基于大數(shù)據(jù)平臺的電力系統(tǒng)災變智慧教學研究

楊洪明　張群

摘 要：近年來信息技術的快速發(fā)展不斷推動著信息化教育的進程，云教育大數(shù)據(jù)平臺已成為目前和未來教學的基石和工具。為培養(yǎng)電氣工程學科應用型人才，以信息化教育改革為契機，針對現(xiàn)有的教學模式存在的問題將智慧教育和大數(shù)據(jù)平臺有機融合，構建一個基于電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)智慧教育平臺，并基于平臺基礎上提出了三種創(chuàng)新智慧教學模式。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)平臺;智慧教育;電力系統(tǒng)災變教學

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，云計算、泛在互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術的迅速普及，極大推動了教育領域的創(chuàng)新改革，以信息化驅動現(xiàn)代化教育教學模式已經(jīng)上升到國家策略的高度。目前高校存在多種新型的教學模式，例如慕課、翻轉課堂等[1～3]。他們共同的特點就是借助信息化教育環(huán)境，探索技術與教學的深度融合，讓教學更加智慧。智能終端的普及和現(xiàn)代通訊技術的快速發(fā)展，讓我們每個人都成為了互聯(lián)網(wǎng)中的一分子，互聯(lián)網(wǎng)時代正在邁向泛互聯(lián)網(wǎng)時代。

云計算技術讓各種數(shù)據(jù)和社交信息的存儲變得簡單，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)的貫通中誕生，為現(xiàn)實課題實現(xiàn)智慧教育提供了重要支撐，因此智慧教育在信息化技術在校園課堂中高度利用的必然產(chǎn)物，它賦予了比傳統(tǒng)教育更為豐富的內(nèi)涵和教學手段[4]。教育信息化的不斷發(fā)展，不僅給我們老師帶來了全新的教育形式也給同學們帶來了不一樣的學習方式，這無疑促進教育改革。與傳統(tǒng)教育知識灌輸教育理論不同，智慧教育以數(shù)字資源為核心載體，更加注重學習者參與教育過程的師生互動。學生不再僅僅是知識的被動接收者，也是問題的主動發(fā)現(xiàn)者和解決方法的探索者。由于智慧教學模式尤其注重學生的自主能力和合作能力，所以智慧教學模式能大大提高學生的學習效率。

1 基于大數(shù)據(jù)平臺云教育的優(yōu)勢

云教育將現(xiàn)代云計算技術有機的融入教育教學當中，充分利用云計算技術大規(guī)模、擴展性、可靠性、虛擬性等特征。大數(shù)據(jù)平臺通過整合高校數(shù)據(jù)資源庫，通過云計算對各種教育資源進行智能分類，為學習者提供豐富的教學資源。云教育大數(shù)據(jù)平臺和傳統(tǒng)的教學模式相比，有以下幾個方面的優(yōu)勢。一是大數(shù)據(jù)平臺可以利用計算能力根據(jù)學習者學習習慣智能匹配教學資源，幫助學習者制訂學習計劃等。二是云教育大數(shù)據(jù)平臺通過與互聯(lián)網(wǎng)的連接給學生提供一個虛擬的課堂學習環(huán)境;與其他現(xiàn)實學習環(huán)境相比，該平臺具有軟件多、資源豐富、互動頻繁等優(yōu)勢。三是學習成果可以互相充分利用、平等共享，現(xiàn)在每個人都是一個自媒體，學習者可以利用平臺及時上傳自己的Word、PPT、音頻等學習資源，達到和學習伙伴深度互動的目的。

2 大數(shù)據(jù)平臺對電力系統(tǒng)災害智慧教育的推動作用

大數(shù)據(jù)平臺對電力系統(tǒng)災害智慧教育有很大的促進作用，電力系統(tǒng)災害認知課程主要是幫助學生了解何種極端氣象災害環(huán)境會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響和后果以及電力系統(tǒng)是采取什么樣的應對措施去解決各種復雜極端氣象條件對電網(wǎng)造成的影響。學生對電力系統(tǒng)災害情況的理解都來自老師的簡單口頭描述，因此學生對這方面的知識的印象不會很深刻。采用大數(shù)據(jù)分析平臺直觀為學生演示各種氣象災害條件對電力系統(tǒng)造成的各種影響，例如風機大面積脫網(wǎng)、電網(wǎng)潮流影響等。之后加上老師介紹在極端氣象條件下電力系統(tǒng)災害機理，學生不僅能直觀的了解到不同氣象條件會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的故障，同時也能深刻理解電力系統(tǒng)發(fā)生故障的本質原因。老師和學生也可以上傳各種關于電力系統(tǒng)災害的學習資料至大數(shù)據(jù)平臺，學生可以從大數(shù)據(jù)平臺上獲取學習資料，同時通過學生們的實際操作讓學生進一步加深對電力系統(tǒng)災害的理解。

