中的電源多為微電源，亦即含有電力電子界面的小型機(jī)組（小于100kw），包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。[6]微電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，它既能與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也能在電網(wǎng)故障或需要時與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行，是傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡。不少學(xué)生在了解了相關(guān)知識后，已打算把微電網(wǎng)技術(shù)作為自己未來的研究和發(fā)展方向。

五、小結(jié)

本文在電力系統(tǒng)分析課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于卓越電氣工程師培養(yǎng)目標(biāo)，將問題教學(xué)法的理念貫穿于教學(xué)實(shí)踐，對該課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，并對課程進(jìn)行拓展，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。學(xué)生通過這種方式學(xué)習(xí)后，對課程的理解以及對電力方面知識的興趣都有了很大的提高。卓越計劃實(shí)施時間并不長，在今后的實(shí)施過程中還需繼續(xù)探索、總結(jié)，不斷調(diào)整，這樣才能不斷進(jìn)步。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[3] 肖立業(yè)，林良真.構(gòu)建全國統(tǒng)一的新能源電網(wǎng)，推進(jìn)我國智能電網(wǎng)的建設(shè)[J].電工電能新技術(shù)，2011（4）：54-59.

[4] 杜作潤，廖文武.高等教育學(xué)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2003.

[5] 江寧強(qiáng).問題教學(xué)法在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006（4）：42-45.

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[責(zé)任編輯：陳 明]