面向工程强化实践的“电力系统分析”课程改革与实践

穆 钢,李国庆,蔡国伟,严干贵,孙 亮,李 娟,李书权

(东北电力大学,吉林吉林 132012）

面向工程强化实践的“电力系统分析”课程改革与实践

穆 钢,李国庆,蔡国伟,严干贵,孙 亮,李 娟,李书权

(东北电力大学,吉林吉林 132012）

介绍了“电力系统分析”精品课程的改革与实践过程,遵循突出工程,强化实践的原则,在教学思想、教学体系、教学内容和方法以及师资队伍素质提高等方面进行了大量的改革与实践,取得了宝贵的经验。通过精品课程建设,带动学科建设工作和教师队伍的培养工作,使教育教学质量再上一个新台阶。

电力系统分析;面向工程;强化实践;课程改革与实践

0 引言

现代电力系统是迄今最复杂和最庞大的人造系统。该系统处理能量巨大,地域分布广、运行方式多变,具有高维、非线性、动态特性复杂等特征,是现代社会须臾不能离开的重要能源支撑系统。电力系统一旦发生崩溃性事故,社会影响巨大,经济损失严重。

伴随着我国经济的快速发展,我国电力工业取得了举世瞩目的发展。我国已形成了既有火电、水电,又有核电、风电、太阳能等新型发电方式的电源结构,发电装机容量居世界第二位;已建成世界上规模最大的交直流联合电网。建设和运行如此庞大复杂的电力系统对高校人才培养的实践能力和工程素质提出了新的要求。

“电力系统分析”课程主要研究电力系统的正常运行和故障运行状态的分析和计算方法,是培养学生进入电力系统领域学习和研究的核心课程,处于专业基础课和专业课之间的枢纽地位。

伴随着电力工业的快速发展,原有的“电力系统分析”课程在多方面表现出了明显的不适应,主要问题有:①课程教学内容注重知识传授,强调理论的严谨性,忽视工程问题的物理本原和相关的经济环境社会背景。②教学方法上,重分析,轻综合,忽视各部分知识之间的联系及在电力系统工程中的作用。③教学组织上,重课堂教学,轻实践教学,忽视对学生学习兴趣的培养。即“工程不突出,实践少而散,课外无活动”[1]

为了适应电力工业发展对人才培养的新要求,全面提高“电力系统分析”课程的教学质量,课程组从2002年启动了对该课程的建设与改革,2005年课题研究得到了吉林省高等学校教学改革重点课题的资助。经过6年的建设,取得了一系列成果。“电力系统分析”课程2007年被评为国家级精品课程,课程组所在团队2008年被评为国家级教学团队,本校“电气工程及其自动化专业”2007年被评为国家级特色专业建设点。以本课程实验平台为主体的“电气工程实验教学中心”2008年被评为国家级实验教学示范中心。课程负责人2008年被评为吉林省教学名师。本研究成果获2009年吉林省优秀教学成果一等奖[2]。

1 课程建设与改革的总体思路

1.1 明确人才培养定位

东北电力大学是一所主要为电力行业培养和输送人才的高等学校。电气工程及其自动化专业的人才培养定位是:培养适应电力行业需求、基础理论扎实、突出“一实两创”(实践能力、创新意识、创业精神)特色的高素质应用型人才。

1.2 课程改革和建设的总体思路

根据培养突出“一实两创”特色人才的要求,遵循“突出工程,强化实践”的原则,统筹配置和建设教学资源,精简优化课程内容,整合强化实践教学、创新构建课外活动,通过创建突出工程强化实践的立体化课程体系,建设配套的实践平台,全面提升课程教学水平,提高人才培养质量。

2 课程改革与建设的实践

2.1 形成“工程-理论-工程”的教学思想

以往的“电力系统分析”课程注重知识传授,强调理论的严谨性。对如何从纷繁复杂的实际问题中提炼出可资研究的模型关注不够,忽视对局部与整体之间关联关系的分析,主要讲解前人已提炼出的既有模型的求解方法。学生学完课程后,尚且可以完成验证解法的书本作业,但难以综合运用所学的知识解决电力系统工程中的实际问题。

解决工程问题,离不开解决问题的方法,更需要分析问题的方法,即面对纷繁复杂的工程实际问题,通过突出主要矛盾,对枝节问题的正确简化,构建出突出工程问题本质的数学模型的方法。运用基本理论对所提炼模型求解后,还应进一步探讨其工程意义,进行价值评判和环境社会影响分析,形成指导工程的一般性概念和结论。课程教学活动的组织应从以理论为中心转到以工程为中心,既强调理论源于工程,又强调理论服务于工程。“工程-理论-工程”的教学思想如图1所示。

图1 “工程-理论-工程”教学思想示意图

2.2 课堂教学、实践教学和课外活动相结合

按照“精简优化”的原则,重构课程内容体系。根据教学内容在电力系统工程中的地位和作用,构建了包括认知层、基础层、应用层和扩展层的四层次课程内容体系,根据内容有针对性地开展教学活动。