3 電力系統(tǒng)災害智慧教育大數(shù)據(jù)平臺構建

端云協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺是采用大數(shù)據(jù)平臺架構搭建的智慧教學平臺，它由數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)、平臺管理系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)通過與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)風機、儲能電池、光伏逆變器等各種設備信息建立通訊，采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各種設備的運行數(shù)據(jù)并上傳至云端。數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)基于分布式存儲系統(tǒng)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)處理階段的數(shù)據(jù)特點分別存儲于Hadoop平臺、MPP分布式數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫集群，通過配置數(shù)據(jù)流入和流出規(guī)則，控制數(shù)據(jù)進出大數(shù)據(jù)平臺過程，平臺管理子系統(tǒng)通過可視化建模提供多層級結構可視化呈現(xiàn)能力和3D動畫實時展示極端災害下電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化情況。

3.1 數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)作為端云協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺的基礎層，它為大數(shù)據(jù)平臺提供可靠的海量電力數(shù)據(jù)，該層包括等可控負荷、風力發(fā)電機、儲能儲熱設備、光伏發(fā)電等一些具有邊緣計算能力的終端設備。在萬物互聯(lián)和數(shù)據(jù)爆炸的環(huán)境下，通過分布式邊緣終端設備協(xié)作完成邊緣計算任務，對邊緣環(huán)境中計算、存儲、網(wǎng)絡資源的高效分配，以實現(xiàn)任務及數(shù)據(jù)的動態(tài)部署，這種分布式數(shù)據(jù)處理架構相比傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)處理架構能顯著提高平臺數(shù)據(jù)處理能力和效率。

3.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以關系型數(shù)據(jù)庫MySQL承擔對結構化的數(shù)據(jù)的存儲和管理;建立數(shù)據(jù)倉庫來實現(xiàn)對用于結構化數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的集中存儲與管理，利用大數(shù)據(jù)應用框架Hadoop平臺的數(shù)據(jù)倉庫作為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫的補充，實現(xiàn)對非結構化數(shù)據(jù)的存儲和管理，并對來自搜索引擎的海量數(shù)據(jù)查詢提供支撐。通過定義數(shù)據(jù)質量清晰規(guī)則，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)質量規(guī)則保障大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)質量，數(shù)據(jù)獲取過程需將原始數(shù)據(jù)進行抽取、清洗、合并和裝載等操作后生成新數(shù)據(jù)集提供數(shù)據(jù)分析使用。同時系統(tǒng)考慮未來的擴展性，為了便于與第三方系統(tǒng)快速對接，構建了數(shù)據(jù)共享平臺體系。平臺還兼容基于matlab、python、R語言開發(fā)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，系統(tǒng)能直接對接學生開發(fā)的各種算法模型，便于學生進行仿真試驗。

3.3 平臺管理子系統(tǒng)

平臺管理子系統(tǒng)采用最新的窗口顯示技術，提供的顯示應具有諸如多窗口顯示、滾動畫面顯示、圖像縮放顯示。提供區(qū)域板塊可視化呈現(xiàn)能力，構建了從湖南?。ê?00kV網(wǎng)架結構）-湖南省六大區(qū)域-特定地點（邵陽地區(qū)電網(wǎng)結構），從大到小、從上到下的多空間尺度，以及包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)多時間尺度展示的集成地圖電力GIS極端氣象下（覆冰、暴風、暴雨等）分析展示系統(tǒng)，提供多層級結構可視化呈現(xiàn)能力，包括電力設備（源-網(wǎng)-荷）設施信息、電網(wǎng)運行狀態(tài)信息、電力市場信息與交通、電網(wǎng)相關公路街道，以及氣象等自然環(huán)境信息集中于平臺展示。通過3D動畫形象的向學生展示在一種或幾種極端氣象條件下電力系統(tǒng)運行的變換情況，提升學生對電力系統(tǒng)應對極端災害的措施和方案的理解。

4 基于大數(shù)據(jù)平臺的電力系統(tǒng)災害實踐教學模式

4.1 基于大數(shù)據(jù)平臺的移動學習模式

智慧教育大數(shù)據(jù)平臺目前已和校內(nèi)多個數(shù)據(jù)分析平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以及資源共享。課程組老師通過該平臺為同學實際演示電力系統(tǒng)在各種極端氣象災害下的不同情況以及多種極端條件同時作用下電力系統(tǒng)的變化情況。學生可以利用課余時間去登陸平臺進行自己動手實際操作，提升自己對電力系統(tǒng)災害相關知識的理解。同時平臺還可以接入學生基于matlab、python、R語言等編寫的優(yōu)化算法模型，利用大數(shù)據(jù)平臺分布式計算的特點快速驗證模型的正確與否。

