多向融合探究式课堂教学改革

翁国庆 戚军 梁盛辉 黄飞腾

摘  要：提出一种多向融合探究式课堂教学改革方案，并在“电力系统自动化”课程中进行了实施。针对课程各章节核心知识点对应设置探究式课题，以实现多种教学方式、课堂内外、科研教学、关联学科、评价机制的多向融合。实践表明，所提教改方法可显著提升专业学生多学科知识融合应用能力、创新实践能力和复杂工程问题解决能力。

关键词：多向融合;探究式;电力系统自动化

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）05-0136-03

Abstract： The paper puts forward a classroom teaching reform scheme of research-style with multi-directional integration approach in the course of "Automation of Electric Power Systems". Inquiry topics are set for the core knowledge points of each chapter of the course to achieve a multi-directional integration of multiple teaching methods， inside and outside the classroom， scientific research teaching， related disciplines， and evaluation mechanisms. Practices show that the proposed reform scheme can significantly improve the students' abilities of integration and application of interdisciplinary knowledge， innovative practice and complex engineering problem solving.

Keywords： multi-directional integration; research-style; power system automation

近年來，随着教育部专业工程认证工作的推广，以及以出口为导向（OBE）教学理念的普及，在专业核心课程的建设和教学过程中，专业教师愈加重视学生创新实践能力培养，以及专业复杂工程问题解决能力的提升。

“电力系统自动化”课程的核心教学知识点包括电力系统中常用自动装置的实现要求、原理、方法和应用，以及远程监控与调度自动化的功能、组成、应用等。一方面，随着智能电网、智慧能源、电力泛在物联网等新概念的兴起，电力系统自动化、信息化、智能化程度越来越高，其自动化实现所需涉及的知识领域、关联技术不断拓展，对专业人才的知识维度和能力需求也越来越高。另一方面，作为典型的多学科知识交叉课程，其涉及教学内容包括电力系统自动装置、远程监控与调度自动化相关的专业理论，也包括自动控制理论、计算机和通信技术、嵌入式智能装置技术、决策策略和智能算法等，集理论分析、系统设计、软硬件开发、建模仿真、算法研究等为一体，非常适合专业学生多学科知识融合应用能力、创新实践能力和复杂工程问题解决能力的培养和提升。

本文提出多向融合探究式课堂教学改革思路，并详细描述其在“电力系统自动化”课程的实施方案以及典型案例。针对本课程核心章节知识，分别精心设计对应的探究式课题。每个课题任务均按照专业复杂工程问题的理念进行设计，使其具有较好的知识深度和广度，内容涉及原理分析、软件设计、硬件设计、建模仿真、策略研究、算法研究等。课堂教改实施中，要求学生按照学习小组方式组团队，各团队可根据自身兴趣和能力评估自由选择至少其中两个课题任务进行实施，并在学期后期进行集中性的答辩交流。课程团队多年的教学实践表明，多向融合探究式课堂教学法对于本课程的课堂教学效果具有非常显著的提升，对于专业学生创新实践能力和复杂工程问题解决能力的提升具有很大帮助。

一、多向融合探究式课堂教学法

多向融合探究式课堂教学法的本质，是在目标课程的课堂教学实施过程中，将“多向融合”教改思想和“探究式”教改模式进行有机结合。其核心目的在于：培养学生多学科知识融合应用能力、创新实践能力，以及专业复杂工程问题解决能力。其实施关键在于：紧密结合目标课程各章节核心知识点，充分融合相关学科关联知识和专业教师优势科研资源，合理设置一系列具有专业复杂工程问题特征的探索式课题任务，充分协调课堂内外以小组形式实施探索任务，并配套合理、公正的过程性评价机制。