认知层主要包括电力工程中的基本常识和背景知识,如国内外电力工业发展现状及历史、电力系统的构成、主要发电方式及其特点、电力系统运行的基本要求等。

基础层包括电力系统各种运行分析用到的共性基础的教学内容,如电力系统的基本数学模型、电力系统潮流计算、电力系统故障分析等。

应用层包括一些不作为其他运行分析基础的电力系统运行分析方法。主要包括电力系统稳定性分析、电力系统电压调整、电力系统频率调整、电力系统运行控制等。

扩展层是尚未列入教材的电力系统新技术、新方法等内容。涉及电力市场、新能源发电技术、灵活交流输电技术、交直流特高压输电等。

通过对教学内容的梳理,突出了教学重点,大幅精简了课内教学时数。改革后课内教学时数由原来的128学时降低到80学时。

在教学方法上,运用“问题解决(problem solving)”教学法,每一新内容都从电力系统设计和运行中遇到的问题导入,强调对物理问题本身工程意义的分析,克服了只求答案忽视工程问题的弊端,培养学生研究工程问题的思路和用所学理论分析电力系统工程问题的能力。

充分运用现代教育技术,将复杂的电力系统分析搬上课堂,用现代仿真技术在课堂上展示分析过程,改变了过去以公式分析为主的状况,使抽象的电力系统运行分析具象化,并借助于仿真技术对计算结果的工程意义进行深入的阐释[3,4]。

图2 电力系统潮流计算课堂演示

优化配置课堂教学、实践教学与学生课外活动等教学资源,形成立体化课程体系。针对“实践少而散、课外无活动”的问题,按照新的教学内容体系,以强化实践为重点,统筹安排课堂教学、校内外实践以及课外活动等教学资源的运用,形成了实现课程改革目标的立体化的课程体系,如图3所示。

图3 立体课程教学体系

精心组织服务于课程教学的系列课外培养活动。课内学时减少较多的情况下,为了确保学生有更多的学习时间和精力投入,必须用学生喜闻乐见的方式构建系列课外培养活动,充分调动学生学习的积极性和主动性。

课外培养活动主要包括电力知识竞赛、电力系统仿真竞赛、“中国电机工程学会杯”电工数学建模竞赛、开放教师科研课题、组织兴趣小组等。

图4 系列课外培养活动示意图

2.3 构建了“全程设计、平台支撑”实践教学体系

实践教学是立体化课程教学体系的重要组成部分,是实现“突出工程、强化实践”目标的重要环节。根据立体化课程教学体系对实践教学改革与建设的要求,为了实现理论教学与实践教学的有机结合,构建如图5所示“全程设计 平台支撑”的实践教学体系。

图5 “全程设计、平台支撑”的实践教学体系

(1)全程设计是将某个电网的规划及运行分析的设计伴随教学全过程逐次展开,替代以往分散的习题和课后集中进行的课程设计,以提高学生对工程问题整体性的认识。

在课程之初,给学生布置某电力系统的规划设计的初始条件,随着教学的逐步推进,要求学生完成对该系统的潮流分析、故障分析、稳定性分析和调压分析。学生学到的知识立即就会运用到设计中。通过课程学习和设计锻炼,对电力系统的分析方法及其应用有更深刻的理解,对工程问题局部与整体的关系有更全面的把握。

(2)平台支撑就是建设便于学生完成设计、了解电力系统设计与运行过程的实践教学平台,包括电力系统工程认知平台、物理模拟平台、数字仿真平台、工程实训平台,以此强化工程训练。

近6年投资逾2600万元,建成和完善了“电力生产过程动态模型演示中心”、“现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术实验室”,“电力系统数字仿真实验中心”,“输变电运行实训中心”。实现了从工程认知、物理模拟、数字仿真、工程实训等方面对提高学生工程素质、实践能力培养的全面支撑。

电力系统工程认知平台:该平台主要包括电力生产过程动态模型演示中心、校外实习基地,是帮助学生形成对电力系统感性认知的重要平台。

电力系统物理模拟平台:该平台依托于我校省部共建教育部重点实验室“现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术实验室”,拥有模拟发电机组、变压器、模拟输电线路、风力发电模拟系统;拥有丰富的监控手段,能帮助学生了解电力系统的运行特征,建立清晰、直观的物理概念。

电力系统数字仿真平台:该平台依托于我校电力系统数字仿真实验室,配备了全功能电力系统联合仿真培训系统、DDRTS、PSCAD、PSASP、EM TP和课程组自主研发的电力系统高级应用软件(PSAA 2.0)等电力系统仿真软件,有助于学生了解大规模复杂电力系统的运行特性。

电力系统工程实训平台:该实验平台是我校与四平供电公司联合建立的输变电运行实训中心,该中心有国内高校唯一的全电压运行的66kV实验变电站,学生可在真实的变电站运行环境下进行各种操作,实现从课堂到实验室再到准工程环境的跨越。