學生只要在連接互聯(lián)網(wǎng)的情況下都能夠訪問平臺進行算法程序開發(fā)學習，因此在這種獨特的優(yōu)勢下，學生的學習時間和程序開發(fā)時間不再局限于老師的上課時間，學生可以利用自己的空閑時間連接平臺進行開發(fā)完成項目。同時學生們的實踐地點也不再局限于實驗教學室，同學們可以在圖書館、教室等任何地方完成實踐項目進行算法程序開發(fā)設計學習。這樣學生們的學習進程不會像傳統(tǒng)的教學模式一樣受到時間和地點的限制，同學們可以更加自由的選擇時間和地點發(fā)揮自己的主觀能動性完成實踐項目。這種教學模式想對傳統(tǒng)教學模式對學生的自我學習能力和學習規(guī)劃能力更有提升的效果，傳統(tǒng)模式下學生都是跟著老師的時間規(guī)劃下完成課題，老師會在指定時間節(jié)點完成哪部分內(nèi)容，在這種模式下學生完全依賴于老師的指導。

4.2 基于大數(shù)據(jù)平臺的翻轉課堂教學模式

利用大數(shù)據(jù)平臺與市面上現(xiàn)有的免費開放在線教育平臺對接，實現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)互通。學生可以在此平臺上自由注冊和選課、免費學習，通過平臺上課程相關考試還能獲得考試合格證書。依托大數(shù)據(jù)平臺的翻轉課堂教學模式的實現(xiàn)包括以下過程，首先是課程制作，在每個課程中教師需針對一個特定的問題深入分析，提煉每個問題的知識要點，拍攝錄制成教學視頻，連同其它教學資料一并上傳到平臺;然后，注冊學生可以在平臺上選擇感興趣的課程，觀看視頻、完成考核、獲得證書;然后，教師利用大數(shù)據(jù)平臺了解學生學習進度，針對學生普遍困惑的難題，集中重點講解;最后：分析學生提出的思路和解決方案，完成課堂練習，進行相關知識點的測試。

與傳統(tǒng)教學方法相比，翻轉課堂更加關注學生的發(fā)展，把課堂的主動權交給學生，老師側重于解決學生的疑惑，引導學生分析問題，展開討論，提出各自的見解，探索最佳解決方案，教師是學習內(nèi)容的設計者、幫助者和合作伙伴，是教學過程的引導者，讓學生全心投入教學過程，發(fā)表自己的意見，老師只用少量時間集中解答問題，這種模式發(fā)揮了學生的能動性，有利于提高學生解決問題的能力。

4.3 基于任務驅動的團隊教學模式

在此課程實踐教學中，學生可以根據(jù)自己的興趣和自己擅長的模塊個性化選擇自己的實踐題目，同時該課程還設置小組團隊課題，學生分組共同完成一個較大的課題，學生之間分工合作，每個人都負責該項課題的一部分，因此學生都能夠選擇到自己感興趣和自己擅長的模塊，這就能有效激學生學習和參與項目開發(fā)的積極性。學生選擇的題目不再僅僅局限于老師所出的題庫，也不會出現(xiàn)全班同學完成同一個項目的情況，這就有效避免了學生之間出現(xiàn)互相抄襲的情況，確保了每位同學都能參與到這門課程中來，使同學們能夠從這門課中真正學到有用的知識，提高自己的程序設計能力，為以后的學習打下牢固的基礎。

5 結語

智慧教育是當前的一個社會熱點問題，更是教育界面臨的重大挑戰(zhàn)，大數(shù)據(jù)平臺為智慧教育提供了堅強的技術基礎，本論文立足于教師角度探討了智慧教育的內(nèi)涵，并提出了基于大數(shù)據(jù)的智慧教育的三種模式，對教師在新常態(tài)下提高教學有一定的價值。在電氣專業(yè)的應用課程中實施數(shù)據(jù)結果顯示，學生的學習興趣和平時成績明顯提高，實驗動手能力增強，課堂活躍度大幅提高。隨著無線校園網(wǎng)絡的建設，還有更多的實時學習數(shù)據(jù)能被用來改善教學效果。同時也對大數(shù)據(jù)平臺提出了更高的技術要求。如果學校能從其他系統(tǒng)中獲取更多的用戶行為數(shù)據(jù)，比如學生的社交行為、生活行為等，并對這部分數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)應用的完整閉環(huán)，就能提升數(shù)據(jù)價值的感知性。目前，這類數(shù)據(jù)普遍存在較大缺口，迫切需要學校對當前的智慧校園平臺加大投入，做到各職能部門之間互相聯(lián)動，真正實現(xiàn)以學生為中心的培養(yǎng)目標。

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項目：This work is supported by the Projects of Educational Research and Reform in Hunan Province（JG2017B071）