“电力系统自动化”课程是一门知识融合性很强、综合能力要求很高的专业课程。一方面，课程内容与实际系统应用的强关联特性决定学生需要具有较强的创新实践和复杂工程问题解决能力;另一方面，课程内容涉及专业理论、装置原理、系统开发、算法策略等，决定其需要与专业广联学科知识进行较深度的融合。因此，在本课程课堂教学中引入多向融合探究式课堂教学法，必然可以产生很好的教学效果。

结合“电力系统自动化”课程特征，多向融合的具体实施内容主要包括（在电力系统自动化课程教学中的内涵）：

1. 认识式教学与探究式教学方式的有机融合;

2. 优势科研资源与课程教学资源的反哺融合;

3. “第一课堂”理论和“第二课堂”实践的融合;

4. 课程核心知识与多学科关联知识的融合应用;

5. 过程性评价和终结性评价的评价机制融合。

二、多向融合探究式课题设计

（一）发电机自动并列知识模块

设计的探究式课题名称为：“准同期并列装置开发与应用”。课题任务主要包括：

1. 查阅文献，综述现有并列装置实现方案;

2. 基于可视化软件开发平台（VB、VC、Java、Python等），设计开发准同期并列程序，要求实现内核算法，及可参数模拟调节、并列过程展示的界面（软件方向）;

3. 基于嵌入式实验模块（单片机、DSP、ARM），或者PLC控制器，设计开发准同期并列装置，要求可模拟准同期并列实施逻辑和过程（硬件方向）。

（二）电压和无功功率调节知识模块

设计的探究式课题名称为：“励磁系统稳定器仿真、分析与设计”。课题任务主要包括：

1. 基于MATLAB/Simulink仿真平台，构建典型电力系统励磁控制仿真模型，利用根轨迹法分析其稳定特性及缺陷;2. 基于Control System Toolbox，进行系统模型补偿环节设计，零、极点配置和参数修正，利用根轨迹法分析其稳定性补偿效果，获得系统最优稳定补偿方案。

（三）频率和有功功率调节知识模块

设计的探究式课题名称为：“异常情况下电力系统频率一体化调控装置”。课题任务主要包括：

基于嵌入式实验模块（单片机、DSP、ARM），或者PLC控制器，设计开发电力系统一体化频率自动控制装置，要求可实现：1. 电力系统频率实时检测;2. 电力系统冷备用发电机组自启动;3. 冷备用发电机组自启动后的自动准同期并列;4. 系统低频自动减载。

（四）变电站综合自动化知识模块

设计的探究式课题名称为：“变电站VQC策略研究及软件开发”。课题任务主要包括：

1. 查阅文献，综述目前系统常用的VQC产品;2. 分析对比，深入研究一种先进的VQC策略;3. 基于可视化软件开发平台，设计开发变电站VQC程序，要求实现内核算法，以及可参数模拟调节、综合控制过程展示的界面（软件方向）;4. 基于嵌入式实验模块，设计开发VQC装置，要求可模拟VQC实施逻辑和过程（硬件方向）。

（五）电力调度自动化系统知识模块

设计的探究式课题名称为：“电力系统负荷预测算法研究及软件开发”。课题任务主要包括：

1. 查阅文献，综述目前系统常用的负荷预测算法;2. 深入研究两种较先进的负荷预测算法原理;3. 基于常用编程语言（MALTAB、C、C++、Python等），编程开发上述两种负荷预测算法的实现程序;4. 基于同一组历史数据，对比分析两种算法的负荷预测效果。

（六）开放性课题模块

考虑到部分学生已经在课外深度参与了专业教师们的科研项目课题组，对于该类与本课程知识内容密切相关，学生自身又比较熟悉的课题，允许学生开放性自主选题，进行交流汇报，以扩大课堂知识维度和深度，进一步开拓学生视野。开放性课题例如：

1. 配电网电压暂降源智能诊断与自动定位;2. 含太阳能发电配电系统电能质量仿真;3. 电力系统状态估计算法研究及编程实现;4. GIS技术在配电管理系统中的应用;5. 变电站备用电源自投装置设计开发;6. 基于Lyapunov的电力系统在线调度优化。