科研成果引入实践平台。根据课程建设改革的总体思路和实践教学平台建设的需要,积极将近年来取得的科研成果应用于实践平台建设中。本课程组教师研制的“大规模电力系统暂态稳定定量评价分析系统”(获2008年国家科技进步二等奖)和“电力系统高级应用软件”(已在13个电力供电企业得到应用)应用于电力系统数字仿真平台中;为提高学生实践能力和强化工程素质发挥了积极的作用。

2.4 在教学科研实践中建设一支高水平教师队伍

任何好的教学思想和先进的教学理念都需要有高水平的教师队伍来实践才能取得教学改革的成效。

课程组共有教师11人,其中教授4人,博士5人。课程组教师积极开展教学改革的研究,投身于教学实践,努力提高教学水平和人才培养质量。在承担繁重教学任务的同时,课程组教师积极开展科学研究,不断提高学术水平,为开展高水平教学奠定坚实的学术基础。

教师队伍中,有国家级有突出贡献专家1人,“百千万人才工程”国家级人选2人,享受国务院特殊津贴2人,全国优秀教师1人,省级教学名师1人,省首批拔尖创新人才3人。本课程组教师近5年承担国家自然科学基金项目3项,获国家科技进步二等奖1项、吉林省科技进步一等奖2项、二等奖3项;获国家教学成果二等奖1项、吉林省教学成果一、二、三等奖各 1项。

3 应用与评价

3.1 教学质量工程取得丰硕成果

经过6年的建设,课程和实践基地建设在人才培养中发挥了积极的作用,教学质量工程建设取得了丰硕成果。

《电力系统分析》课程2007年被评为国家级精品课,“电气工程实验教学中心”2008年评为国家级实验教学示范中心,“电气工程教学团队”2008年被评为国家级教学团队,“电气工程及其自动化”专业2007年被评为国家级特色专业建设点。

“现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术实验室”2008年被评为部共建教育部重点实验室。

3.2 教学研究成果显著

结合课程建设目标,本课程组积极开展教学研究工作,较好地完成了吉林省重点教学研究项目和其他校级教学研究项目。近5年,获吉林省优秀教学成果一等奖1项、二等奖1项,获吉林省教学技术成果三等奖1项,共发表教学研究论文13篇。

3.3 学生收益面广成效显著

本项目成果自2005年在电气工程及其自动化专业5个年级进行应用,取得了良好的应用效果。多元化的课外培养为学生强化实践能力,提升工程素质搭建了平台。

1)“中国电机工程学会杯”电工数学建模竞赛由电机工程学会电工数学专委会主办,我校承办。目前该赛事围绕电力系统的相关问题,已举办4届,参赛学校近250所,参赛人数逾万人,我校电气工程及其自动化专业学生每届均有100～150人参加。

2)组织了三届电气工程学院“电力专业知识竞赛”,共有1000余名学生参加了初赛、复赛和决赛。

3)举办了二届“电力系统运行仿真竞赛”,参赛学生近200余人。

4)每届学生均有40～60名学生参与教师的10～15个科研课题的研究,近2年,兴趣小组为学校撰写节电调研报告和实施方案报告20余份,学生发表教学研究论文20余篇。

在近几年的用人单位招聘会上,黑龙江电力公司,吉林电力公司,大唐电力公司等机构的人力资源部对我们培养的电力专业人才给予的高度的肯定,通过招聘现场答辩,本专业应聘学生表现出专业基础知识扎实,并且具有很强的解决工程实践问题的能力,深受用人单位的欢迎。

3.4 具有较广泛的推广应用效果

本课题研究成果在华北电力大学、上海电力学院、沈阳工程学院等原电力类高等院校进行了较为广泛的交流,一些学校在教学中借鉴了该项目中的部分研究成果,示范作用明显。

4 结语

经过本课程组多年的努力,遵循“突出工程、强化实践”的原则,从教学思想、课程教学资源优化、实践平台建设等方面对《电力系统分析》课程进行了全面的改革和建设,取得了多项建设成果。《电力系统分析》课程、相关专业、教学团队、实验平台分别获得国家级奖励。项目研究成果获吉林省教学成果一等奖。通过改革和建设,使课程面貌焕然一新,更好地适应了电力工业快速发展对人才素质的新要求。

[1] 穆钢.浅谈高等院校考试制度的改革.中国成人教育,2008(10)

[2] 宋小囡,穆钢等.实施质量工程全面提高教育教学质量.中国成人教育,2008(10)

[3] 孙亮,李娟等.基于网络的电力系统分析教学辅助系统的设计.东北电力大学学报,2006,26(3)

[4] 王秀云,李娟等.图形化《电力系统分析》课程教学辅助软件开发.东北电力大学学报,2008,28(3)

穆 钢(1957-),男,博士,教授,博士生导师,从事电力系统分析与控制方面的教学与研究;mg@m ail.nedu.edu.cn