三、多向融合探究式教改案例

（一）案例一：准同期并列模拟装置设计与开发

发电机自动并列知识模块中设置的“准同期并列模拟装置设计与开发”探索性课题，其核心任务为：基于可视化软件开发平台或者嵌入式控制器，设计开发一种全自动化准同期并列装置原型。准同期并列控制要求在发电机合闸前通过调整待并机组的电压和转速，使并列断路器两端的电压幅值、频率、相角基本一致，根据“恒定越前时间原理”，自动选择合适时机发出合闸命令，目的是使机组投入电力系统后能被迅速、小扰动地进入同步状态。基于该课题，学生可更深刻理解发电机准同期并列的原理和机理，并进行基于软件方案、硬件方案的实践探索。

案例实施中，一组学生采用了硬件设计方案：运用TM4C1294型号单片机实验平台，编写的内核程序可以很好实现并列的逻辑控制，编写的界面程序可以利用平台点式电阻屏彩色显示器直观地模拟出准同期并列过程，如图1（a）所示。另一组学生采用了软件设计方案：依据并列控制流程，基于VC++平台设计开发出程序界面，如图1（b）所示，通过两根不同颜色指针的长度和转速变化来模拟系统电压和发电机两端的电压差、频率差以及相角差，快键菜单项可以用以并列条件模拟调整，界面文本和指针可以模拟并列控制过程。

（二）案例二：配电网电压暂降源智能诊断与自动定位

开放性课题模块中，以由于参加学院“优才导师”项目，跟随导师深度参与了题为“智能配电网电能质量扰动源智能诊断”实际科研项目的一组学生为例，其主要任务为：搭建四种电压暂降源引起的电压暂降SIMULINK仿真模型，实现了基于小波分析算法的电压暂降时间定位。

案例实施中，学生首先学习搭建了含分布式发电（DG）智能配电网的Simulink仿真模型，并在学习了解电网电压暂降发生机理前提下，模拟仿真各种不同原因造成的暂降事件，并采集记录三相电压、电流暂降实时数据。进一步学习小波变化法原理，并利用MATLAB编程实现暂降电压、电流信号的多时间窗口扰动信号特征值提取，如图2所示。基于此，可以非常清晰地自动判断监测出目标电网发生电压暂降扰动的起止时间点（0.2s-0.3s）。

四、融合式评价机制实施

课程考核采用统筹考虑过程性评价成绩和期末考核成绩的综合评价方法，并大大提升过程性评价的比重。过程评价成绩主要由课堂表现、平时作业、实验情况、探究式课题表现等组成。

在实施探究式课题任务的过程性评价中，如何保证其公平性是难点，需兼顾各小组团队的综合表现，以及团队中的个人表现。实施中，团队综合表现可从任务难度、完成情况、答辩效果、报告质量等多个方面进行考核;个人表现可由组长负责，根据小组内各成员贡献度进行评价分的二次分配。

五、结束语

着眼于学生创新实践能力培养，以及专业复杂工程问题解决能力的提升，本文提出一种多向融合探究式课堂教学改革方法，并以“电力系统自动化”课程为例进行实施。在对多向融合探究式教学法的本质、目的、关键点和五点内涵进行论述分析的基础上，对应于本课程各章节核心知识点分别精心设计了探究式课题，详细描述了各课题对应的任务、方案路线等，并选择其中3个具有代表性的课题案例，进行了学生实施结果的展现。课题组多年的教学实践表明：该教改方法对于专业学生的多学科知识融合应用能力、创新实践能力和复杂工程问题解决能力具有显著的提升。

参考文献：

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[4]翁国庆，黄飞腾，南余荣，等.新兴特色专业科研反哺教学多向融合机制探析[J].电气电子教学学报，2017，39（6）：23-26.